DE2826213B2

DE2826213B2 - Photoelektrisches inkrementales Längen- und Winkelmeßsystem

Info

Publication number: DE2826213B2
Application number: DE2826213A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr.-Ing. 8221 Bergen Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1980-06-04
Also published as: DE2826213A1; AT381166B; GB2024416B; FR2434367B1; GB2024416A; ATA339779A; US4297033A; JPS554592A; JPS6337322B2; CH638891A5; FR2434367A1

Description

Die Erfindung betrifft ein photoelektrisches inkrementales Längen- und Winkelmeßsystem mit parallelem Beleuchtungsstrahlengang 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 in Lichtstrahlrichtung 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 hen bei geeigneter Beleuchtung Hell-Dunkel-Schwankungen, die mit Iichtelektrischei? Wandlern (z. B. Photoelementen) in elektrische Signale umgewandelt werden, deren Größe und Zahl ein Maß für die Relativverschiebung zwischen Maßstab und Abtastplacteist

Bei den bekannten inkrementalen Meßsystemen besitzen Maßstab und Abtastplatte nahezu die gleiche Gitterkonstante. Optimale optische Signale werden nur in bestimmten, beugungs- bzw. abbildungstechnisch bedingtem Abstand zwischen Maßstab und Abtastplatte erzeugt Dieser Abstand muß für eine sichere Funktion des Gerätes mit einer bestimmten Toleranz eingehalten werden. Bei Beleuchtung eines Maßstabs mit der Gitterkonstanten pm und einer Abtastplatte mit parallelem Licht der Wellenlänge λ gilt für den Abstand
(n = 0,1, 2 ...) und für die Toleranz ±(0,1 ... 0,2)
(Machine Shop Magazine, April 1962, Seite 208).

In der DE-OS 14 48 504 ist eine photoelektrische Einrichtung zum Messen von Längen beschrieben, bei der der Abstand zwischen einem Gittermaßstab und einer Gitterabtastplatte k a²lk beträgt, wobei k eine positive ganze Zahl, vorzugsweise eins, a die G'tterkonstante und λ der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der gesamten photoelektrischen Einrichtung ist. Zur Erzielung einer Sinus- bzw. einer Sinus²-Kurve für den Lichtstromverlauf hinter der Gitterabtastplatte ist das Verhältnis der Breite eines absorbierenden zur Breite eines transparenten Strichs des Gittermaßstabes merklich kleiner als 1 :1, beispielsweise 3 : 7, gewählt, wobei die Gitterkonstante des Maßstabes gleich der Gitterkonstanten der Abtastplatte ist.

Aus der DE-PS 10 14 748 ist eine photoelektrische Einrichtung zum Messen von Winkeln und Strecken bekannt, die mit nichtparallelem Strahlengang arbeitet und zwei Strichgitter mit gleicher Gitterkonsiante aufweist, die zur Erzielung des Moire-Effekts in der Gitterebene gegeneinander geneigt sind.

In der DE-PS 10 26 087 ist eine elektrische Einrichtung für Meßgeräte und Waagen zur Registrierung der Ausschlagsweite beschrieben. Um Fehlmessungen durch das Ausschwingen des Meßgliedes auszuschließen, wird ein mit dem beweglichen Meßglied verbundenes Strichraster von einem Abtastglied einer die Impulse erzeugenden Einrichtung und einem Abtastglied einer Impulssperreinrichtung abgetastet, die um eine Viertelteilungseinheit gegeneinander versetzt angeordnet sind. In einer weiteren Ausbildung wird ein mit dem beweglichen Meßglied verbundenes Strichraster in nichtparallelem Strahlengang von einem Strahlenbündel durchdrungen, das nach Reflexion an einem optischen Mittel wiederum auf das Strichraster fällt. Vor dem Strichraster ist eine Strahlenverschiebungseinrichtung in Form einer schwenkbaren planparallelen Platte angeordnet, die eine Verschiebung des die obere Hälfte des Strichrasters durchsetzenden Sirahlenbündels um eine Viertelleilungseinheit der Rasterteilung bewirkt. Das verschobene obere Lichtbündel und das unverschobene untere Lichtbündel fallen durch das Strichraster und werden jeweils von Photozellen registriert. Zu diesem Zweck kann vor oder hinter diesem Strichraster auch ein zweites Strichraster mit gleicher Gitterteilung und somit gleicher Gitterkonstante angeordnet sein, dessen Teilung in seiner oberen Hälfte um eine Viertelteilungseinheit der Rasterteilung versetzt ist.

Weiter ist aus der DE-PS 11 56 244 eine Vorrichtung zum Ablesen des Stellweges eines gegenüber einem

Tisch sind eine erste Skala mit äquidistanten Marken und an einem Tischträger eine zweite Skala befestigt, deren Länge gleich dem Abstand zweier benachbarter Marken der ersten Skala ist; die beiden Skalen sind in einer Ebene senkrecht übereinander angeordnet Die erste Skala wird von einem ersten Strahlenbündel und die zweite Skala von einem zweiten Strahlenbündel durchdrungen. Die beiden Strahlenbündel befinden sich senkrecht übereinander und sind mit einer bestimmten Frequenz derart beweglich, daß die zweite Skala vollständig in ihrer Länge vom zweiten Strahlenbündel periodisch abgetastet wird. Die Zählung der durch das Abtasten der zweiten Skala erzeugen Impulse wird durch das Abtasien der Marken der ersten Skala begonnen bzw. beendet

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 Winkelmcßgerät anzugeben, das ohne elektronische Unterteilung eine höhere Auflösung als bisher erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelebt, daß die Giuerkonstante des Maßstabs und die Gitterkonstante der Abtastplatte sich merklich voneinander unterscheiden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine optische Unterteilung der Gilterkonstanten 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 Meßsystems verändert werden. Eine aufwenige elektronische Unterteilung kann daher entfallen. Andererseits kann bei einem Meßsystem mit einer bestimmten Auflösung die Gitterkonsiante des Maßstabs wesentlich vergrößert werden, ohne daß sich die Auflösung ändert, wodurch sich das Meßsystem erheblich verbilligen läßt. 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 zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Längenmeßgerät nach der Erfindung.

