DE2357372A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE POSITION OF A MOVABLE OBJECT - Google Patents

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SOCIETED'OPTIQUES, PRECISION, ELECTRONIQUE ET MECANIQUE-SOPELEM, Paris (Frankreich) SOCIETED'OPTIQUES, PRECISION, ELECTRONIQUE ET MECANIQUE-SOPELEM, Paris (France)

Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen GegenstandesDevice for determining the position of a movable object

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand, auf dem eine Meßskala befestigt ist, und die insbesondere die Messung der Lageänderung eines beweglichen Gegenstandes gestattet-The invention relates to a device for determining the position of a movable object by comparison with another object on which a measuring scale is attached, and in particular the measurement of the change in position of a movable object allows

Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei VorrichtungenThe present invention is particularly applicable to devices

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zur Weglängenmessung verwendet, die bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.used for path length measurement, which are used in numerically controlled machine tools.

Um die Lage eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand zu bestimmen, beispielsweise um die Lageänderungen des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine zu messen, befestigt man im allgemeinen eine Meßskala auf einem der Gegenstände , vor dem sich ein Meßorgan befindet, welches auf dem anderen Gegenstand befestigt ist.To determine the position of a moving object by comparison with another object, for example around the To measure changes in position of the tool slide of a lathe, one generally attaches a measuring scale to one of the objects , in front of which there is a measuring element, which is on the another object is attached.

Zum direkten Ablesen einer abgestuften Skala kann man einen einfachen Nonius durch Verschieben längs der Skala verwenden, doch kann man damit bekanntlich nur mit einer Genauigkeit bis ungefähr 1/20 mm ablesen.A simple vernier can be used to read a graduated scale directly by moving it along the scale. however, as is well known, it can only be read with an accuracy of about 1/20 mm.

Da der Wunsch nach einer Messung der Lageänderungen mit ei-Since the desire to measure the changes in position with a

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ner Genauigkeit in der Größenordnung von 10 mm oder von 10 mm (um) besteht, ist man daher dazu übergegangen, die Skala optisch zu vergrößern, derart, daß die Ablesung nicht mehr direkt auf der Skala, sondern auf einer vergrößerten Skalenabbildung erfolgt. Es ist offensichtlich, daß man damit eine wesentlich höhere Ablesegenauigkeit erzielen kann. Andererseits erfolgt diese Vergrößerung mittels einer optischen Abbildung der Skala auf eine von der betreffenden Maschine entfernte Ablesefläche. Das Leseorgan, beispielsweise ein Interpolationskreis in einem optischen Lesegerät, ist daher von der Maschine entfernt, und läuft nicht Gefahr, schlechten Arbeitsbedingungen ausgesetzt zn sein. Indessen besitzt die Vergrößerung den Nachteil, daß sie eine gewisse Verzerrung mit sich bringt,ner accuracy in the order of magnitude of 10 mm or 10 mm (.mu.m), one has therefore switched to optically enlarging the scale in such a way that the reading is no longer directly on the scale, but on an enlarged scale image. It is obvious that a much higher reading accuracy can be achieved with this. On the other hand, this enlargement takes place by means of an optical image of the scale on a reading surface remote from the machine in question. The reading member, for example a Interpolationskreis in an optical reader is therefore removed from the machine, and not run zn be exposed to the risk of bad working conditions. However, enlargement has the disadvantage that it introduces a certain amount of distortion,

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welche eine Begrenzung der Fläche des optischen Systems erfordert. Diese Verzerrung kann sehr unangenehm sein, da das Interpolations organ eine feste Unterteilung von Markierungen besitzt, welche der Unterteilung des Skalenbildes entsprechen müssen.which requires a limitation of the area of the optical system. This distortion can be very uncomfortable because the interpolation organ has a fixed subdivision of markings which must correspond to the subdivision of the scale image.

