DE3325803A1

DE3325803A1 - Messeinrichtung

Info

Publication number: DE3325803A1
Application number: DE19833325803
Authority: DE
Inventors: Günther Dr.-Ing. 8221 Bergen Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-07-16
Filing date: 1983-07-16
Publication date: 1985-01-31
Also published as: JPH06258102A; JPS6039501A; DE3465776D1; JPH0749970B2; DE3325803C2; JPH0658779A; JPH0410976B2; EP0137099A1; US4606642A; ATE29295T1; JPH0749971B2; EP0137099B1

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMTHI ' 1. Juli 1983 Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine inkrementale Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen Meßeinrichtung können die durch die Referenzmarken erzeugten elektrischen Steuerimpulse auf verschiedene Weise verwertet werden, z.B. zum Reproduzieren der Nullposition im Zähler, zum Anfahren einer bestimmten Position zu Beginn der Messung und zur Meßwertüberwachung vor Störimpulsen sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.

Bei Codemeßeinrichtungen, also Meßeinrichtungen ohne Referenzmarken, die mehrere Teilungsspuren mit unterschiedlichen Gitterkonstanten aufweisen, ist es bekannt, verschieden große Abstände zwischen den Teilungsspuren und den zugehörigen Abtastfeldern vorzusehen, wobei die Abstände aus den Gitterkonstanten der Teilungsspuren und aus der Wellenlänge des Lichts der Beleuchtungseinrichtung bestimmen (DE-OS 15 48

In der DE-PS 29 52 106 ist eine inkrementale Längenoder Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der auf einem Maßstab neben der Teilung Referenzmarken mit jeweils unterschiedlichen Strichgruppenverteilungen vorgesehen sind. Die einzelnen Referenzmarken werden von Abtastfeldern in einer Abtasteinheit abgetastet, wobei jedes Abtastfeld einer Referenzmarke eindeutig

zugeordnet ist, indem es die gleiche Strichgruppenverteilung aufweist. Zur eindeutigen Abtastung dieser Referenzmarken darf wegen der unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte höchstens etwa ^d betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilung der Referenzmarken und Λ die Schwerpunktwellenlänge des Lichts bedeuten.

Weiter ist bekannt, daß zum Abtasten einer regelmäßigen periodischen inkrementalen Teilung eines Maßstabs nicht nur ein einziger bestimmter Abstand zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte eingehalten werden muß, sondern daß verschieden große Abstände möglich sind. Wird die Teilung eines Maßstabs von Licht mit parallelem Strahlengang durchsetzt, so entstehen in bestimmten Ebenen hinter der Teilungsebene des Maßstabs durch Interferenzen der an der Teilung des Maßstabs gebeugten Lichtstrahlen Beugungsbilder der Teilung des Maßstabs, die mit Abtastteilungen gleicher Gitterkonstante abgetastet werden können. Diese Ebenen haben bei einer Gitterkonstanten P_M der Teilung des Maßstabs und einer Schwerpunktwellenlänge \ des Lichts Abstände η · p

(n = 0,1,2,...) von der Teilungsebene des Maßstabs. Optimale elektrische Abtastsignale können daher

bei Abständen η · p_M /7\, der Teilungsebene der Abtastplatte von der Teilungsebene des Maßstabs erzeugt werden (Machine Shop Magazine, April I962, Seite 208). Das Vorsehen größerer Abstände zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte besitzt den Vorteil, daß die Meßeinrichtung unempfindlicher gegen mechanische Einflüsse wie z. B. Bearbeitungsspäne

ist, die sich, bei kleinen Abständen leichter zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte einklemmen und zu Beschädigungen der Teilungen des Maßstabs und der Abtastplatte führen können; des weiteren läßt sich der Maßstab und die Abtastplatte bei Verschmutzungen leichter reinigen. Ein weiterer Vorteil größerer Abstände ist darin zu sehen, daß die Abstandstoleranzen bei diesen größeren Abständen oft größer sind, so daß an die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere Anforderungen gestellt werden müssen. Ferner besitzen bei größeren Abständen auch die bei der Abtastung der inkrementalen Teilung des Maßstabs erzeugten periodischen Abtastsignale eine sinusförmigere Signalform, so daß sich die Signalperiode der Abtastsignale zur Interpolation besser unterteilen läßt.