F i g. 2 eine schematische Darstellung der photoelektrischen Einrichtung und

Fig. 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 F i g. 1 ist am Bett 1 einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine ein gekapseltes Längenmeßgerät nach der Erfindung mit einem Gehäuse 2 in Form eines Hohlprofils durch eine Schraube 3 befestigt. In diesem Gehäuse 2 ist mittels einer elastischen Klebeschicht 4 ein Maßstab 5 mit einem Strichgitter angebracht, auf dem sich über Rollen 6 eine Abtasteinheit 7 abstützt, die

Abtastung des Strichgitters des Maßstabs 5 aufweist. An einem relativ zum Bett 1 der Bearbeitungs- oder Meßmaschine beweglichen Schlitten 9 ist ein Montagefuß iö in beliebiger Weise befestigt, der über eine schwertförmige Verjüngung 11 durch einen mit Dichtlippen 12 versehenen Schlitz 13 des im übrigen vollständig geschlossenen Gehäuses 2 mit einem Mitnehmer 14 verbunden ist, der an die Abtasteinheit 7 angekuppelt ist und die Relativbewegung des Schlittens 9 bezüglich des Betts 1 auf die Abtasteinheit 7 überträgt.

F i g. 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 Abtastphotoelemente 17 periodische elektrische Signale, die mittels eines Anschlusses 20 in nicht dargestellter Weise über eine elektronische Auswerte.inheit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der Position des Schlittens 9 zugeleitet werden.

Gemäß der Erfindung weisen die Gitterkonstante pu des Maßstabs 5 den vierfachen Wert der Gitterkonstanten Pa der Abtastplatte 8 und der Maßstab 5 dementsprechend ein Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante Pm von etwa 1 : 8 auf, während das Verhältnis von Hellfeldbreite 19 zu Gitterkonstante pa bei der Abtastplatte 8 etwa 1 :2 beträgt. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Maßstab 5 und der Abtastplatte 8 in einem geringen parallelen Abstand voneinander wird eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten ρ« des Maßstabs 5 um den Faktor vier erzielt. Nur die Abtastplatte 8 weist ein Strichgitter mit einer kleinen Gitterkonstanten Pa auf, die die Auflösung des Meßsysiems bestimmt, während der Maßslab 5 eine größere Gitterkonstante p« 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 Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung / 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 / des Lichts hinter dem Strichgitter infolge von Beugungserscheinungen abhängig vom Abstand, in dem die Intensitätsverteilung /gemessen wird. In einem bestimmten Abstand vom Strichgitter entsteht eine Intensitätsverteilung / mit der halben »Wellenlänge« der Gitterkonsianten des Strichgitters. Daher wird in weiterer vorteilhafter Ausbildung nach der Erfindung vorgeschlagen, die Abtastplatte 3 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,5 Om²M vom Maßstab 5 zu führen, deren Gitterkonstante Pa den halben Wert der Gitterkonstanten pm des Maßstabs 5 besitzt, während der Maßstab 5 ein Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstanie p« 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

llll

111*111

: ι

Z. VIiCl UlIU

ciü gTuucfcr rvusiäfiu

Abtastplatte 8 und Maßstab 5 mit einer größeren Toleranz erzielt, die leichter einzuhalten sind.

In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Abtastplatte 8 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,1 ρί^Ιλ vom Maßstab 5 geführt, weil dort, wie aus der F i g. 3 ersichtlich, sehr schmale Intensiiätsmaxima entstehen, so daß ein Maßstab 5 mit einem Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante p_M von 1 :2 verwendet werden kann, dessen Gitterkonstante pm den zwei- bis vierfachen Wert der Gitterkonstanten p_A der Abtastplatte 8 aufweist. Mit dieser Maßnahme wird somit eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten Pm des Maßstabs 5 um den Faktor zwei bis vier erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί. Photoelektrisches inkremen tales Längen- und Winkelmeßsystem mit parallelem Beleuchtungsstrahlengang 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 in Lichtstrahlenrichtung voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Giiterkonstante (pm) des Maßstabs (S) und die Gitterkonstante (p_A) der AbtaEtplatte (8) sich merklich voneinander unterscheiden.
2. Längen- und Winkelmeßsyitem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hellfeidbreite (18, 19) zu Gitterkonstante (p_M, p_A) 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 Verhältnis von Hellfeldbreite (18) zu Gitterkonstante (pm) von etwa 1 : 2n und die Abtastplatte (8) ein Verhältnis von Heilfeldbreite (19) zu Gitterkonstante (pa) von etwa 1 :2 aufweisen (η — positive ganze Zahl).
4. Längen- und Winkelmeßsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, 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 (p_A) der Abtastplatte (8) aufweist und daß der Abstand zwischen Maßstab (5) und Abtastplatte (8) etwa 0,5 Pm²ZX beträgt, wobei λ der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung ist.
5. Längen- und Winkelmeßsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, 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 zwei- bis vierfachen Wert der Gilterkonstante (p_A) der Abtastplatte (8) aufweist und daß der Abstand zwischen Maßstab (5) und Abtastplatte (8) etwa 0,1 Pm²IX beträgt, wobei λ der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung ist.