Wenn man daher Wegaufnehmer verwendet, deren Funktionsweise auf Moire-Streifen oder auf dem Ablesen einer codierten Skala beruht und welche das Ablesen einer geeichten Skala mit sehr großer Genauigkeit ohne Maßstabsvergrößerung gestatten, zieht man es im all-» gemeinen vor, sich mit einer optischen Abbildung zu begnügen, wobei der Wegaufnehmer neben dem Skalenträger aufgestellt wird, trotz der Nachteile, die sich aus dieser Anordnung ergeben.Therefore, if you use displacement transducers whose mode of operation is based on moiré strips or on reading a coded scale and which allow the reading of a calibrated scale with very high accuracy without increasing the scale, it is generally common before to be content with an optical image, the displacement transducer being set up next to the scale carrier, despite the Disadvantages resulting from this arrangement.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Lagebestimmung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Ableseorgan in einer vom Skalenträger entfernten Ebene angeordnet ist und dennoch ein ausreichendes Beobachtungsfeld aufweist, um einen beträchtlichen Teil des Skalenträgers zu erfassen.The object of the invention is to create a device for determining the position of the type mentioned at the outset, the reading element of which is arranged in a plane remote from the scale carrier and yet has a sufficient field of view to to capture a considerable part of the scale.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische System ein Linsensystem der Vergrößerung von -1 ist.The object is achieved according to the invention in that the optical System is a lens system with a magnification of -1.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen optischen Systems zur Projektion eines Skalenbildes;1 shows a schematic view of the optical system according to the invention for projecting a scale image;

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Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagebestimmung; undFig. 2 is a longitudinal section through an embodiment of a device according to the invention for determining the position; and

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III—III in Fig. 2.3 shows a section along the line III-III in FIG.

Fig. 1 zeigt schematisch einen abgestuften Skalenträger 1, welcher auf einem Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugtisch, befestigt ist, sowie eine Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung, welche auf einem anderen Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugschlitten, befestigt ist und die Bestimmung der Lage des Werkzeugschlittens durch Vergleich mit dem Skalenträger 1 gestattet.Fig. 1 shows schematically a graduated scale carrier 1, which is attached to a machine part, for example a tool table, as well as a device 2 for position determination, which on another machine part, for example a tool slide, is attached and allows the determination of the position of the tool slide by comparison with the scale carrier 1.

Die Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung enthält ein optisches Abbildungssystem 3 sowie einen Wegaufnehmer 4.The device 2 for determining the position contains an optical imaging system 3 and a displacement transducer 4.

Erfindungsgemäß ist als optisches Abbildungssystem 3 ein Linsensystem vorgesehen, das mit einer Vergrößerung gleich -1 arbeitet und welches beispielsweise aus zwei spiegelsymmetrischen Linsensystemhälften 31, 32 mit der gleichen Brennweite zusammengesetzt sein kann. Der Skalenträger 1 ist in der Objekt-Brennebene der Linsensystemhälfte 31 angeordnet, und die Ablesung erfolgt beispielsweise mittels einer Maske oder eines Rasters bzw. Gitters 41 in der Bild-Brennebene 40 der Linsensystemhälfte 32.According to the invention, the optical imaging system 3 is a lens system provided, which works with a magnification equal to -1 and which, for example, consists of two mirror-symmetrical lens system halves 31, 32 can be composed with the same focal length. The scale carrier 1 is in the object focal plane of the lens system half 31, and the reading takes place, for example, by means of a mask or a grid or grid 41 in the image focal plane 40 of the lens system half 32.

Der Skalenträger 1 wird in vorteilhafter Weise durch eine Beleuchtungsquelle 50 beleuchtet, deren Kondensor 51 ein Bild auf einem halbreflektierenden Spiegel 52 in der Bild-Brennebene der Linsen-The scale carrier 1 is advantageously provided by an illumination source 50 illuminated, the condenser 51 of which forms an image on a semi-reflecting mirror 52 in the image focal plane of the lens

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systemhälfte 31 erzeugt, wodurch die Beleuchtung des Skalenträgers im parallelen Strahlengang ermöglicht ist.system half 31 generated, whereby the illumination of the scale carrier is made possible in the parallel beam path.