Die Ausnutzung sehr großer Abstände zwischen Maßstab und Abtastplatte bei der Abtastung der inkrementalen Teilung ist ohne zwischengeschaltete Abbildungsoptik nur bei Meßeinrichtungen möglich, deren Maßstab keine Referenzmarken aufweist, da zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken, wie oben dargelegt, ein bestimmter geringer Abstand zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte nicht überschritten werden darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung mit auf einem Maßstab vorgesehenen Referenzmarken eine eindeutige Abtastung der Referenzmarken und eine optimale Abtastung der Teilung des Maßstabs zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Meßeinrichtung der oben erwähnten Gattung mit einfachen Mitteln die jeweils benötigten günstigsten Abstände zur ⁽ sicheren Abtastung der inkrementalen Teilung und der Referenzmarken des Maßstabs gewählt werden können, so daß die Meßgenauigkeit und der Unterteilungsgrad bei einer Interpolation der Meßwerte sich erhöhen. Durch das Vorsehen größerer Abstände zwischen der Teilung des Maßstabs und den zugehörigen Abtastfeldern der Abtastplatte können an die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere Anforderungen gestellt werden, da bei diesen größeren Abständen oft auch die Abstandstoleranzen zunehmen. Es brauchen somit bei einer derartigen Meßeinrichtung, bei der ein bestimmter geringer Abstand zwischen den Referenzmarken und den zugehörigen Abtastfeldern nicht überschritten werden darf, keine hochgenauen Führungen vorgesehen sein, womit sich eine einfach aufgebaute und preisgünstige Meßeinrichtung ergibt. Die vorgeschlagenen einfachen Maßnahmen haben keine Änderungen der Außenabmessungen zur Folge, so daß die Flexibilität des Einsatzes der Meßeinrichtung an Maschinen erhalten bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 schematisch, eine inkrementale > Meßeinrichtung,

Figur 2 einen Maßstab mit Referenzmarken,

Figur 3 eine Abtastplatte mit Abtastfeldern,

Figur h eine graphische Darstellung der Amplituden der Lichtmodulation und

Figur 5 verschiedene Ausführungsformen von Maßstab und Abtastplatte.

In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische '.

inkrementale Längenmeßeinrichtung gezeigt, die aus einem Maßstab M und aus einer Abtasteinheit A besteht, die jeweils in nicht dargestellter Weise mit zu messenden Objekten, beispielsweise mit Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschine verbunden sind. Auf dem Maßstab M ist eine inkrementale Teilung T in Form eines Strichgitters (Figur 2) aufgebracht, die im Auflicht berührungsfrei photoelektrisch von der Abtasteinheit A abgetastet wird. Neben der Teilung T sind zwei Referenzmarken R₁, R₉ angeordnet, die der Teilung T absolut zugeordnet sind und jeweils aus einer Gruppe von Strichen mit einer unregelmäßigen Strichverteilung bestehen; die Strichgruppenverteilungen der beiden Referenzmarken R₁, R₂ müssen einander möglichst unähnlich sein.

-γ-

Die durch, die Abtastung der Teilung T mittels der in Meßrichtung X verschiebbaren Abtasteinheit A erzeugten periodischen Abtastsignale S₁, S₂, die in der Abtasteinheit A verstärkt und in Rechtecksignale S ', S₂' umgeformt werden, steuern einen elektronischen Zähler Z, der die Meßwerte in digitaler Form anzeigt. Die um ein Viertel der Gitterkonstanten p„ (Teilungsperiode) der Teilung T zueinander verschobenen Rechtecksignale S ', S ' dienen der Diskriminierung der Abtastrichtung. Die an den Referenzmarken R₁, Rp erzeugten Referenzsignale RS₁, RS„ werden ebenfalls in der Abtasteinheit A verstärkt, in Rechtecksignale RS₁ ¹, RS₂ ¹ umgeformt und ebenfalls dem Zähler Z zugeführt.

Mit den gewonnenen Referenzsignalen RS₁, RS₂ können verschiedene Funktionen ausgelöst werden. Durch Auswertung der Referenzsignale RS₁, RS₂ wird beispielsweise aus einer inkrementalen Meßeinrichtung eine quasi absolute Meßeinrichtung, wenn jeder Referenzmarke R₁, R₂ eine Zahl zugeordnet wird, die deren absolute Position, bezogen auf einen unveränderlichen Nullpunkt, darstellt. Ferner kann eine bestimmte Referenzmarke R₁, R₂ dazu dienen, den Zähler Z beim Auftreten des aus der bestimmten Referenzmarke R₁, R₂ gewonnenen Referenzsignals RS₁, RS₂ auf den Wert "Null" zu setzen.

