CN1311222C - 用于扫描刻度体的扫描单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于扫描刻度体的扫描单元，该刻度体具有一个由测量刻度构成的、尤其是微差痕迹形式的编码痕迹，除了这个编码痕迹还具有一个基准标记结构，该扫描单元具有一个用于扫描编码痕迹的检测装置和另一个用于扫描基准标记结构的检测装置，其中这另一检测装置在扫描基准标记结构时在一个信号敏感表面上接收扫描信号并且这另一检测装置具有至少两个传感器，在扫描单元运行时这两个传感器中只有一个传感器用于扫描基准标记结构。按照本发明，所述两个传感器(11，12)中的每一个都接通在一个差分放大器的两个输入端中的一个输入端上而不用于扫描的传感器通过遮盖其信号敏感表面而无效。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于扫描刻度体(计量用具)的扫描单元。
背景技术
这样的扫描单元用于扫描刻度体(例如一种刻度尺)，该刻度体具有一个由测量刻度构成的、尤其是增量迹线形式的编码迹线，以及除了这个编码迹线还具有一个基准标记结构(基准迹线)。扫描单元和刻度体分别设置在两个相互移动的各部件上，要测量部件的相对移动。在此可相对移动的部件例如可以是一个机床的溜板和相应的床身。
在此通过扫描一个由周期性刻度构成的增量迹线形式的编码迹线能够获得两个部件相互间的相对运动程度；但是在较长的长度上可以获得非绝对的位置信息。因此，为了能够使两个部件相互间的相对运动与一个确定的基准点相关，在刻度体上通常具有至少一个基准标记，通过该基准标记表征在刻度体上的一个确定的位置。
为了扫描这种刻度体扫描单元具有一个用于扫描(增量)编码迹线的第一检测装置以及另一个用于扫描基准迹线的检测装置。但是，在此可能存在问题，尤其是对于这种由非常长的刻度尺构成的刻度体，在测量装置运行中有时不能使扫描单元相对于相应的刻度体进入这样一个位置，通过该位置扫描单元能够获得刻度体的基准标记位置，因为例如存在与机床部件相抵触的危险。因此在一个由单一基准标记构成的基准迹线的研究中研究出具有编码基准标记的基准标记结构。这些基准标记结构具有许多沿着测量方向(增量式的编码迹线的延伸方向)前后设置的基准标记，它们相互间可以是各不相同的。因此，这些基准标记的每个基准标记明确地表示在刻度体上的一个确定的位置，因此许多基准点作为参考点用于扫描单元相对于刻度体的位置。在此基准标记的编码例如可以以这种方式实现，这些基准标记以不同的距离前后地设置。通过扫描单元驶过两个基准标记能够在使用一个适当的算法的条件下获得扫描单元相对于刻度体的实际(绝对)位置。
也已知测量装置，其基准迹线既具有未编码的基准标记也具有编码的基准标记，其中使用者可以自由选择，在测量装置运行中是使用未编码的基准标记还是使用编码的基准标记。在这种情况下相应于基准迹线的扫描单元检测装置具有两个传感器，其中一个相应于未编码的基准标记而另一个相应于编码的基准标记。在测量装置运行中可以选择将一个传感器或另一个传感器连接到一个电子放大器上，由相应的传感器在扫描刻度体时接收的信号作为电信号输送到放大器。
关于由一个刻度体和一个相应的扫描单元构成的位置测量***的其它细节在由Alfons Ernst编写的现代工业出版社出版的专业书籍“数字化长度和角度测量技术”(1998)第9至38页中给出。
对于上述的测量装置存在问题，即，电干扰，例如作用于传感器或传感器与后接的电放大器之间的连接导线上的电干扰可能被一个后接于放大器的评价单元(例如机床控制器)错误地表示为基准脉冲。这一点在相应的机床控制中导致错误并尤其可能导致机床停机。为了抑制干扰尽管放大器可以配置低通滤波器；但是这一点导致放大器明显地放慢并因此使相应的测量装置的允许行驶速度降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在评价基准脉冲时进一步改进用于扫描测量装置的刻度体的扫描单元的干扰敏感性。
按照本发明解决该技术问题的技术方案是，一种用于扫描刻度体的扫描单元，该刻度体具有一个由测量刻度构成的迹线编码迹线，除了这个编码迹线还具有一个基准标记结构，该扫描单元具有一个用于扫描编码迹线的检测装置和另一个用于扫描基准标记结构的检测装置，其中这另一检测装置在扫描基准标记结构时在一个信号敏感表面上接收扫描信号，为此包括至少两个传感器，在扫描单元运行时两个传感器中只有一个用于扫描基准标记结构，所述两个传感器中的每一个都连接在一个差分放大器的两个输入端中的一个上而不用于扫描的传感器通过遮盖其信号敏感表面而无效。