Die Linsensystemhälften 31 und 32 sind aus Gruppen von identischen und symmetrischen Linsen aufgebaut; indessen enthält wenigstens das eine der beiden Linsenhälften, beispielsweise die Linsensystemhälfte 32, eine Einrichtung 320 zur Brennpunkteinstellung, so daß man mit Genauigkeit eine Vergrößerung gleich -1 erzielen kann. Auf diese Weise erzeugt das Linsensystem in der Ebene 40 ein reelles Bild des Skalenträgers 1 mit identischer Abmessung. Insbesondere ist die Unterteilung des Skalenbildes absolut identisch mit der -Unterteilung der auf der Maschine befestigten Skala. Man kann daher ohne die Gefahr von Fehlern die Messung mittels eines Wegaufnehmers durchführen, beispielsweise mit einem photoelektrischen Moirestreifen-Wegaufnehmer, welcher mit einer Maske 41 arbeitet.The lens system halves 31 and 32 are made up of groups of identical and symmetrical lenses; however, contains at least one of the two lens halves, for example the lens system half 32, a means 320 for adjusting the focus so that a magnification equal to -1 can be obtained with accuracy. In this way the lens system generates a real one in plane 40 Image of the scale carrier 1 with identical dimensions. In particular, the subdivision of the scale image is absolutely identical to the subdivision the scale attached to the machine. You can therefore measure by means of a displacement transducer without the risk of errors carry out, for example with a photoelectric moiré fringe transducer, which works with a mask 41.

Da man mit einer Vergrößerung gleich 1 arbeitet, kann man das optische System mit einem so großen Beobachtungsfeld ausbilden, daß insbesondere jeder Photodetektor des Ablesesystems in die Lage versetzt ist, eine Fläche bis zu 20 mm der Skala ohne die Gefahr einer Verzerrung des Bildes zu überwachen. Zu diesem Zweck besteht jeder Photodetektor aus einem rechteckigen Streifen, dessen Länge der des Beobachtungsfeldes, beispielsweise 20 - 25 mm, entspricht, wobei die verschiedenen Streifen nebeneinander und quer zu den Strichen der Skalenabbildung angeordnet sind. Jeder dieser Streifen kann auf diese Weise mehrere Teilstriche der Skalenabbildung überdecken. Dieser Vorteil ist sehr wichtig, da sich, wenn man mit einem verringerten Beobachtungsfeld arbeitet, Schmutz oder beispielsweiseSince one works with a magnification equal to 1, one can form the optical system with such a large field of observation, that in particular every photodetector of the reading system is capable is offset to monitor an area up to 20 mm of the scale without the risk of distorting the image. For this purpose exists each photodetector consists of a rectangular strip, the length of which corresponds to that of the observation field, for example 20-25 mm, wherein the different strips are arranged side by side and transversely to the lines of the scale image. Any of these strips can cover several tick marks of the scale image in this way. This advantage is very important because if you work with a reduced field of view, dirt or, for example

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(Metall-)Späne auf dem Skalenträger vor dem Wegaufnehmer festsetzen und das Ablesen unmöglich machen können. Mit einem Beobachtungsfeld, welches mehrere Teilstriche der Skala bedeckt, ist das Ablesen stets möglich, selbst wenn die Skala verschmutzt ist. Weiterhin kann man unter der Voraussetzung, daß man mehrere Striche der Skala auf einmal sieht, eine Integration durchführen und durch Mittelung den Einfluß von örtlichen Gravierungsfehlern sehr verringern.Fix (metal) chips on the scale carrier in front of the displacement transducer and make reading impossible. With an observation field that covers several graduation marks on the scale reading is always possible, even if the scale is dirty. Furthermore, provided that you have several Sees dashes of the scale at once, performs an integration and greatly reduce the influence of local engraving errors by averaging.

Bekanntlich variiert die Ablesegenauigkeit mit 1/Vri, wobei η die Anzahl der gleichzeitig ausgewerteten Teilstriche darstellt.As is known, the reading accuracy varies with 1 / Vri, where η represents the number of tick marks evaluated at the same time.

Es ist schließlich noch zu betonen, daß das Linsensystem mit einer gleichbleibenden Vergrößerung arbeitet. Aufgrund dieses gleichbleibenden Wertes führt eine Veränderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und der vorderen Linsensystemhälfte zur kleinsten Veränderung der Unterteilung des Skalenbildes. Aus diesem Grunde bleibt die Unterteilung der Markierungen des Rasters und der Gang- bzw. Phasenunterschied zwischen den Elementen bzw. Zellen der Ableseeinrichtung in Übereinstimmung mit der Unterteilung des Skalenträgers selbst für den Fall einer leichten Verformung des Skalenträgers oder eines FührungsfeHers mit einer geringen Änderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und dem Wegaufnehmer.Finally, it should be emphasized that the lens system works with a constant magnification. Because of this constant value leads to a change in the distance between the scale carrier and the front lens system half smallest change in the subdivision of the scale image. For this The basis remains the subdivision of the markings of the grid and the rate or phase difference between the elements or cells of the reading device in accordance with the division of the scale support even in the event of a slight deformation of the scale support or a guide with a slight change in the distance between the scale support and the displacement transducer.

