DE4206544A1

DE4206544A1 - Zweikoordinaten-wegmesssystem

Info

Publication number: DE4206544A1
Application number: DE19924206544
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Loewe; Ulrich Dr Pahl
Original assignee: LPKF CAD CAM Systeme GmbH
Current assignee: LPKF CAD CAM Systeme GmbH
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 1993-09-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Zweikoordinaten-Wegmeßsystem für eine Vorrichtung zur Durchführung von Bewegungen eines Kör pers in einer Ebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zweikoordinaten-Positionierantriebe mit Positionsabwei chungen im Bereich weniger Mikrometer erlangen immer mehr Bedeu tung, z. B. bei der Strukturierung von Leiterplatten mittels me chanischer Werkzeuge oder Laserstrahlen, beim Bonden in der Halb leiterfertigung, bei x-y-Meßtischen und bei Werkzeugmaschinen, um nur einige Beispiele zu nennen.

Beim Einsatz geregelter Servomotoren in diesen Antrie ben ist es notwendig, die Lage des zu positionierenden Körpers in einer Ebene zu messen. Diese Lagenmessung kann mit Hilfe zweier linearer Wegmeßsysteme, die z. B. photoelektrisch inkremental ar beiten, durchgeführt werden. Lineare Wegmeßsysteme verwenden Linienraster als Maßstab. Aufgrund der begrenzten Ausdehnung des Linienfeldes quer zur Richtung der Linien ist beim Einsatz dieser Systeme in den oben genannten Antrieben eine konstruktive Tren nung der Antriebsachsen notwendig. Außerdem wächst mit zunehmen der Anforderung an die Genauigkeit dieser Positionierantriebe der Justageaufwand der Antriebsachsen zueinander.

Lineare Wegmeßsysteme sind für Zweikoordinaten-Positio nierantriebe, bei denen die Antriebsachsen konstruktiv in einer Ebene angeordnet sein sollen, daher nicht einsetzbar.

Eine andere Möglichkeit zur Messung der Lage des Kör pers in der Ebene ist in EP-A1-03 17 787 beschrieben. Der in dieser Druckschrift gezeigte Zweikoordinaten-Antrieb bewegt sich plan parallel auf einer Führungsebene. Zur Positionsmessung sind am Läufer des Antriebs zwei Meßelemente angebracht, die mit in x- und y-Richtung orientierten langen Stricheinheiten versehen sind. Gegenüber diesen Meßelementen sind zwei Meßköpfe angeordnet. Je der Meßkopf tastet die Stricheinheiten einer Richtung ab, wobei die optronisch arbeitenden Meßköpfe von den Meßelementen stel lungsabhängige Daten ermitteln und in Signale umwandeln, die den elektromotorischen Antrieben oder einer Steuereinheit für die An triebe zugeführt werden. Dieses bekannte System hat den Nachteil, daß jeder Meßkopf einzeln bezüglich des Meßelements justiert wer den muß.

Eine weitere Möglichkeit zur Lagemessung in der Ebene besteht in der Abtastung eines Kreuzrasters als Maßstab. Der Kreuzraster entsteht durch die Kombination zweier Linienraster mit einer gleichen Rasterkonstante p oder mit ungleichen Raster konstanten p und q, wobei zwei Gruppen von langen Linien mit end licher Breite aufeinander senkrecht stehend auf dem Maßstabträger aufgebracht werden. Die Rasterkonstante p bzw. q ist der Abstand zwischen zwei Lücken oder zwei Linien des Rasters. Der Raster kann symmetrisch aufgebaut sein, d. h. die Breite der Linien und Lücken ist gleich, oder er kann unsymmetrisch aufgebaut sein.

Ein solcher Kreuzraster-Maßstab gestattet den Aufbau eines integrierten Zweikoordinaten-Lagemeßsystems. Bei seinem Einsatz in Positionierantrieben können die Antriebsachsen in einer Ebene angeordnet werden, und der Läufer des Antriebs kann sich planparallel in der Führungsebene bewegen.