据此，在扫描单元上具有两个传感器，每个传感器连接在一个差分放大器的一个输入端上，其中那个不用于扫描刻度体的传感器通过遮盖其信号敏感的表面(通过一个例如光阑形式的遮盖体)在扫描刻度体时无效。
按照本发明的解决方案具有优点，作用于那个有效的(用于扫描刻度体的)传感器或后接的电导线上的电干扰在差分放大器里面以简单的方式由此被排除，即，在第二(无效的)传感器上以及其后接的电导线里面产生的和在差分放大器里面的相应干扰通过减法被抑制。
用于扫描刻度体的扫描单元尤其可以按照光电测量原理构成，因此扫描单元的检测装置分别通过光元件、尤其是光电二极管构成。
为了能够实现确定的基准脉冲评价，与两个为此所存在的传感器中的哪一个传感器用于扫描基准迹线无关，所述差分放大器的一个第一输入端总是用于扫描刻度体的(有效)传感器而差分放大器的另一输入端用于无效的或失去功能的(遮盖在其射线敏感表面上的)传感器。为此两个传感器可以这样地与差分放大器的两个输入端处于连接，使那个有效的传感器在差分放大器的第一输入端之前接通而那个无效的传感器在差分放大器的另一输入端之前接通。对于第一输入端最好是差分放大器的反相输入端。
为了使在差分放大器中要被抵消的电干扰在两个传感器上以相同的方式起作用，两个传感器在空间上尽可能紧密地相互设置。此外，两个传感器的射线敏感表面由相同的材料或至少由两种在其光学和电学(光电)特性上非常近似的材料制成并大小尽可能一致。此外，从各传感器到差分放大器输入端的电导线也尽可能一致，由此也能在差分放大器中抵消在导线中产生的干扰。
按照本发明的一个变型，另一检测装置的两个传感器用于扫描刻度体(一个基准标记类型)的同一基准标记。在这种情况下无效的第二传感器的存在仅仅为了能够抑制差分放大器上的干扰。
按照本发明的另一变型，另一检测装置的两个传感器用于扫描基准标记结构的不同基准标记，尤其是这些传感器中的一个用于扫描未编码的基准标记而另一个用于扫描编码的基准标记。因此在这种情况下已经存在两个传感器，以便能够有选择地扫描这一种或另一种形式的基准标记。两个本来就存在的传感器通过适当地与差分放大器接通还承担起抑制电干扰的功能。
附图说明
下面借助于附图对实施例的描述详细说明本发明的细节和优点。附图中：
图1为用于长度测量***的刻度尺，它具有增量迹线和基准迹线；
图2a为一个用于扫描图1中刻度尺的扫描单元，它按照光电检测原理使用两个光电二极管用于扫描基准迹线，其中一个二极管在其射线敏感范围里的表面被遮盖；
图2b示出图2a中的扫描单元，其中两个光电二极管中的另一个在其射线敏感范围里的表面被遮盖；
图3a示出一个用于图2a的扫描单元的两个光电二极管的电路图；
图3b示出一个用于图2b的扫描单元的两个光电二极管的电路图。
具体实施方式
图1示出一个用于光电长度测量***的刻度尺M，它具有一个以周期性刻度结构构成的增量刻度I形式的编码迹线以及一个由大量距离编码的基准标记C形式构成的基准迹线。基准标记的距离编码由此实现，两个在测量方向(增量刻度的延伸方向)上前后设置的基准标记C分别具有一个明确的距离a，该距离与两个基准标记C之间的所有其它距离不同。
必要时在刻度尺M上除了对距离编码的基准标记C还存在另外的、未编码的基准标记，因此可以有选择地考虑编码的或未编码的基准标记用于形成基准脉冲(基准迹线具有不同的基准标记图形)。
图2a示出一个扫描单元，通过该扫描单元可以根据光电测量原理扫描在图1中所示的刻度尺M。对于这个扫描单元在一个铂金形式的并由一个保护框16所包围的基体15上具有两个检测装置10以及11，12，通过它们一方面可以光电式地扫描图1中刻度尺的增量迹线I而另一方面可以光电式地扫描图1中刻度尺的基准迹线R。
用于扫描增量迹线I的检测装置10由许多光电二极管组成，它们可以扫描以透光或发光方法照明的周期性增量迹线I的刻度结构并由此获得扫描单元1相对于刻度尺M的相对运动。由此能够非常精确地确定扫描单元1相对于刻度尺M沿着测量方向(增量迹线的延伸方向)上的相对运动。
为了使这个相对运动具有一个参考点或基准点，通过另一检测装置扫描刻度尺M的基准迹线R，参见图2b。这另一检测装置由两个光电二极管11和12组成，它们紧挨着设置在保护框16内部并且其射线敏感表面11a，12a由相同的材料制成并具有相同的面积。