Da man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem großen Beobachtungsfeld arbeitet, kann man wesentlich leichter die Eichsysteme verwenden, bei denen der Skalenträger mehrere übereinander gelagerte Skalen mit sich überkreuzenden Unterteilungen auf-Since one works with a large observation field in the device according to the invention, the calibration systems can be implemented much more easily use in which the scale carrier has several superimposed scales with intersecting subdivisions.

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weist. Bis heute war man bei diesen Systemen gezwungen, den'Wegaufnehmer neben dem Skalenträger anzuordnen, um gleichzeitig die verschiedenen Skalen ablesen zu können. Dank des besonders großen Beobachtungsfeldes der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es trotz Verwendung einer optischen Abbildung, bei welcher der Wegaufnehmer von dem Skalenträger entfernt ist, möglich, einen ziemlich großen Abschnitt des Skalenträgers zu erfassen und so sämtliche kalen auszuwerten.shows. To this day one was forced to use the 'displacement transducer' with these systems to be arranged next to the scale carrier in order to be able to read the different scales at the same time. Thanks to the particularly large Despite the use of optical imaging, it is the observation field of the device according to the invention in which the displacement transducer away from the scale support, possible a fairly large one To capture section of the scale support and so all the calendars to evaluate.

Selbstverständlich bleibt die Größe des Beobachtungsfeldes durch die Einsatzbedingungen begrenzt. In der Praxis wird man eine solche Größe wählen, daß der Phasenunterschied der optischen Informationen die Amplitude der photoelektrischen Signale nur in den Grenzen beeinflußt, welche mit ihrer Auswertung vereinbar sind.Of course, the size of the observation field is limited by the conditions of use. In practice one becomes one Choose size so that the phase difference of the optical information only influences the amplitude of the photoelectric signals within the limits which are compatible with their evaluation.

In Fig. 2 und 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In Figs. 2 and 3 is a particular embodiment of the invention shown.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Linsensystem aus Platzgründen mit einem geknickten Strahlengang ausgebildet, wobei die beiden Linsensystemhalter 31 und 32 symmetrisch bezüglich einer Senkrechten zu der Ebene eines Spiegels 6 angeordnet sind. Jede Linsensystemhälfte enthält eine in einem Gehäuse angeordnete Linse 310, welche bezüglich dem Ganzen so verstellbar ist, daß die Brennebene der Linsensystemhälfte genau eingestellt werden kann.As can be seen from FIG. 2, the lens system is designed with a kinked beam path for reasons of space, the two lens system holders 31 and 32 are arranged symmetrically with respect to a perpendicular to the plane of a mirror 6. Each lens system half contains a lens 310 arranged in a housing, which is adjustable with respect to the whole so that the focal plane of the lens system half can be set precisely.

Man erkennt in gleicher Weise in Fig. 2 die Beleuchtungsquelle 50, die über einen dazwischenliegenden Kondensor 51 und unter Zwischen-The illumination source 50 can be seen in the same way in FIG. 2, which via an intermediate condenser 51 and under intermediate

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schaltung eines Spiegels 60 die Skala nach Art eines sogenannten "Halbpupillen"-Systems beleuchtet.A mirror circuit 60 illuminates the scale in the manner of a so-called "half-pupil" system.

Man erkennt, daß das Beobachtungsfeld F, welches durch die Vorrichtung gesehen werden kann, praktisch den gleichen Abstand von der vorderen Linse der Bildlinsenhälfte 31 aufweist wieder SkalenträgerIt can be seen that the observation field F, which is through the device can be seen, practically the same distance from the front lens of the image lens half 31 again has a scale carrier

In Fig. 3 sind die Linsensystemhälfte 32 und der Wegaufnehmer dargestellt, welcher eine gewisse Anzahl von Elementen enthält, welche die Ablesung des Skalenbildes gestatten, das nach der Reflexion an einem Spiegel 62 in der Ebene einer eingravierten Maske 41 erzeugt wird.In Fig. 3, the lens system half 32 and the displacement transducer shown, which contains a certain number of elements that allow the reading of the scale image that after reflection is generated on a mirror 62 in the plane of an engraved mask 41.