Zur Abtastung des Maßstabs M ist in der Abtasteinhext A eine Abtastplatte AP nach Figur 3 vorgesehen, die zur Abtastung der Teilung T zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten ρ der Teilung T zueinander versetzte Abtastfelder AT₁, AT₂ aufweist, die mit der Teilung T identisch sind; den Abtastfeldern

AT , AT₂ sind nicht gezeigte Photoelemente zur Erzeugung der Abtastsignale S₁, S₂ zugeordnet. Zur Abtastung der Referenzmarken R₁, R₂ sind auf der Abtastplatte AP Abtastfelder AR₁, AR₂ vorgesehen; die Strichgruppenverteilungen der einzelnen Abtastfelder AR₁, AR₂ sind mit den Strichgruppenverteilungen der zugehörigen Referenzmarken R₁, R₂ identisch, so daß bei Deckung von Referenzmarke R₁, R₂ und zugehörigem Abtastfeld AR₁, AR₂ die Referenzsignale RS₁, RS₂ hervorgerufen werden. Durch die Identität der Strichverteilungen von Referenzmarke R₁ und Abtastfeld AR₁ bzw. der Strichverteilungen von Referenzmarke R₂ und Abtastfeld AR₂ ist sichergestellt, daß nur das zur jeweiligen Referenzmarke R₁, R₂ zugehörige Abtastfeld AR₁, AR₂ ein Referenzsignal RS₁, RS₂ mit ausreichend großen Nutz-/Störsignalverhältnis hervorbringen kann. Wird beispielsweise das Abtastfeld AR₁ ah der nichtzugehörigen Referenzmarke R₂ vorbeibewegt, kann kein Referenzsignal hervorgerufen werden.

Wird die periodische inkrementale Teilung T des Maßstabs M von parallelem Licht durchsetzt, so entstehen in bestimmten Ebenen hinter der Ebene der Teilung T des Maßstabs M durch Interferenzen der an der Teilung T des Maßstabs M gebeugten Lichtstrahlen Beugungsbilder der Teilung T des Maßstabs M. Diese Ebenen haben bei der Gitterkonstanten p_M der Teilung T des Maßstabs M und einer Schwerpunktwellenlänge 71 des Lichts Abstände η · p_M /7t (n = 0,1,2,...) von der Ebene der Teilung T des Maßstabs M. In Figur k sind die Amplituden I der bei einer Relativbewegung zwischen zwei Teilungen gleicher Gitterkonstante auftretenden Lichtmodulation in Abhängigkeit vom gegenseitigen Abstand a dargestellt.

Optimale elektrische Abtastsignale S₁, S„ werden

2 daher nur beim Abstand η · ρ / 7l der Ebene der Abtastfelder AT₁, AT₂ der Abtastplatte AP von der , Ebene der Teilung T des Maßstabs M erzeugt.

Zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken R₁, R~ auf dem Maßstab M darf wegen ihrer unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen den Referenzmarken R₁, Rp und den zugehörigen Abtastfeldern AR₁, AR„ auf der Abtastplatte AP in Licht-

Strahlenrichtung höchstens etwa kd /Tl betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilungen der Referenzmarken R₁, R₂ bedeutet. Dagegen muß zur optimalen Abtastung der Teilung T des Maßstabs M der Abstand zwischen der Teilung T und den zugehörigen-Abtastfeldern AT₁, AT„ auf der Abtastplatte

chtstrahlenrichtung etwa η · p betragen

AP in Lichtstrahlenrichtung etwa η · p_M /^ (n=1,2,3···)

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die'

optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen der Teilung T des Maßstabs M und den zugehörigen Abtastfeldern AT , AT₂ der Abtastplatte AP und die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen den Referenzmarken R₁, R_? des Maßstabs M und den zugehörigen

2*5
^J Abtastfeldern AR₁, AR₂ der Abtastplatte AP einen Gangunterschied h aufweisen, wobei h die Differenz zwischen dem gewählten Abstand η · p_M / %. und dem Abstand kd²/ 7\ ist.

