DE3818044A1 - Praezisions-messeinrichtung fuer grosse verschiebungen - Google Patents
Praezisions-messeinrichtung fuer grosse verschiebungenInfo
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Description
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die eindimensionale
Positionsdifferenz zweier zueinander verschieblichen mechanischen
Beuelemente über große Positionsdifferenzen von mehreren Metern mit
Genauigkeiten von 0,2 µm und darunter zu messen. Die Messung soll - von
einer Anfangskalibrierung bei der Inbetriebnahme abgesehen - nicht von der
Vorgeschichte abhängen, soll die Differenz als absolute und eindeutige
Zahl liefern und soll mit nur einem meßtechnischem Prinzip auskommen.
Die Erfindung fußt auf zwei bekannten Bauelementen, den geteilten
Präzisionsmaßstäben und den eindimensionalen photoelektrischen
Multidetektoren (lineare Photodioden-Arrays).
Geteilte Maßstäbe, vorzugsweise aus Glas oder glasartigem Material, sind
als Längenverkörperungen für lineare Messungen wohlbekannt. Ist hohe
Genauigkeit gefordert, so ist jedoch ihre Länge, fertigungstechnisch
bedingt, auf z. Zt. 2 m oder weniger begrenzt. Größere Längendifferenzen
müssen durch eine Stückelung von Maßstäben überbrückt werden. Der
meßtechnische Anschluß dieser Stückelungen wird nach bisherigen Methoden
durch einen wechselweise seitlichen Versatz der Maßstäbe und getrennten
Ableseeeinrichtungen hergestellt unter Verwendung von zusätzlichen
Meßeinrichtungen zur Unterscheidung der einzelnen Maßstäbe. Zur Erzeugung
absoluter, von der Vorgeschichte unabhängiger Meßwerte sind die Maßstäbe
im allgemeinen in mehreren Spuren geteilt, deren Inkremente einem
bestimmten digitalen Code (binär, Gray-Code, o. ä.) entsprechen und deren
Anzahl m die maximale Länge der Messung auf das 2mfache eines Inkrementes
begrenzt. Je nach Größe des Inkrementes, die die Auflösung bestimmt, sind
bei großen Lagedifferenzen sehr viele Spuren (m < 18) erforderlich. Dies
gilt auch dann, wenn zur Erhöhung der Auflösung die feinste Spur
zusätzlich und mehrfach interpoliert wird. Solche vielspurigen Teilungen
herzustellen ist äußerst aufwendig. Bei den Maßstäben, die nach dieser
Erfindung verwendet werden sollen, wird daher unter Ausnutzung der
Eigenschaft der Multidetektoren eine andere, einspurige Art der Codierung
vorgeschlagen, die das 2mfache eines größeren Abstandes s zu überbrücken
vermag.
Um die Schwierigkeiten mehrspuriger Teilungen zu umgehen, werden auch
häufig einspurige, äquidistante Teilungen verwendet, die in inkrementaler
Zähltechnik abgetastet werden. Diese Technik kann systembedingt nur
Änderungen des Ortes, nicht den Ort selbst messen und benötigt daher nach
jedem Einschalten eine Nullung des Zählers. Die Gewinnung der absoluten
Lagedifferenz setzt die Nullung an einer separat anzufahrenden
Referenzmarke und ein ungestörtes Arbeiten voraus. Die Referenzmarke
anzufahren ist gerade bei langen Distanzen unbequem, und Störungsfreiheit
ist in vielen Anwendungsfällen nicht gewährleistet. Zählverfahren
verlieren z. B. nach einer äußeren Erschütterung der Meßeinrichtung im
allgemeinen ihren Meßwert. Ferner können Meßeinrichtungen mit
inkrementaler Zähltechnik nicht feiner messen als es dem Inkrement
entspricht.
Literaturhinweise:
¹) Miyamoto, M. und Kühne, C.: "An accurate derivation of the division corrections in a photoelectric meridian circle". Astron. Astroph. Suppl. Ser. 50, 173-186, (1982)
²) Kühne, C.: "A new automatic meridian circle PMC 190". Astron. Astrophys. 121, 165-173, (1983)
¹) Miyamoto, M. und Kühne, C.: "An accurate derivation of the division corrections in a photoelectric meridian circle". Astron. Astroph. Suppl. Ser. 50, 173-186, (1982)
²) Kühne, C.: "A new automatic meridian circle PMC 190". Astron. Astrophys. 121, 165-173, (1983)
Lineare Multidetektoren sind gut geeignet, Maßstabsteilungen unterschiedlichster
Art zu messen. Sie werden handelsüblich bis zu einer Länge
von 50 mm mit Diodenelementen von 13 bis 25 µm Breite hergestellt. Die
Ablesetechnik ¹) ²) besteht darin, die Teilung geeignet zu beleuchten und
mit optischen Mitteln oder im einfachen Schattenwurf auf den Detektor
abzubilden. In einem erwünschten Zeitpunkt, bzw. einer Folge von
Zeitpunkten wird der Detektor elektronisch "abgefragt" und die photometrischen
Ausgangswerte der Diodenelemente vorübergehend gespeichert.
