DD143953B1 - Optisch-elektronische Meßeinrichtung zur inkrementalen Winkelmessung - Google Patents

Description

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Titel: Optisch-elektronische Meßeinrichtung zur inkrementalen Winkelmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine optisch-elektronische Meßeinrichtung zur inkrementalen Winkelmessung bis zu Auflösungen von Bruchteilen von Bogensekunden, vorzugsweise für Peinmeß- und Vermessungsgeräte.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: In der Literatur zur Moiretechnik sind viele Entstehungsmöglichkeiten von MoirtStrukturen beschrieben, die sich allgemein formuliert immer dann einstellen, wenn ein Lichtstrom nacheinander mindestens zwei Teilungen oder Gitter durchsetzt.

In der DE-AS 1.798,368 ist eine optisch-elektrische Winkelmeßeinrichtung beschrieben, welche eine mit einem Strichgitter versehene drehbare Scheibe umfaßt. Eine zweite, zu dieser Scheibe exzentrisch angeordnete Gegengitterscheibe ist mit einem Gitter gleicher Gitterkonotante versehen. Bei dieser Winkelmeßeinrichtung v/erden mittels der exzentrisch zueinander angeordneten Scheiben, die gleichartige Radialgitter besitzen, Moirfcstrukturen in Form apollonischer Kreise erzeugt, welche fotoelektrisch abgetastet werden. Die Abtaststellen mit den Potoempfängern sind diametral zu den Scheiben versetzt angeordnet, um Exzentrizitätsfehler bei der Eewegung der Scheiben relativ zueinander, welche die Messungen verfälschen können, auszuschalten. Bei dieser Einrichtung

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erfolgt die Abtastung der Moirii streifen durch Fotoempfänger im Vier-Phasen-Abtastverfahren.. Die bekannte Winkelmeßeinrichtung enthält jedoch Fotoempfänger mit großen Empfängerflächen, die für viele Anwendungsfälle hinsichtlich der Dynamik der Meßwertermittlung und der Miniaturisierung ungeeignet sind, V/eiterhin ist es vor allem bei kleinen Teilungsdurchmessern der Scheiben ungünstig, daß durch eine fehlende starre Verbindung zwischen den Fotoempfängern und der Gegengitterscheibe eine größere Anzahl von Freiheitsgraden eine- eindeutige Justierung der Teile zueinander erschwert. Auch lassen sich Restfehler in Form von Schwankungen der Moir^periode nicht kompensieren. Die Fehler wirken sich insbesondere bei kleinen Scheibendurchmessern negativ auf die Abtast- und damit Meßgenauigkeit der gesamten Einrichtung aus.

Ziel der Erfindung:

.Der Zweck der Erfindung liegt in der Beseitigung der Mängel des Standes der Technik, in der Verringerung der Baugröße und des Kostenaufwandes sowie in einer Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Winkelmeßeinrichtungen.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine inkrementale Winkelmeßeinrichtung zu schaffen, bei welcher durch eine günstige justierbare Lage der Abtaststellen und eine besondere Gestaltung und Anordnung der Fotoempfänger eine hohe Auflösung und Meßgenauigkeit gegeben sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer solchen Meßeinrichtung, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, eine mit einem Strichgitter versehene, drehbare Strichgitter-

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scheibe, eine dazu exzentrisch angeordnete Abtastgitterscheibe und Potoempfanger, dadurch gelöst, daß zwei zur Strichgitterscheibe justierbare, diametral einander gegenüberliegende Abtastgitter vorgesehen sind, deren Zentren außerhalb der Drehachse der Strichgitterscheibe, jedoch mit der Drehachse auf einer Linie liegen, daß die Abtastgitter mit den Fotoempfängern starr verbunden sind, wobei zu jedem Abtastgitter vier in einer tangential zur Strichgitterscheibe verlaufenden Ebene angeordnete Fotoempfänger vorgesehen sind, und daß der Abstand zwischen den beiden äußeren Fotoempfängern einer jeden Empfängergruppe dem dreiviertelsten Betrag der Periode der Moir£- strukturen (Moireperiode) entspricht.

Dabei sind die Abtastgitter sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung zur Erzeugung einer optimalen Moirestruktur in bezug auf die Strichgitterscheibe justierbar und mit der Beleuchtungseinrichtung starr verbunden.