Zur Erzielung des Gangunterschieds h = c¹ · I¹ sind gemäß Figur 5a die Abtastfelder AT ', AT · und die Abtastfelder AR₁ ¹, AR₂* der Abtastplatte AP^f in Lichtstrahlenrichtung um die Strecke I¹ parallel zueinander versetzt, während die Teilung T¹ und die

Referenzmarken R«'» R₂' ^^es Maßstabs M¹ in einer Ebene liegen; c¹ bedeutet der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums. Zur Erzielung des gleichen Gangunterschieds h = c¹ · sind nach Figur 5b die Teilung T· und die Referenzmarken R₁ ' , Rj,¹ des Maßstabs M¹ in Lichtstrahlenrichtung um die Strecke I¹ parallel zueinander versetzt, während die Abtastfelder AT ', AT-¹ und die Abtastfelder AR₁ ¹, AR₂' der Abtastplatte AP¹ in einer Ebene liegen.

Nach Figur 5c liegen zur Erzielung des Gangunterschieds h = c¹¹ · I¹' die Abtastfelder AT ", AT₂ ¹¹ und die Abtastfelder AR₁'¹, ^AR ₂'' ^der Abtastplatte AP¹¹ in einer Ebene. In Lichtstrahlenrichtung ist vor den Abtastfeldern AT '', AT₂ ¹¹ eine transparente Schicht U'¹ mit einer Schichtdicke I¹¹ in Lichtstrahlenrichtung und einem Brechungsindex c¹¹ angeordnet· ₍

Gemäß Figur 5d weist zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c¹'¹ · I¹¹¹ die transparente Abtastplatte AP'¹« eine Schichtdicke l·¹· in Lichtstrahlenrichtung und einen Brechungsindex c¹¹¹ auf. Die Abtastfelder AR₁"¹, AR₂"' sind auf der dem Maßstab M¹¹¹ zugewandten Oberfläche der Abtastplatte AP'·' und die Abtastfelder AT₁ · · · , AT₂"¹ auf der dem Maßstab M''· abgewandten Oberfläche der Abtastplatte AP' " angeordnet.

Zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c¹¹'¹ · l»··» liegen nach Figur 5e die Abtastfelder AT₁'··', AT₂'"¹ und die Abtastfelder AR₁''", AR₂"" der Abtastplatte AP¹ " ' in einer Ebene und sind gegen

die Ebene der Teilung T"" und der Referenzmarken ■ R "", R "" des Maßstabs M¹¹" um eine in Meßrichtung X verlaufende Drehachse so geneigt, daß der Mittelpunkt M₁ ' · · ■ der Abtastfelder AT₁ "", AT₂ ¹¹¹¹ in Lichtstrahlenrichtung um die Strecke 1···· gegen den Mittelpunkt M₂ ¹¹¹¹ der Abtastfelder AR₁ ¹¹¹¹, AR₂ ¹¹'¹ versetzt ist, wobei c¹¹¹· der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
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Erfindungsgemäß wird nach Figur $h weiter vorgeschlan

<5

gen, daß jeweils die Teilung T und die Referenzmarken

5 ς 5

R₁ , Rp des Maßstabs M von den zugehörigen Abtast-

5 5 5 5 feldern AT₁ , AT_? ^J und AR₁ , AR~^J der Abtastplatte

2 AP^ den gleichen Abstand (z.B. η · ρ / J[ ) haben

5 5 und daß zur Abtastung der Referenzmarken R₁ , R₂ eine auf diesen Abstand abgestimmte Abbildungsoptik O vorgesehen ist.

Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil auch bei anderen Meßverfahren einsetzen, bei denen die Teilungen des Maßstabs und der Abtastfelder der Abtastplatte nicht identisch sind, beispielsweise bei einem Dreigitter-Meßverfahren, bei dem die Teilung des Abtastfeldes doppelt so groß wie die Teilung des Maßstabs ist. Bei derartigen Dreigittermeßverfahren (DE-OS 25 11 35Ο) mit nichtparallelem Strahlengang lassen sich sehr große Abstände mit relativ großen Abstandstoleranzen erzielen.

