DD262481A1 - Abtastanordnung zum erfassen absoluter positionsmesswerte an einem rastermassstab - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastanordnung mit einem Messwertwandler, der ein Phasenwertsignal ausgibt und in einer Basiszeile n eine Rasterspur abtastende Sensorelemente enthaelt. Zur Abtastung werden die Sensorelemente der Basiszeile periodisch umlaufend aktiviert. Verwendung findet eine Anordnung der Sensorelemente nach Art einer Matrix, wodurch die Anwendung der Erfindung bei einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Basiszeilen gegeben ist. Jede der k Basiszeilen ist gegenueber ihrer in der Rasterspur zurueckliegend benachbarten Basiszeile um den k-ten Teil einer Teilungsgroesse der Basiszeile in Richtung der Basiszeile versetzt angeordnet. Zur Bildung des periodischen Phasenwertsignals stellt die Anordnung kn Abtastwerte bereit. Figur

Description

Diese Lösung ermöglicht es, daß aus der Abtastung aller Sensorelemente in einer Abtastumlaufperiode eine um die Anzahl der nebeneinander angeordneten Basiszeilen vervielfachte Anzahl unterschieldicher Werte für das periodische Phasenwertsignal erfaßt werden, so daß die Signalwelle des gemittelten Phasenwertsignals in ihrem Oberwellengehalt stark reduziert ist. Hierdurch liefert eine erhöhte elektrische Interpolation noch stabile Positionsmeßwerte ohne Verlust an Dynamik, womit eine sehr hohe Meßauflösung auch dann erreicht wird, wenn nur relativ geringe Genauigkeitsanforderungen vom Rastermaßstab, von den Sensorelementen und von den Basiszeilen erfüllt werden. Die geringe Meßträgheit erlaubt den Einsatz in hochdynamischen Positioniereinrichtungen. Die hohe Meßauflösung reduziert den Verschmutzungseinfluß infolge der Verwendbarkeit vergrößerter Maßstabsteilungsperioden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figur zeigt einen Ausschnitt der Paarung eines Rastermaßstabs und mehrerer Basiszeilen.

Ein Rastermaßstab 1 ist mit Rasterstrichen versehen. Von Rasterstrich zu Rasterstrich erstreckt sich eine Teilungsperiode 2, die im Fall einer Durchlichtabtastung aus einem lichtundurchlässigen Steg 3 und aus einem lichtdurchlässigen Schlitz 4 besteht. Die Aneinanderreihung der Rasterstriche über mehrere Teilungsperioden 2 hinweg ergibt eine Rasterspur. Rasterstriche und Rasterspur verlaufen rechtwinklig zueinander.

Ein Meßwertwandler ist Bestandteil einer Abtastanordnung zum Erfassen absoluter Positionsmeßwerte am Rastermaßstab 1.

Er besteht aus k = 4 Basiszeilen 5.1 bis 5.4. Jede dieser vier Basiszeilen 5 setzt sich aus η = 6 den Mittenabstand von einem dieser Sensorelemente zum benachbarten Sensorelement in derselben Basiszeile 5 kennzeichnet. Die vier gleichen Basiszeilen 5 sind bezüglich der in einer abzutastenden parallelen Ebene befindlichen Rasterstriche schräg sowie zueinander parallel angeordnet, wobei sie die Rasterspurbreite nicht überschreiten. In Richtung der Rasterspur erstreckt sich eine Basiszeile 5 über eine volle Teilungsperiode 2. Die Breite der Basiszeile 5 ist höchstens gleich einer halben Teilungsperiode 2.

Jede Basiszeile 5 erfaßt absolute Positionsmeßwerte im Bereich jeweils einer Teilungsperiode 2. Dabei ist die relative Lage zwischen Basiszeile 5 und Teilungsperiode 2 verschieden. Dadurch wird verhindert, daß an zwei äquivalenten Rasterstrichen gleiche Positionsmeßwerte erfaßt und über einen Mittelungsvorgang zur Bildung des Phasenwertsignals herangezogen werden.

Jede Basiszeile 5 weist gegenüber ihrer in der Rasterspur zurückliegend benachbarten Basiszeile 5 einen Versatz 7 in Richtung der Basiszeile 5 auf. Dieser Versatz 7 ist gleich einer Länge 8 entsprechend dem k-ten Teil der Teilungsgröße 6 und damit entsprechend dem (k · n)-ten Teil der Länge der Basiszeile 5.

Zu jeder Basiszeile 5 gehört ein Anfangssensorelement 9, so zur Basiszeile 5.1 ein Anfangssensorlement 9.1 und zur Basiszeile 5.4 ein Anfangssensorelement 9.4.