In der DD-PS 2 39 013 ist eine Einrichtung zur Messung der Verschiebung eines Körpers in der Ebene unter Verwendung eines Kreuzrasters beschrieben. Die Abtasteinrichtung besteht aus zwei lichtelektrischen Abtasteinheiten, deren Mittellinien senk recht aufeinander stehen. Jede Abtasteinheit verfügt über mehrere zeilen- oder matrixförmig angeordnete Empfängerelemente. Durch diese Anordnung der Empfängerelemente ist die Abtasteinrichtung unempfindlich gegenüber einer ungenauen Justage bezüglich des Kreuzrasters. Dadurch verursachte Amplitudenunterschiede und Pha senfehler der elektrischen Signale der Abtasteinrichtung sind mi nimal.

Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist der verhältnismäßig hohe Aufwand, die Verwendbarkeit der Einrichtung nur im Durchlicht und die Realisierbarkeit einer akzeptablen Bau größe nur durch Verwendung eines Halbleiterchips.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zweiko ordinaten-Wegmeßsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann ten Art zu schaffen, das sowohl im Durchlicht als auch im Auf licht arbeiten kann, das im Aufbau einfach ist, und das es ferner ermöglicht, neben der Funktion der Wegmessung auch die Funktionen der Erkennung von Endlagen- und Nullpunkt-Positionen zu überneh men.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 an gegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Rasterplatte stellt ein außeror dentlich einfaches Element dar, das aber trotzdem alle für ein Zweikoordinaten-Wegmeßsystem notwendigen Meßfunktionen in sich vereinigt. Aufgrund der konstruktiven Trennung der Abtasteinrich tung in eine Abtastrasterplatte und eine Ebene, in der die Photo empfänger bei Durchlichtbetrieb bzw. die Strahlungsquellen (In frarot-Emitterdioden) bei Auflichtbetrieb angeordnet sind, ist ein thermisch isolierter Aufbau des Meßsystems möglich, d. h. thermische Verluste der Strahlungsquellen beeinflussen die Genau igkeit der Wegmessung nicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Kreuzraster-Maßstab mit einem vergrößerten Ausschnitt,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Dar stellung des erfindungsgemäßen Meß sytems,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Abtastraster platte,

Fig. 4.1 ein Beispiel für den Phasenversatz des Rasters in den Fenstern einer Gruppe von zwei Fensterpaaren für eine Koor dinate,

Fig. 4.2 ein weiteres Beispiel für den Phasen versatz des Rasters in den Fenstern einer Gruppe von zwei Fensterpaaren für eine Koordinate,

Fig. 5 eine schematische perspektivische Dar stellung eines erfindungsgemäßen, im Durchlicht arbeitenden Meßsystems und

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Abtastraster platte mit weiteren Meßfenstern.

Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte 1 mit einem darauf an gebrachten Kreuzraster 14, von dem in Fig. 1 unten ein Ausschnitt dargestellt ist, aus dem ersichtlich ist, daß es sich um ein sym metrisches Kreuzraster handelt, bei dem die Rasterkonstante p in der einen Koordinate gleich der Rasterkonstanten q in der ande ren, zur ersten Koordinate senkrecht stehenden Koordinate ist, d. h. die Breite der Linien und Lücken ist gleich. Der Linienra ster kann jedoch auch unsymmetrisch aufgebaut sein.

Das in Fig. 2 dargestellte Meßsystem besteht aus der Trägerplatte 1, auf der der Kreuzraster 14 aufgebracht ist, einer mit Fenstern versehenen Abtastrasterplatte 3 und Photoempfängern 2, die den Fenstern zugeordnet sind. Die Abtastrasterplatte 3 be findet sich im Abstand h von der Trägerplatte 1, wobei die Trä gerplatte 1 relativ zur Abtastrasterplatte 3 und den Photoempfän gern 2 in zwei Freiheitsgraden in einer zur Abtastrasterplatte 3 parallelen Ebene verschiebbar ist.

