DE2826213A1 - Photoelektrisches inkrementales laengen- und winkelmessystem - Google Patents

Photoelektrisches inkrementales laengen- und winkelmessystem

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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
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Description

DR. JOHANNES flEIDENHAIN GMBH 29. Mai 1978
Photoelektrisch·· inkremental·· Längen- und Winkelmeßsystem
Die Erfindung betrifft ein photoelektrischee inkrementales Längen- und Winkelmeßsystem mit parallelem Beieuchtungsstrahlengang zur Messung der Relativlage zweier Objekte ohne abbildende optische Mittel zwischen einem Maßstab und einer Abtastplatte, die jeweils ein Strichgitter mit einer bestimmten Gitterkonstanten aufweisen und in einem bestimmten parallelen Abstand voneinander relativ zueinander verschiebbar sind.
Bei inkrementalen Längen- und Winkelmeßgeräten werden (innerhalb der Inkremente wegabhängige) elektrische Signale dadurch erzeugt, daß ein Maßstab und eine Abtastplatte mit jeweils einer bestimmten Gitterkonstanten in bestimmtem Abstand voneinander relativ zueinander verschoben werden. Dadurch entstehen bei geeigneter Beleuchtung Hell-Dunkel-Schwankungen, die mit lichtelektrischen Wandlern (z.B. Photoelenenten) in elektrische Signale umgewandelt werden, deren Größe und Zahl ein Maß für die Relativverschiebung zwischen Maßstab und Abtastplatte ist.
Bei den bekannten inkrementalen Meßsystemen besitzen Maßstab und Abtastplatte nahezu die gleiche Gitterkonstante. Optimale optische Signale werden nur in bestimmtem, beugungs- bzw. abbildungstechnisch bedingtem Abstand zwischen Maßstab und Abtastplatte erzeugt. Dieser Abstand muß für eine sichere Funktion des Gerätes mit einer bestimmten
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Toleranz eingehalten werden. Bei Beleuchtung eines Maßstabs mit der Gitterkonstanten pM und einer Abtastplatte mit parallelem Licht der Wellenlänge Λ gilt für den Abstand npM2 /Λ (η= 0,1, 2 ...) und für die Toleranz + (0,1 ... 0,2 ) pM2/ % (Machine Shop Magazine, April 19^2, Seite 208).
In der DE-OS 1 4U8 50^ ist eine photoelektrische Einrichtung zum Messen von Längen beschrieben, bei der der Abstand zwischen einem Gittermaßstab und einer Gitterabtastplatte k a2/7v beträgt, wobei k eine positive ganze Zahl, vorzugsweise eins, a die Gitterkonstante und A der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der gesamten photoelektrischen Einrichtung ist. Zur Erzielung einer Sinus- bzw. einer Sinus^-Kurve für den Lichtstromverlauf hinter der Gitterabtastplatte ist das Verhältnis der Breite eines absorbierenden zur Breite eines transparenten Strichs des Gittermaßstabs merklich kleiner als 1:1, beispielsweise 3 '· 7» gewählt , wobei die Gitterkonstante des Maßstabes gleich der Gitterkonstanten der Abtastplatte ist.
Maßstäbe und Abtastplatten mit großen Gitterkonstanten lassen sich leichter und billiger herstellen als solche mit kleinen. Um auch dann noch hohe Auflösungen für die Anzeige der Relativbewegungen zwischen Maßstab und Abtastplatte zu erzielen, werden die elektrischen Signale der lichtelektrischen Wandler häufig noch durch eine aufwendige Schaltung elektronisch unterteilt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile kleiner Gitterkonstanten und elektronischer Unterteilungen zu vermeiden und ein einfach aufgebautes Längen- oder Winkelmeßgerät anzugeben, das
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ohne elektronische Unterteilung eine höhere Auflösung als bisher erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gitterkonstante des Maßstabs und die Gitterkonstante der Abtastplatte sich um den η-fachen Wert unterscheiden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten des Maßstabs um den Faktor η erzielt wird. Nur die Abtastplatte weist ein Strichgitter mit einer kleinen Gitterkonstanten auf, die die Auflösung des Meßsystems bestimmt. Durch Verändern der Gitterkonstanten allein der Abtastplatte kann die Auflösung des Meßsysteras verändert werden. Eine aufwendige elektronische Unterteilung kann daher entfallen. Weiter wird ein größerer Abstand zwischen Maßstab und Abtastplatte mit einer größeren Toleranz erzielt, die leichter einzuhalten ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 einen Querschnitt durch ein Längenmeßgerät nach der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung der photoelektrischen Einrichtung und
Figur 3 eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung des Lichtstroms hinter dem Strichgitter des Maßstabs als Funktion des Abstands der Meßebene für die Intensitätsverteilung zum Maßstab.