Diese werden einem Mikroprozessor zugeführt, der die weitere Verarbeitung
der Meßwerte übernimmt. Bedeckt das Bild eines Teilstriches etwa 10
Diodenelemente, dann kann der Mikroprozessor dessen Lage auf dem Detektor
messen und bis auf etwa ½₅ der Diodenbreite interpolieren, ausgedrückt
als Elementnummer und deren Bruchteile.
Erfindungsgemäß werden nun mehrere Maßstäbe und mehrere Detektoren
geeignet zueinander angeordnet, daß, wie im folgenden beschrieben, die
Verschiebung der Detektoren über die Gesamtlänge aller Maßstäbe mit hoher
Präzision gemessen werden kann. Es sind dargestellt in
Fig. 1 ein Längsschnitt durch die Meßeinrichtung, längs derer die
Verschiebung zu messen ist,
Fig. 2 ein Querschnitt durch die Meßeinrichtung zur Darstellung der
Beleuchtung der Teilung und des Detektors,
Fig. 3 ein Ausschnitt der Teilung, der Codefelder und der Teilung des
Detektors,
Fig. 4 die Lage von drei Detektoren relativ zu den Codefeldern.
Es sind 1 und 2 die Träger der beiden Bauelemente, deren Lagedifferenz
längs der Zeichenebene von Fig. 1 gemessen werden soll. In 1 sind Maßstäbe
3.1, 3.2, . . . eingelegt, die auf der dem Träger 2 zugewandten Seite mit
einer Teilung versehen sind. Die Anzahl der Maßstäbe ist in Abhängigkeit
von ihren Einzellängen so gewählt, daß die maximal zu messende
Lagedifferenz, zuzüglich eines angemessenen Überlaufes erfaßt werden kann.
Die Maßstäbe bestehen vorzugsweise aus transparenter Glaskeramik oder
Quarz mit vernachlässigbarem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Es darf
davon ausgegangen werden, daß die Maßstäbe nach der Kunst der
Feinwerktechnik spannungsfrei, aber wohldefiniert so aneinander angelegt
werden, daß ihre Abstände konstant bleiben und dennoch so in ihrer Bettung
gleiten können, daß die unterschiedliche Temperaturausdehnung zwischen den
Maßstäben und dem Träger 1 ohne Einfluß bleibt. Die Maßstäbe sind so
ausgerichtet, daß ihre, die Teilungen tragenden Oberflächen bis auf wenige
0,01 mm in einer Ebene liegen.
Im Träger 2 ist ein Zwischenträger 4 eingebettet, der vorzugsweise aus dem
gleichen Material besteht wie die Maßstäbe, mindestens aber aus einem
Material gleicher Temperaturausdehnung. Auf dem Zwischenträger 4 sind
photoelektrische Multidetektoren 5.1, 5.2, . . . angebracht, deren
photoempfindliche Schichten in einem geringen Abstand (0,1 mm) parallel
über der Teilung der Maßstäbe liegen. Nach dem Erfindungsgedanken gibt es
mindestens 2 solcher Detektoren. In den hier aufgeführten Abbildungen ist
der Fall mit drei Detektoren gezeichnet.
Unter den vielen Möglichkeiten der Beleuchtung von Teilung und Detektor
ist eine solche dargestellt, die aus optischen Einrichtungen 6.1, 6.2, . . .
besteht, die neben jedem Detektor 5.1, 5.2, . . . im Träger 2 angebracht sind
und deren Licht durch den transparenten Körper der Maßstäbe hindurch über
reflektierende Flächen 7 die Teilung 8 beleuchten und deren Schattenriß
auf die photoempfindliche Fläche 9 der Detektoren projiziert.