Es ist vorteilhaft, daß durch die getrennte, justierbare Anordnung der Gegengitter durch Periodenschwankungen der Moir'estrukturen bedingte Restfehler bei der Abtastung kompensiert v/erden können. Weiterhin wird der optischmechanische Aufwand verringert und die Justierung durch Reduzierung der Justierbedingungen vereinfacht. Durch die Wahl des Abstandes der Zentren der Gitter und deren Lage zusammen mit der Drehachse auf einer Geraden ist es möglich geworden, Moiresignale bestimmter Größe und Phase in bezug auf die Anordnung der Fotoempfänger einzustellen und somit eine hohe Interpolation und Genauigkeit zu erreichen.

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Ausführungsbeispiel;

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Pig· 1 die Erzeugung von MoireStrukturen durch

zwei exzentrisch angeordnete, radiale Strichgitter, Fig. 2 die Umsetzung der Moireerzeugung für

eine Meßeinrichtung und Pig. 3 einen Schmitt durch eine Meßeinrichtung.

Bei der optisch-elektronischen Meßeinrichtung zur inkreraentalen Y/inkelmessung wird eine spezielle Form des Moireeffektes benutzt. Gemäß Fig. 1 liegt der Einrichtung die an sich bekannte Moir£erzeugung durch zwei

exzentrische Radialgitter gleicher Gitterkonstante zugrunde, von denen Ausschnitte in der Figur schematiscb dargestellt sind. Die Gitterlinien eines jeden Gitters 1 und 2 stellen mathematisch eine einparametrige Kurvenschar mit den Scharparametern n^ bzw. n^ dar. Für den in Fig. 1 dargestellten Zustand liegen die 0.-Gitterlinien auf der Mittelpunktsgeraden, die durch die beiden Gitterzentren 1' und 2» führt. Infolge der exzentrischen Verschiebung der Zentren "P und 2' im Abstand 4 schneiden sich die Gitterlinien der Gitter 1 und 2. Eine Anzahl von Schnittpunkten trägt dann zur Entstehung eines

Moir^streifens 5 bei, wenn deren gegenseitiger Abstand kleiner als zu den anderen benachbarten Schnittpunkten ist. Eine solche Bedingung liegt beispielsweise für zwei Schnittpunkte vor, die von den Geradenpaaren п.. = i + ρ und Dg = i sowie п., = i + j + ρ und Da = i + j (i, j = 0,1,2,3 ···) gebildet warden und sich demzufolge gemeinsam um den gleichen Zahlenwert ρ unterscheiden. So entsteht ein System von Ltoireatreifen mit dem Scharparameter bzw. der Ordnungszahl ρ = n^ - n_g (ρ « 0,1,2,3 ♦ ♦.)«

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Werden ζ. B. auf der Mittelpunktsgeraden die Zentren gegeneinander verschoben, so ändert sich die Entfernung 6 zwischen zwei benachbarten Moirestreifen 5, z. B. zwischen denen der Ordnung ρ = 0 und ρ = + 1 , die dein Umfang einer Moireperiode entspricht· Bei der Meßeinrichtung sind deshalb in einer bestimmten Entfernung 3 von dem Zentrum 1' Fotoempfänger 7 auf einer Normalen zur Mittelpunktgeraden angeordnet und durch Wahl des Abstandes 4 der Gitterzentren 1¹ und 2» werden Moir£signale bestimmter Größe und Phase in bezug auf die Empfängeranordnung eingestellt. Die Lichtmodulation der Signale ist nahezu sinusförmig.

Obwohl die MoirBstrukturen (Moirestreifen) hinsichtlich ihrer Form apollonische Kreise durch die Gitterzentren 1 und 2' sind, kann ihr Verhalten im Bereich der Fotoempfänger 7 (Fig. 2) mit hinreichender Genauigkeit als linear angesehen werden, wenn nur Streifen niederer, höchstens 2» Ordnung zur Signalgewinnung beitragen» Dieses kann im Justiervorgang durch eine bestimmte Zu-Ordnung der Zentren 1' und 2» zur Ebene der Fotoempfänger 7 stets erreicht werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Umsetzung der MoirBerzeugung für eine Meßeinrichtung umfaßt ein als Kreisring ausgebildetes Gitter 1, v/elches die Meßverkörperung darstellt und ein Gitter 2, welches ein Abtastgitter ist und die Form eines Kreisringsektors besitzt. In dieser Fig. 2 sind die Drehachse einer Strichgitterscheibe, die das Gitter 1 trägt und das Gitterzentrum 1· identisch. In einem Abstand 3 vom Gitterzentrum 1', welcher etwa dem mittleren Radius des Gitters 1 entspricht, sind tangential zum Teilkreisdurchmesser auf einer Geraden