Gemäß Figur 1 ist am Bett 1 einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine ein gekapseltes Längenmeßgerät nach der Erfindung
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mit einem Gehäuse 2 in Form eines Hohlprofile durch eine Schraube 3 befestigt* In diesem Gehäuse 2 ist mittels einer elastischen Klebeschicht h ein Maßstab 5 mit einem Strichgitter angebracht« auf dem sich über Hollen 6 eine Abtasteinheit 7 abstützt, die eine Abtastplatte H(Figur 2) mit einem Strichgitter zur Abtastung des Strichgitters des Maßstabs 5 aufweist. An einem relativ zum Bett 1 der Bearbeitung- oder Meßmaschine beweglichen Schlitten 9 ist ein Montagefuß 10 in beliebiger Weise befestigt, der über eine schwertförmige Vorjüngung 11 durch einen mit Dichtlippen 12 versehenen Schlitz 13 des im übrigen vollständig geschlossenen Gehäuses 2 mit einem Mitnehmer ΐΊ verbunden ist, der an die Abtasteinheit 7 angekuppelt ist und die Relativbewegung des Schlittens 9 bezüglich des Betts 1 auf die Abtasteinheit 7 überträgt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der photoelektrischen Einrichtung auf der Abtasteinheit 7» bei der das Licht einer Lampe 15 durch einen Kollimator 16, den Maßstab 5 und die Abtastplatte 8 auf Abtastphotoelemente 17 fällt. Bei der Bewegung des Maßstabs 5 relativ zur Abtastplatte 8 (Doppelpfeil) erzeugen die Abtastph*> to elemente 17 periodische elektrische Signale, die mittels eines Anschlusses 20 in nicht dargestellter Weise über eine elektronische Auswerteeinheit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der Position des Schlittens zugeleitet werden.
Gemäß der Erfindung weisen die Gitterkonstante pM des Maßstabs 5 den vierfachen Wert der Gitterkonstanten p^ der Abtastplatte 8 und der Maßstab 5 dementsprechend ein Verhältnis von Hellfeidbreite 18 zu Gitterkonstante p^j von etwa 1 : 8 auf, während das Verhältnis von Hellfeldbreite 19 zu Gitterkonstante pj^ bei der Abtastplatte 8 etwa 1 : 2 beträgt. Bei einer Relativbewegung zwischen dem
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Maßstab 5 und der Abtastplatte 8 in einem geringen parallelen Abstand voneinander wird eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten Pf1J des Maßstabs 5 um den Faktor vier erzielt. Nur die Abtastplatte 8 weist ein Strichgitter mit einer kleinen Gitterkonstanten p^ auf, die die Auflösung des Meßsystems bestimmt, während der Maßstab 5 eine größere Gitterkonstante pm besitzt und somit leichter und billiger herzustellen ist. Allein durch Verändern der Gitterkonstanten pA der Abtastplatte 8 kann die Auflösung des Meßsystems verändert werden; eine aufwendige elektronische Unterteilung kann somit entfallen.