Die Teilung der Maßstäbe besteht nach dem Erfindungsgedanken zum
überwiegenden Teil aus einer äquidistanten Folge von abwechselnd
lichtdurchlässigen und -undurchlässigen Inkrementen, die zweckmäßigerweise,
aber nicht notwendig gleich breit sind. Das Teilungsintervall hat
die Breite b. Die Gleichförmigkeit der Teilung wird in Abständen s, das
ein ganzes Vielfaches von b ist, durch m Codefelder 10.1, 10.2, . . . 10.m
unterbrochen. Ein Codefeld wird durch eine Störung der Gleichförmigkeit
der Teilung, z. B. durch zwei aufeinanderfolgende lichtundurchlässige
Inkremente 11 eingeleitet. Sie signalisieren dem analysierenden
Mikroprozessor, daß die nun folgenden m Felder als Code für den Ort auf
dem Maßstab zu interpretieren sind. Wählt man m = 7, wie im Beispiel der
Fig. 3, dann können auf nur einer Spur 2⁷ = 128 verschiedene Orte längs
der gesamten zu messenden Strecke unterschieden werden.
Nach dem Erfindungsgedanken wird die Teilung auf n Multidetektoren 5.1,
5.2, . . . 5.n projiziert, wie Fig. 3b zeigt. Die Detektoren besitzen eine
große Zahl von Elementen, z. B. 1024 wie in Fig. 3b, deren Breite etwa ½₀
der Intervallbreite b beträgt. Der den Detektoren nachgeschaltete
Mikroprozessor analysiert die photometrischen Meßwerte auf zweierlei
Weise.
Erstens sucht er von links nach rechts fortschreitend eine Störung 11. Hat
er auf dem k-ten Detektor (k aus 1 . . . m) eine gefunden, dann interpretiert
er die anschließenden m Felder der Teilung als duale Zahl (z. B. j aus
1 . . . 2 m ) und stellt fest, daß auf dem k-ten Detektor der Anfangspunkt A des
j-ten Codefeldes auf dem i-ten Element des Detektors liegt. In Fig. 3a
bedeutet beispielsweise das erste Codefeld j = 0L00LLL = 39, das zweite
j = 0L0L000 = 40.
Zweitens werden von allen Teilungsstrichen aller Detektoren - mit Ausnahme
der Störungsstriche und der Codefelder - die Orte der photometrischen
Medianwerte der lichtdurchlässigen oder -undurchlässigen Inkremente
berechnet, die ganzzahligen Elementnummern abgezogen, von den Resten der
Mittelwert gebildet und dieser als Interpolationswert dem Ort i des
Anfangspunktes A hinzugefügt.
Um nach dem Erfindungsgedanken die Eindeutigkeit der Messung
sicherzustellen, werden die Abstände der Detektoren so gewählt, daß in
jeder Verschiebelage der beiden Träger 1 und 2 mindestens ein Codefeld auf
einem der Detektoren liegt. Hierzu genügt es, den Abstand der Codefelder
s = m * 1 zu wählen, worin 1 die nominelle Länge eines Detektors ist. Die
Abstände der Detektoren voneinander wird als ein geradzahliges bzw.
ungeradzahliges Vielfaches von s/m gewählt, je nachdem m ungeradzahlig
bzw. geradzahlig ist. Um den Übergang der Codierung von einem Detektor zum
anderen sicherzustellen, muß die effektive Länge l′ der Detektoren
mindestens um die Länge eines Codefeldes + 2 Inkremente größer als die
nominelle sein. Ein solcher Übergang und eine der möglichen
Abstandsanordnungen der Detektoren sind in Fig. 4 dargestellt. Die Ebene
der Detektoren ist darin um 180 Grad in die Ebene der Teilung umgeklappt.
Um die Störungen der Teilung zu unterdrücken, die unvermeidlich an den
Stoßstellen 12 zweier benachbarter Maßstäbe entstehen, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese als Pseudocodefelder auszubilden,
z. B. als eine Folge von 3 + m + x aufeinanderfolgender undurchlässiger
Inkremente, von denen ein Teil auf dem ersteren, ein zweiter Teil auf dem
folgenden Maßstab liegt. Mit x < 0 soll ein unbestimmter kleiner
Zusatzabstand bezeichnet werden, der die aus mechanischen Gründen
erforderliche Toleranz der Teilungsanfänge enthält. Der Mikroprozessor
erkennt an der Länge des Pseudocodefeldes, daß es sich nicht um ein echtes
Codefeld handelt und kann diese Meßwerte ersatzlos ausscheiden.