Die Erfindung kann selbstverständlich mit dem gleichen Ziel auch bei anderen gleichwertigen Systemen angewandt werden-The invention can of course also be applied to other equivalent systems with the same aim.

So kann, wenn man andere Linsensysteme der Vergrößerung 1 verwendet, die Anordnung der Vorrichtungsteile verändert werden, ohne daß das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung verändert wird.If one uses other lens systems of magnification 1, the arrangement of the device parts can be changed, without changing the principle of the device according to the invention.

Ähnlich kann der Wegaufnehmer alle beliebigen Bauformen umfassen, ebensogut mit Moirestreifen als auch mit einer Impulszählung oder einer Zahl-Codierung arbeiten.Similarly, the displacement transducer can have any design, just as well with moiré stripes as well as with a pulse count or a number coding work.

Ferner können die vom Ableseorgan erzeugten Informationen, welche unmittelbar für die Positionierung einer Maschine durch einen numerischen Befehl verwendet werden, durch alle beliebigen Einrichtungen für eine direkte Ablesung gut sichtbar gemacht werden.Furthermore, the information generated by the reading element, which is directly used for the positioning of a machine by a numerical command used, can be made clearly visible for direct reading by any means.

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Claims (8)

PatentansprücheClaims 11 y Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes relativ zu einem anderen Gegenstand, auf dem eine Meßskala befestigt ist, mit einem optischen System zur Projektion eines Bildes der Meßskala auf eine Ableseebene und mit einem Ableseorgan in der Ebene des Skalenbildes, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Linsensystem der Vergrößerung -1 ist.11 y Device for determining the position of a movable object relative to another object on which a measuring scale is fixed, with an optical system for projecting an image the measuring scale on a reading plane and with a reading member in the plane of the scale image, characterized in that the optical system is a -1 magnification lens system. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableseorgan (4) ein optoelektronischer Wegaufnehmer ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the reading element (4) is an optoelectronic displacement sensor. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer aus mehreren rechteckigen Photodetektoren zusammengesetzt ist, deren Länge mehreren Teilstrichen bzw. -stufen der Meßskala (1) entspricht, wobei die rechteckigen Photodetektoren nebeneinander sowie senkrecht zu den Teilstrichen des Skalenbildes angeordnet sind.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the displacement transducer is composed of several rectangular photodetectors, the length of which is several graduation marks or -steps of the measuring scale (1) corresponds, with the rectangular photodetectors are arranged next to one another and perpendicular to the graduation marks of the scale image. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem zwei spiegelsymmetrische Linsensystem half ten (31, 32) gleicher Brennweite enthält.4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the lens system two mirror-symmetrical lens systems helped (31, 32) of the same focal length. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (32) der beiden Linsensystemhälften mit einer Ein-5. Apparatus according to claim 3, characterized in that at least one (32) of the two lens system halves with a single 409828/0669409828/0669 richtung (320) zur Brennpunkteinstellung versehen ist.direction (320) is provided for focus adjustment. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (1) in der Objekt-Brennebene der vorderen Linsensystemhälfte (31) angeordnet ist, und daß die Ableseebene mit der Bild-Brennebene (40) der zweiten Linsensystemhälfte (32) zusammenfällt .6. Apparatus according to claim 3, characterized in that the measuring scale (1) in the object focal plane of the front lens system half (31) is arranged, and that the reading plane coincides with the image focal plane (40) of the second lens system half (32) . 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Einrichtung (50, 51, 52) zur Beleuchtung der Meßskala (l) enthält.7. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical system contains a device (50, 51, 52) for illuminating the measuring scale (1). 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beleuchtung der Meßskala (1) nach Art einer Halbpupille ausgebildet ist.8. Apparatus according to claim 6, characterized in that the device for illuminating the measuring scale (1) is designed in the manner of a half-pupil. 409828/0669409828/0669 LeerseiteBlank page