In der Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung I des Lichtstroms hinter dem Strichgitter des Maßstabs 5 als Funktion des Abstands der Meßebene für die Intensitätsverteilung vom Maßstab 5 dargestellt. Diese Intensitätsverteilung ergibt sich sinngemäß auch als Funktion des Abstandes zwischen dem Maßstab 5 und der Abtastplatte 8. Bekanntlich ist bei Beleuchtung eines Strichgitters mit monochromatischem parallelem Licht die Intensitätsverteilung I des Lichts hinter dem Strichgitter infolge von Beugungserscheinungen abhängig vom Abstand, in dem die Intensitätsverteilung I gemessen wird. In einem bestimmten Abstand vom Strichgitter entsteht eine Intensitätsverteilung I mit der halben "Wellenlänge" der Gitterkonstanten des Strichgitters. Daher wird in weiterer vorteilhafter Ausbildung nach der Erfindung vorgeschlagen, die Abtastplatte 8 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,5 Pm /71 vom Maßstab 5 zu führen, deren Gitterkonstante p^ den halben Wert der Gitterkonstanten pm des Maßstabs 5 besitzt, während der Maßstab 5 ein Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante pM von 1 : 2 aufweist. Dabei bedeutet Λ der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung. Durch diese Maßnahme werden einmal eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten pm des Maßstabs 5 um den Faktor zwei und zum anderen ein größerer Abstand zwischen Abtastplatte 8 und Maßstab 5 mit einer
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gröüeren Toleranz erzielt, die leichter einzuhalten sind.
Tn einer zusätzlichen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Abtastplatte 8 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,1 pM~/ λ vom Maßstab 5 geführt, weil dort, wie aus der Figur 3 ersichtlich, sehr schmale Intensitätsmaxima entstehen, so daß ein Maßstab 5 mit einem Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante pj^ von 1 : 2 verwendet werden kann, dessen Gitterkonstante pm den zwei - bis vierfachen Wert der Gitterkonstanten p. der Abtastplatte 8 aufweist. Mit dieser Maßnähme wird somit eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten pm des Maßstabs 5 um den Faktor zwei bis vier erreicht.
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Claims (1)

  1. DR. JOHANNES HEIDENIIAIN GMBH 29. Mai 1978
    1.η Photoelektrisches inkrementales Längen- und Winkelmeßsystera mit parallelem Beieuchtungastrahlengang zur Messung der Relativlage zweier Objekte ohne abbildende optische Mittel zwischen einem Maßstab und einer Abtastplatte, die jeweils ein Strichgitter mit einer bestimmten Gitterkonetanten aufweisen und in einem bestimmten parallelen Abstand voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante (pm) des Maßstabs (5) und die Gitterkonstante (p^) der Abtaetplatte (8) sich um den η-fachen Wert unterscheiden.
    2.) Längen- und Winkelmeßsystera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dae Verhältnis von Hellfeldbreite (18, 19) zu Gitterkonetante (pM, Pa) beim Maßstab (5) und/oder bei der Abtastplatte (8) von 1 : 2 abweicht.
    3.) Längen- und Winkelmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) ein Ver- ■>.-. hältnis von Hellfeldbreite (18) zu Gitterkonstante (pM) von etwa 1 : 2 η und die Abtaetplatte (8) ein Verhältnis von Hellfeldbreite (19) zu Gitterkonstante (pa) von etwa 1:2 aufweisen.
    h.) Längen- und Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) ein Verhältnis von Hellfeldbreite (18) zu Gitterkonstante (pM) von etwa 1 : 2 aufweist, daß die Gitterkonstante (pM) des Maßstabs (5) den doppelten Wert der Gitterkonstante
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    der Abtastplatte (8) aufweist und daß der Abstand zwischen Maßstab (5) und Abtastplatte (8) etwa 0,5 Pm2/ Λ beträgt, wobei 7\. der spektrale Empfindlicltkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung ist.
    5.) Längen- und Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) ein Verhältnis von Hellfeldbreite (18) zu Gitterkonstante (pM) von etwa 1 : 2 aufweist, daß die Gitterkon:- stante (pm) des Maßstabs (5) den zwei- bis vierfachen Wert der Gitterkonstanten (p^) der Abtastplatte (8) aufweist und daß der Abstand zwischen Maßstab (5) und Abtastplatte (8) etwa 0,1 p^/ft beträgt, wobei Ά der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung ist.
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