为了扫描图1中刻度尺M的基准迹线R可以选择使用这一个或另一个光电二极管11，12。不用于扫描的光电二极管通过一个光阑13遮盖，该光阑集成在保护框15里面并可以在这个保护框上可移动地导引，使得这个光阑可以有选择地在一个光电二极管11的射线敏感表面11a(图2b)或另一光电二极管12的射线敏感表面12a(图2a)的前面导引。另一种方法是，使一个光阑13有选择地插到不用于扫描的光电二极管上，其中尤其可以具有两个独立的光阑13，它们分别相应于两个光电二极管11，12并通过光阑分别插到相应的(不用于扫描的)光电二极管11或12上。
如图1所示，如果刻度尺M的基准迹线R只由距离编码的基准标记C组成，当前有效的(未被遮盖的)光电二极管11或12总是用于扫描这个编码的基准标记C。在这种情况下不要求光阑13有选择地移动到这个或另一个光电二极管11，12的射线敏感表面11a，12a的前面。在这种情况下也可以使两个光电二极管11，12中的一个通过光阑13被持续地遮盖，使得总是使两个光电二极管11，12中的另一个用于扫描基准迹线R。
如果除了在图1中所示的编码基准标记C以外基准迹线R还具有至少一个未编码的基准标记，则一个光电二极管11相应于编码的基准标记而另一光电二极管12相应于未编码的基准标记。在这种情况下通过光阑13有选择地遮盖这个光电二极管或另一个光电二极管，如同在图2a和2b中所示的那样，其中那个光电二极管11或12总是具有不被遮盖的射线敏感表面11a或12a，为了扫描相应的基准标记这个表面要处于有效。即，根据是否要扫描这一或另一形式的基准迹线的基准标记，来决定通过一个相应的光阑13遮盖两个光电二极管11，12中的一个光电二极管。
在此基准迹线的概念不要理解为，这种和另一种形式的基准标记(编码和未编码的基准标记)必需一定沿测量方向(增量迹线I的延伸方向)前后地设置。而是，附加的、未编码的基准标记在原理上可以设置在刻度尺上的任意位置上，例如也可以垂直于增量迹线I的延伸方向设置在编码的基准标记C旁边。因此基准迹线的概念包括所有测量刻度的基准标记，而与这些标记在刻度尺上的设置无关。
如同在图3a和3b中所示的那样，与两个光电二极管11，12中的哪一个用于扫描基准迹线R和两个光电二极管11，12中的哪一个通过光阑13遮盖其射线敏感表面11a，12a无关，两个光电二极管11，12总是连接到差分放大器2的输入端上。在此图3a示出两个光电二极管11，12在这种情况下的电路，即，在这种情况下第一光电二极管11有效而第二光电二极管12被遮盖并由此失去扫描功能；而在图3b中示出相反的情况，在这种情况下第一光电二极管11被遮盖并因此失去扫描功能而第二光电二极管12有效。
如同借助于图3a和3b所表示的那样，两个光电二极管11，12分别通过一个电导线31以及32与差分放大器2的两个输入端21，22连接。为此两个电导线31，32这样分支，两个光电二极管11，12中的每一个通过相应电导线31，32的分支311或321与一个输入端21连接并通过那个电导线31或32的另一分支312或322与差分放大器2的第二输入端22连接。在此两个电导线31，32的四个分支311，312，321，322分别具有一个导线中断点，使得只有当这个中断点通过适当的、在这里通过0欧姆电阻36以及37表示的电部件搭接的时候(通过0欧姆电阻表示钎焊桥36，37)，那个电导线的相应分支才与差分放大器2的相应输入端建立连接。
在图3a所示的状态，该状态对应于在图2a中所示的布置，第一有效光电二极管11通过其输出电导线31的第一分支311与差分放大器2的反相输入端21连接。相反，无效的、被遮盖的第二光电二极管12在输出端通过其输出端电导线322的第二分支32与差分放大器2的非反相输入端22连接。
在图3b所示的状态，该状态对应于在图2b所示的布置，与第一种情况相反，在这种情况下被遮盖的并由此失去功能的光电二极管11通过其输出端的电导线31的相应分支312与差分放大器2的第二非反相输入端22连接；而在这种情况下有效的第二光电二极管12通过其输出端电导线32的相应分支321连接在差分放大器2的第一反相输入端21上。
由此分别使有效的、用于扫描基准迹线R的光电二极管连接到差分放大器的反相输入端上而另一光电二极管连接到差分放大器的非反相输入端上。在此两个电导线31，32在其结构上是全等的并在那些光电二极管11，12与差分放大器2的那些输入端21，22之间具有相同的长度，而与那些电导线31，32的两个分支311，312或321，322中的哪一个与搭接导线中断点的部件36，37搭接无关。