Die Sensorelemente jeder Basiszeile 5 werden einer periodisch umlaufenden Abtastaktivierung unterzogen. Dabei ist eine in der Basiszeile 5 umlaufende Gruppe einander benachbarter aktivierter Sensorelemente aus wenigstens einem Sensorelement und höchstens ⁿh Sensorelementen zusammengesetzt sowie über höchstens eine halbe Teilungsperiode 2 erstreckt.

Besteht die umlaufende Gruppe aus beispielsweise einem Sensorelement, so werden während einer Umlaufperiode T die sechs Sensorelemente der Basiszeile 5.1 nacheinander für die Abtastung aktiviert, beginnend beim Anfangssensorelement 9.1. Die jeweils sechs nacheinander erfaßten Abtastwerte liefern das periodische Phasenwertsignal einer Basiszeile 5. Das gemittelte Phasenwertsignal entsteht bei vereinfachter Betrachtung aus den vier Phasenwertsignalen der vier beteiligten Basiszeilen 5.1 bis

Die unmittelbare Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung ist daran gebunden, daß die Umlaufperiode T in k · η gleiche Zeitschritte unterteilt ist. Beim ersten Zeitschritt beginnt die Aktivierung des Anfangssensorelements 9.1, beim zweiten Zeitschritt die des Anfangssensorelements 9.2 und so weiter. Die Entaktivierung des ersten Sensorelements in der Basiszeile 5.1 und die Aktivierung des zweiten Sensorelements in der Basiszeile 5.1 erfoglt somit erst im fünften Zeitschritt. Für die aufgezeigte Aktivierung können die Basiszeilen 5.1 bis 5.4 auch in beliebig anderer Reihenfolge geordnet sein.

Das Anfangssensorelement 9.1 bleibt somit für die Zeitdauer T/n im aktivierten Zustand. Während dieser Zeitdauer T/n werden die Anfangssensorelemente 9.2 bis 9.4 nacheinander mit jeweils einem Zeitversatz von 1 /k der Zeitdauer T/n aktiviert. Dem längenmäßigen Versatz 7 von der Größe des k-ten Teils einer Teilungsgröße 6 wird dadurch ein äquivalenter Zeitversatz zugeordnet. Auf diese Weise werden k · η diskrete Abtastwerte für das letztendlich interessierende gemittelte periodische Phasenwertsignal ermittelt, die aus k Teilungsperioden 2 stammen und innerhalb jeder Teilungsperiode 2 aus nur η verschiedenen Abtastwerten herkommen. In Verbindung mit dem beschriebenen Abtastverlauf, der anstelle des Anfangssensorelements 9.1 auf ein beliebig anderes Sensorelement bezogen werden kann, ermöglicht es die Abtastanordnung, daß auch bei großen Teilungsperioden 2 und/oder bei Sensorelementen auch größerer Abmessungen sowie bei relativ großen Abmessungstoleranzen eine hohe Meßauflösung realisiert wird.

Diese vorteilhaften Auswirkungen treten in Abhängigkeit von der Anzahl der Sensorelemente und der Basiszeilen 5 sowie der maßgeblichen Abmessungen mehr oder weniger ein. Werden beispielsweise jeweils zehn Fototransitoren von 2 mm Durchmesser pro Basiszeile 5 und zwanzig Basizeilen 5.1 bis 5.20 in der Abtastanordnung eingesetzt, so werden zweihundert Zeitschritte je Umlaufperiode T ausgeführt. Bei einer Größe von 4mm der Teilungsperiode 2 des Rastermaßstabs 1 wird damit bereits aus dem noch nichtelektrisch interpolierten Phasenwertsignal ein Meßraster von 0,02 mm erzeugt.

Bei einem Interpolationsfaktor von 40, was bei phasenmodulierenden Verfahren nicht einmal sehr hoch ist, sind dann bei der genannten Größe von 4mm Teilungsperiode 2 interpolierte Meßraster in der Größe von 0,0005 mm unkompliziert realisierbar.