- Leerseite

Claims

Ansprüche

Inkrementale Meßeinrichtung zur Messung der ReIativlage zweier Objekte mit entlang der Teilung eines Maßstabs in Meßrichtung vorgesehenen Referenzmarken, die der Teilung absolut zugeordnet sind und an denen im Zusammenwirken mit einer Abtasteinheit reproduzierbare elektrische Impulse erzeugt werden, die einen Zähler der Meßeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung beaufschlagen, und mit wenigstens einer Abtastplatte in der Abtasteinheit zur Abtastung der Teilung des Maßstabs und der Referenzmarken, wobei der Maßstab und die Abtastplatte in einem bestimmten Abstand in Lichtstrahlenrichtung voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen der Teilung (τ) des Maßstabs (Μ) und den \ zugehörigen Abtastfeldern (AT₁, AT₂) der Abtastplatte (AP) und die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen den Referenzmarken (R₁, R„) des Maßstabs (m) und den zugehörigen Abtastfeldern (AR₁, AR₂) der Abtastplatte (AP) einen Gangunterschied h aufweisen.

2. Inkrementale Meßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte mit entlang der Teilung eines Maßstabs in Meßrichtung vorgesehenen Referenzmarken, die der Teilung absolut zugeordnet sind und an denen im Zusammenwirken mit einer Abtasteinheit reproduzierbare elektrische Impulse erzeugt werden, die einen Zähler der Meßeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung

beaufschlagen, und mit wenigstens einer Abtastplatte in der Abtasteinheit zur Abtastung der Teilung des Maßstabs und der Referenzmarken, wobei der Maßstab und die Abtastplatte' in einem bestimmten Abstand in Lichtstrahlenrichtung voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Teilung (T ) und die Referenzmarken (R₁ , Rp ) des Maßstabs (M ) von den zuge-

cc er

hörigen Abtastfeldern (AT₁ , AT₂^ bzw. AR₁ , AR ^) der Abtastplatte (AP⁵) den gleichen Abstand aufweisen und daß zur Abtastung der Referenzmarken (R , R„ ) eine auf diesen Abstand abgestimmte Abbildungsoptik (θ) vorgesehen ist.

3· Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c« · 1· die Abtastfelder (AT₁ ¹, ^AT2*) ^{und die Abtastf}elder (AR₁ ¹, AR₃ ¹) der¹. Abtastplatte (AP¹) oder die Teilung (T¹) und die Referenzmarken (R₁', R₂'^ ^{des Maßstabs} (^M*) um den Betrag I¹ in Lichtstrahlenrichtung parallel zueinander versetzt sind, wobei c¹ der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.

k. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c^M ·. 1" auf einem der in einer Ebene liegenden Abtastfelder (AT ", AT₃ ¹·) und Abtastfelder (AR '', AR ") der Abtastplatte (AP¹¹) eine transparente Schicht (u¹') mit einer Schichtdicke (l¹¹) in Lichtstrahlenrichtung und mit einem Brechungsindex (c¹¹) angeordnet ist.

5· Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c'¹¹ · I¹¹¹ die transparente Abtastplatte (AP···) eine Schichtdicke (l¹¹¹) in Lichtstrahlenrichtung und einen Brechungsindex (c···) aufweist und daß die Abtastfelder (AR₁ ¹¹¹, ARp¹··) auf der dem Maßstab (M''') zugewandten Oberfläche der Abtastplatte (AP'¹') und die Abtastfelder (AT₁''', AT₂"¹) auf der dem Maßstab (M''') abgewandten Oberfläche der Abtastplatte (AP''') angeordnet sind.

6« Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c'¹¹· · 1«»«· die in einer Ebene liegenden Abtastfelder (AT₁'''», AT₃ ¹'·') und Abtastfelder (AR " " , AR₂'¹'¹) der Abtastplatte (AP¹¹¹¹) gegen die Ebene der Teilung (T"") und der Referenzmarken (R"", R₂ ¹ "') des Maßstabs (M¹''') so geneigt sind, daß der Mittelpunkt (M₁ ' ' · ' ) der Abtastfelder (AT "", AT₂'''¹) in Lichtstrahlenrichtung um den Betrag 1' · · ' gegen den Mittelpunkt (M₉ ¹ '") der Abtastfelder (AH₁ ¹¹", AR₂''") versetzt ist, wobei c¹¹¹¹ der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Abtastfelder (AT₁ ¹, ^AT2*) ^{und der Abtastfeilder} (AR', ^AR2*) ^der Abtastplatte (AP') oder die Ebenen der Teilung (T') und der Referenzmarken (R₁ ¹, R₂') durch Ätzen parallel zueinander versetzt sind.