结果是，对于在图2a和2b中所示的扫描单元和在图3a和3b中所示的相应电路图(用于使光电二极管11，12分别与差分放大器2的输入端连接)通过在放大器2中形成差分、即通过在由两个光电二极管11，12产生的电流信号之间形成差分，抑制在光电二极管11，12和连接导线31，32上产生的电干扰。不管相应的电干扰在光电二极管11，12上产生还是在光电二极管11，12与差分放大器2的输入端21，22之间的电连接导线(31，32)(放大器2的节拍输入端和推挽输入端)里面产生，由于不仅两个光电二极管11，12而且相应的电连接导线31，32的一致性结构以及这些电部件在直接紧邻性上的空间布置都起到这种抑制电干扰的作用。
由此防止作用于光电二极管11，12或电导线31，32上的并在放大器2中放大的电干扰被后接在放大器2上的评价单元(机床控制器)错误地解释为基准脉冲。通过借助于图1至3b所描述的装置通过分别被遮盖的、无效的传感器和后接的电导线对于所产生的电干扰实现一个推挽耦合和推挽传递，其中对于节拍和推挽的电信号路径由于两个光电二极管11，12和连接导线31，32的一致性结构而一致，因此在两个信号路径上的电干扰均匀地起作用并在差分放大器2中都被抑制。
Claims (13)
1.一种用于扫描刻度体的扫描单元，该刻度体具有一个由测量刻度构成的编码迹线，除了这个编码迹线还具有一个基准标记结构，该扫描单元具有
一个用于扫描编码迹线的检测装置和
另一个用于扫描基准标记结构的检测装置，其中这另一检测装置在扫描基准标记结构时在一个信号敏感表面上接收扫描信号，为此包括至少两个传感器，在扫描单元运行时两个传感器中只有一个用于扫描基准标记结构，
其特征在于，所述两个传感器(11，12)中的每一个都连接在一个差分放大器(2)的两个输入端(21，22)中的一个上而不用于扫描的传感器(12，11)通过遮盖其信号敏感表面(12a，11a)而无效。
2.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，用于扫描刻度体(M)的扫描单元(1)按照光电测量原理构成，而两个传感器(11，12)通过光电元件构成。
3.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述差分放大器(2)的第一输入端(21)用于扫描刻度体(M)的传感器(11，12)而所述差分放大器(2)的另一输入端(22)用于无效的传感器(12，11)。
4.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)中的每一个可以有选择地使之有效，其中另一个传感器无效，所述两个传感器(11，12)中的每一个可以有选择地与差分放大器(2)的第一输入端(21)或第二输入端(22)接通。
5.如权利要求3所述的扫描单元，其特征在于，所述用于扫描刻度体(M)的传感器(11，12)接通在差分放大器(V)的反相输入端上。
6.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)在空间上直接相邻地设置。
7.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)的信号敏感表面(11a，12a)由相同的材料制成。
8.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)的信号敏感表面(11a，12a)大小相同。
9.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述电连接导线(31，32)在传感器(11，12)与差分放大器(2)的那些输入端(21，22)之间具有相同的长度。
10.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)用于精确扫描一种形式的基准标记结构(R)的基准标记(C)。
11.如权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述两个传感器(11，12)用于扫描不同的基准标记结构(R)的基准标记。
12.如权利要求11所述的扫描单元，其特征在于，所述基准标记结构(R)不仅包括距离编码的基准标记(C)而且包括非编码的基准标记。
13.一种用于对两个可相对移动的部件进行位置测量的测量装置，具有一个刻度体，该刻度体具有由测量刻度构成的编码迹线，除了编码迹线还具有一个基准标记结构，该测量装置还具有一个如上述权利要求中任一项所述的扫描单元。
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