Die in Fig. 3 in Draufsicht dargestellte Abtastraster platte 3 besteht aus transparentem Material, z. B. Glas. Auf ihrer dem Kreuzraster-Maßstab zugekehrten Seite ist bis auf Fenster 4 bis 11, die vorzugsweise eine rechteckige Form aufweisen, eine lichtundurchlässige Schicht (z. B. Chrom oder Aluminium) oder eine Schichtfolge, (z. B. Chromoxid-Chrom-Chromoxid), aufgebracht. In der Abtastrasterplatte 3 sind zwei Gruppen von je zwei Fenster paaren (4, 5; 6, 7) bzw. (8, 9; 10, 11) angeordet, die licht durchlässig sind. Die Fenster 4 bis 7 sind jeweils mit einem Linienraster versehen, das dieselbe Rasterkonstante sowie Linien- und Lückenbreite der ihnen zugeordneten Koordinate des Kreuzra sters 14 besitzt. Das gleiche gilt für die Fenster 8 bis 11. Die Fenster 4 bis 7 sowie die Fenster 8 bis 11 sind so angeordnet, daß deren Mittellinien A und B senkrecht aufeinander stehen. Die Mittellinien schneiden sich in einem Punkt. In jeder Koordinate können die Gruppen von zwei Fensterpaaren symmetrisch oder unsym metrisch zum Schnittpunkt der Linien A und B liegen. Es kann die dargestellte kreuzförmige Anordnung der Fenster vorgesehen wer den. Es sind aber auch andere Konfigurationen möglich, z. B. eine L-förmige Anordnung. Der Linienraster in den Fenstern 4 bis 7 verläuft parallel zur Mittellinie B der Fenster 8 bis 11, und der Linienraster in den Fenstern 8 bis 11 verläuft parallel zur Mittellinie A der Fenster 4 bis 7. Die Linien der Linienraster in den Fenstern 4 bis 11 bestehen ebenfalls aus einer lichtundurch lässigen Schicht (z. B. Chrom oder Aluminium) oder einer Schicht folge (z. B. Chromoxid-Chrom-Chromoxid).

Die Linienraster in den Fenstern 4 bis 7 bzw. 8 bis 11 sind zueinander phasenversetzt aufgebracht. Eine Möglichkeit zeigt Fig. 4.1. Der Abstand zwischen einer beliebigen Linie des Linienrasters in einem der Fenster 4 bis 7 und einer beliebigen Linie des Linienrasters in einem anderen der Fenster 4 bis 7 kann ein ganzzahliges Vielfaches des Wertes der Rasterkonstanten p addiert mit einem Viertel des Wertes der Rasterkonstanten p be tragen. K, m und n sind ganze Zahlen.

Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 4.2. Der Abstand zwischen einer beliebigen Linie des Rasters im Fenster 4′ und einer beliebigen Linie im Fenster 7′ beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Rasterkonstanten p addiert mit der Hälfte des Wer tes der Rasterkonstanten p. Dies gilt auch für den Versatz zwi schen den Fenstern 5′ und 6′. Der Versatz des Linienrasters zwi schen den Fenstern 4′ und 5′ beträgt ein Viertel der Rasterkon stanten p.

Die zuvor gemachten Aussagen über den Phasenversatz des Linienrasters in den Fenstern 4 bis 7 bzw. 4′ bis 7′ gelten eben falls für die Fenster 8 bis 11 bzw. 8′ bis 11′.