Claims (2)

1. Abtastanordnung zum Erfassen absoluter Positionsmeßwerte an einem Rastermaßstab, der senkrecht zur Rasterspur verlaufende Rasterstriche aufweist, mit einem Meßwertwandler, der ein Phasenwertsignal ausgibt und in einer Basiszeile η die Rasterspur abtastende Sensorelemente enthält, wobei die Sensorelemente der Basiszeile einer periodisch umlaufenden Abtastaktivierung unterzogen werden, bei der eine in der Basiszeile umlaufende Gruppe einander benachbarter aktivierter Sensorelemente aus wenigstens einem Sensorelement und höchstens ⁿlz Sensorelementen zusammengesetzt sowie über höchstens eine halbe Teilungsperiode der Rasterspur erstreckt ist, unter Verwendung einer Anordnung der Sensorelemente nach Art einer Matrix, gekennzeichnet dadurch, daß bei k gleichen und nebeneinander angeordneten Basiszeilen (5) jede Basiszeile (5) gegenüber ihrer in der Rasterspur zurückliegend benachbarten Basiszeile (5) um den k-ten Teil einer Teilungsgröße (6) der Basiszeile (5) in Richtung der Basiszeile (5) versetzt angeordnet ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung bezieht sich auf die Erfassung absoluter Positionsmeßwerte an einem Rastermaßstab mittels eines Meßwertwandlers, der durch eine in den η Sensorelementen einer Basiszeile periodisch umlaufenden Abtastaktivierung ein Phasenwertsignal ausgibt. Die Anwendung der Erfindung ist bei einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Basiszeilen möglich.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Die DDR-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen WP G 01 B/291768.7 bezieht sich auf die Anordnung einer einzelnen Sensorzeile relativ zur Rasterspur eines Rastermaßstabes, dessen Rasterstriche senkrecht zur Rasterspur ausgerichtet sind. Die Anordnung erfaßt absolute Positio.nsmeßwerte innerhalb einer Teilungsperiode der Rasterspur durch einen Meßwertwandler. Derselbe gibt ein Phasenwertsignal aus und enthält in einer Basiszeile η Sensorelemente, mit denen die Rasterspur abgetastet wird. Die Abtastung erfolgt periodisch umlaufend, wobei eine in der Basiszeile umlaufende Gruppe einander benachbarter aktivierter Sensorelemente aus wenigstens einem Sensorelement und höchstens
2. "/2 Sensorelementen zusammengesetzt sowie über höchstens eine halbe Teilungsperiode der Rasterspur erstreckt ist. Die Basiszeile dehnt sich entsprechend ihrer speziellen Ausführung in Richtung der Rasterspur über die einfache oder mehrfache Anzahl voller Teilungsperioden aus. Die für eine erhöhte Meßauflösung anzustrebende Erhöhung der Anzahl der Sensorelemente in der Basiszeile ist begrenzt. Diese Grenze ist davon abhängig, wie klein die Sensorelemente herstellbar sind. Sie tritt umso geringer in Erscheinung, je geringer geneigtdie Basiszeile bezüglich der Rasterstrich richtung und je länger dadurch die Basiszeile ausgeführt ist. Dieser Möglichkeit wirkt entgegen, daß die Rasterspurbreite nicht endlos vergrößert werden kann. Der praktisch verwirklichte Neigungswinkel ist deshalb ein Kompromiß, der Parameter sowohl des Rastermaßstabs als auch der Sensorelemente und der Basiszeile einbezieht. Nachteiligerweise eröffnet sich dabei für die Verwendung kostengünstiger, das heißt beliebiger Sensorelemente größerer Abmessungen sowie für weitgehend verminderte Anforderungen an die Teilungsgenauigkeit des Rastermaßstabs keine Realisierungsmöglichkeit.

   Aus DD 222393 ist zu entnehmen, daß Matrixanordnungen von Gegenrastern in einer Abtasteinrichtung für Präzisionsrastersysteme positive Effektive ergeben. Geht man davon aus, daß diese nicht näher ausgewiesenen positiven Effekte in der Mehrfachanordnung von Abtastelementen in Zeilen und Spalten mit einer vergrößerten Abtastfläche begründet sind, dann kann man erwarten, daß diese Effekte auch bei einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter und vorstehend beschriebener gleicher Basiszeilen auftreten.

   Ziel der Erfindung

   Als Ziel der Erfindung soll eine Verbesserung des Verhältnisses von Meßauflösung zu Aufwand erreicht werden.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastanordnung zum Erfassen absoluter Positionsmeßwerte an einem Rastermaßstab gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs so auszubilden, daß in einer Umlauf periode wesentlich mehr als η verschiedene Positionsmeßwerte abgetastet werden können.

   Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei k gleichen und nebeneinander angeordneten Basiszeilen jede Basiszeile gegenüber ihrer in der Rasterspur zurückliegend benachbarten Basiszeile um den k-ten Teil einer Teilungsgröße der Basiszeile in Richtung der Basiszeiie versetzt angeordnet ist.