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vier Fotoempfänger 7, vorzugsweise in Form von Fotoerapfängerchips in gleichen Abständen zueinander angeordnet· Das Gitter 2, welches das Abtastgitter darstellt, ist so zum Gitter 1 ausgerichtet, daß sein Zentrum 2' auf der Normalen 7' zur Ebene der Fotoempfänger 7 liegt, auf der auch das Zentrum 1' des Gitters 1 oder der Drehpunkt liegen. Vorteilhafterweise sind bei der Meßeinrichtung das Abtastgitter 2 und die Fotoelemente 7 starr verbunden, wobei das Abtastgitter 2 so ausgerichtet ist, daß sein Zentrum 2' (Fig. 1) ebenfalls auf der Normalen 7^f zur Ebene der Fotoempfänger 7 lokalisiert ist, .wie das Zentrum 1'·

Durch ein radiales Verschieben des Abtastgitters 2 werden die Moirestrukturen oder -streifen 5 so eingestellt, daß der Abstand der äußeren der vier Fotoempfänger 7 dem dreiviertelsten Betrag der Periode der Moirestreifen 5 entspricht. Es besteht damit zwischen den einzelnen Fotoempfängern 7 und deren Signale eine Phasendifferenz von 90°, und es kann die an sich bekannte Vierphasenauswertung der Signale durchgeführt v/erden.

Die in Fig. 3 dargestellte Meßeinrichtung umfaßt einen Grundkörper 8, in welchem in Lagern 9 auf einer Achse 10 die als Maßverkörperung dienende Strichgitterscheibe 11 angeordnet ist, welche das Gitter 1 trägt. Unter der Strichgitterscheibe 11 befinden sich justierbar auf dem Grundkörper 8 zwei diametral einander gegenüberliegende Abtastgitter 2, die jeweils mit den Fotoempfängern 7 und einer Leiterplatte 12 fest verbunden sind. In der Fig. 3 über der Strichgitterscheibe 11 ist auf jeder Seite eine aus einer Lichtquelle 13 und einem Kondensor 14 bestehende Beleuchtungseinrichtung 15 vorgesehen, welche ebenfalls starr mit Grundkörper 8 verbunden ist und die

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Gitter 1. und 2 mit vorzugsweise parallelem Licht durchstrahlt.

Um die Kompensationsfähigkeit der diametralen Abtastung der Strichgitterscheibe 11 im Hinblick auf Fehler in der Lagerung zu gewährleisten, muß beachtet werden, daß die beiden Gitter 2 gleichermaßen entweder nach außen oder beide nach innen in radialer Richtung verschoben werden. Die auf jeder Seite bei der Abtastung durch die Fotoempfänger 7 gewonnenen Analogsignale werden vorteilhaft digitalisiert und können über eine Mittelwertbildung zwecks Eliminierung von Exzentrizitätsfehlern verknüpft werden.

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Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   1, Optisch-elektronische Meßvorrichtung für inkremental e Winkelmessung, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, eine mit einem Strichgitter versehene, um eine Achse drehbare Strichgitterscheibe, eine exzentrisch zu dieser angeordnete Abtastgitterscheibe, wobei die Strichgitter beider Scheiben vorzugsweise gleiche Gatt erkonstante aufweisen und diametral gegenüberliegende Fotoempfänger zur diametralen Abtastung von bei der Drehung der Scheiben relativ zueinander entstehenden Moirestrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separat zur Strichgitterscheibe (11) sowohl in radiäLer als auch in tangentialer Richtung justierbare, diametral einander gegenüberliegende Abtastgitter (2), die mit den Fotoempfängern (7) starr verbunden sind, vorgesehen sind, deren Zentren (2¹) beiderseits außerhalb der Drehachse der Strichgitterscheibe (11), jedoch mit der Drehachse auf einer Linie liegen, wobei zu jedem Abtast— gitter (2) vier in einer tangential zur Strichgitterscheibe (11) verlaufenden Ebene angeordnete Fotoempfänger (7) vorgesehen sind, bei denen der Abstand zwischen den beiden äußeren Fotoempfängern (7) einer jeden Empfängergruppe dem dreiviertelsten Betrag der Periode der Moirestrukturen (Moireperiode) entspricht»

   2· Meßvorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgitter (2) mit der Beleuchtungseinrichtung (15) starr verbunden sind.

   5. 3. 1981
   Grü/Büt

   Hierzu_«LSeiten Zeichnungen

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