Die Leistungsfähigkeit einer Meßeinrichtung nach diesem Erfindungsgedanken
kann durch folgendes Zahlenbeispiel demonstriert werden:
Es wird angenommen, daß 4 Maßstäbe von je 2 m Länge verwendet werden. Das
Teilungsintervall der Maßstäbe betrage
b = 500 µm
Ein Inkrement hat so eine Breite von 250 µm. Die Anzahl der Detektoren und
ihre effektive Länge seien
n = 3
l′ = 25 mm
l′ = 25 mm
und mögen je 1024 Elementen von je 25 µm Breite besitzen. Von dieser Länge
wird als Nominallänge
l = 20 mm
verwendet. Der Rest wird als Überlappungsbereich und als Toleranzreserve
benutzt. Der Abstand der Codefelder beträgt dann
s = n * l = 60 mm
Die Codefelder sollen aus
m = 7
Inkrementen bestehen. Der erforderliche Überlappungsbereich beträgt dann
(m + 2) * 250 µm = 2,25 mm, der damit die Hälfte der Differenz zwischen
effektiver und nominaler Länge ausschöpft. Die gesamte nutzbare Länge L
der Meßeinrichtung beträgt
L = s * 2 m = 60 * 128 = 7680 mm
und kann gut die 4 Maßstäbe à 2 m Länge ausschöpfen. Die Standardabweichung
der Ortsmessung eines einzelnen Inkrementes beträgt, wie die
praktischen Erfahrungen zeigen
Δ x (Inkr) = 1 µm
Auf den 3 Detektoren liegen (3 * 100) - 9 Inkremente, wovon jedes zweite
statistisch unabhängig ist. Die Standardabweichung der Ortsmessung der
Anfangsmarke A eines Codefeldes beträgt damit
Das bedeutet eine Auflösung der Messung von ca. Δ x(A)/L = 1 * 10-8.
Zum Vergleich: Eine Meßeinrichtung mit konventioneller, mehrspuriger
Codierung brauchte bei gleicher Gesamtlänge und gleicher Auflösung
mindestens 30 Spuren und eine zusätzliche 8fache Interpolation der
feinsten Spur mit Inkrementen von 8 µm Breite.
Die Vorteile dieser Meßeinrichtung sind damit noch nicht erschöpft. Man
macht sich leicht klar, daß mit entsprechend angelegten Meßprogrammen alle
wichtigen Fehler der Meßeinrichtung in situ bestimmt werden können. Hierzu
gehören die Teilungsfehler der Teilung, die Anschlußsprünge benachbarter
Maßstäbe und die Abstandsfehler der Codefelder und der Detektoren. Der
Einfluß dieser Fehler braucht daher nur mit den Restfehlern ihrer Messung
berücksichtigt zu werden.
Claims (3)
1. Präzisions-Meßeinrichtung für große Verschiebungen unter Verwendung
von Maßstäben mit Präzisionsteilung, die mit eindimensionalen
photoelektrischen Multidetektoren abgetastet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere, im wesentlichen gleichförmig und
äquidistant geteilte Maßstäbe kolinear aneinandergelegt werden, daß
die Teilungen in Abständen s von Codefeldern gleichartiger
Teilungsinkremente unterbrochen werden, daß die Lage der Maßstäbe
durch n, parallel zur Teilung angeordnete, zueiander fixierte und
gemeinsam gegenüber den Maßstäben verschiebliche Multidetektoren der
effektiven Länge l gemessen wird, wobei der Abstand der Detektoren
so gewählt ist, daß immer mindestens ein Codefeld auf einem der
Detektoren liegt und s = n * l ist, und daß ein Mikroprozessor die
photoelektrischen Messungen der Detektoren in eine absolute, von der
Vorgeschichte unabhängige Positions-Differenz zwischen Detektoren
und Maßstäben verwandelt.
2. Präzisions-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Codefelder von der übrigen Teilung dadurch unterschieden
werden, daß zwei aufeinanderfolgende Inkremente der Teilung entgegen
der Gleichförmigkeit nicht ihren Wert wechseln und daß die darauf
folgenden m Inkremente als binäre Zahl zu interpretieren sind, so daß
die Gesamtlänge L = s * 2 m der Meßstrecke in 2 m eindeutig
gekennzeichnete Stücke zerlegt wird.
3. Präzisions-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Störungen der Teilung an den Stoßfugen der
Maßstäbe durch je eine gleichartige Folge von Inkrementen
charakterisiert werden, deren Länge um mindestens drei Inkremente
größer ist als die der Codefelder.
Priority Applications (1)
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DE19883818044 DE3818044A1 (de) | 1988-05-27 | 1988-05-27 | Praezisions-messeinrichtung fuer grosse verschiebungen |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3818044A1 true DE3818044A1 (de) | 1989-11-30 |
Family
ID=6355256
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DE19883818044 Withdrawn DE3818044A1 (de) | 1988-05-27 | 1988-05-27 | Praezisions-messeinrichtung fuer grosse verschiebungen |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3818044A1 (de) |
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