Mit den beschriebenen Fenstern kann der Kreuzraster- Maßstab 14 im Durch- oder Auflicht abgetastet werden. Die Funk tionsweise für ein Durchlicht-Meßsystem soll im folgenden anhand von Fig. 5 erläutert werden, in der das System schematisch darge stellt ist. Das System besteht aus einer Beleuchtungsquelle 12, einem Kondensor 13, dem Kreuzraster-Maßstab 14, der Abtastraster platte 3 und den Photoempfängern 16. Der Maßstab 14 ist gegenüber der Beleuchtungsquelle 12, dem Kondensor 13, der Abtastraster platte 15 und den Photoempfängern 16 beweglich angeordnet. Die Abtastrasterplatte mit den Photoempfängern ist gegenüber dem Kreuzraster-Maßstab so auszurichten, daß die Linien des Linien rasters in den Fenstern 4 bis 11 der Abtastrasterplatte parallel zu den Linien des Kreuzrasters verlaufen. Der Phasenversatz des Linienrasters in den Fenstern 4 bis 11 der Abtastrasterplatte 3 ist dabei so gewählt wie sie in Fig. 4.1 gezeigt ist.

Es ergeben sich bei den nachfolgend beschriebenen Po sitionen die folgenden Signale:

a) Den Linien des Linienrasters in den Fenstern 4 und 8 stehen Linien des Kreuzrasters gegenüber, d. h. die Fenster sind hell (Signal = 1),
b) die Lücken des Linienrasters in den Fenstern 5 und 9 sowie 7 und 11 sind jeweils zur Hälfte ihrer Breite durch die Linien des Kreuzrasters abgedeckt (Signal=0.5) und
c) die Lücken des Linienrasters in den Fenstern 6 und 10 sind in ihrer ganzen Breite durch die Linien des Kreuzrasters ab gedeckt (Signal=0).

Bewegt sich der Maßstab in X-Richtung um den Betrag X=p (p ent spricht der Rasterkonsten) in Schritten von X=0.25*p zur Ab tasteinrichtung, so ändern sich die Beleuchtungsverhältnisse in den einzelnen Fenstern 4 bis 11 entsprechend den in Tafel 1 an gegebenen Signalverläufen.

Tafel 1

Der Verlauf der Beleuchtungsverhältnisse in den Fen stern 4 bis 11 für eine Verschiebung des Maßstabes in Y-Richtung ist in Tafel 2 gezeigt.

Tafel 2

Bewegt sich der Maßstab von der beschriebenen Ausgangs position gleichzeitig in X- und Y-Richtung, so ergibt sich der in Tafel 3 angegebene Verlauf der Beleuchtungsverhältnisse in den einzelnen Fenstern.

Tafel 3

Der Verlauf der Beleuchtungsverhältnisse in den Fen stern 4 bis 11 wird mit Hilfe der Photoempfänger 16 in elektri sche Signale gewandelt, und diese können dann mit den entspre chenden Verfahren, die z. B. auch bei linearen photoelektrischen inkrementalen Wegmeßsystemen üblich sind, weiterverarbeitet wer den.

Beim Einsatz einer Abtastrasterplatte mit dem in Fig. 4.2 gezeigten Phasenversatz des Linienrasters in den Fen stern 4′ bis 11′ entsprechen die Verläufe der Beleuchtungsver hältnisse in den Fenstern 4, 5 bzw. 8, 9 denen in den Fenstern 4′, 5′ bzw. 8′, 9′, jedoch der Verlauf im Fenster 7 dem im Fen ster 6′ sowie der im Fenster 11 dem im Fenster 10′.

Bei einem Auflichtsystem sind gegenüber dem beschrie benen Durchlichtsystem anstelle der Photoempfänger jeweils ein Photoempfänger und eine Beleuchtungsquelle, z. B. eine LED, vorge sehen. Die Photoempfänger wandeln das von den Linien des Kreuz rasters reflektierte Licht in elektrische Signale um. Beleuch tungsquelle 12 und Kondensor 13 entfallen in einem Auflicht system.

Inkrementale Wegmeßsysteme sind relative Meßsysteme, d. h. zur Bestimmung der absoluten Position eines Objektes ist es notwendig, sogenannte Referenzpunkte zu detektieren, deren abso lute Position bekannt ist. Für hochdynamische Positionierantriebe ist weiterhin das sichere Erkennen von Endlagen sehr wichtig.

Diese beiden Funktionen lassen sich ebenfalls in die Abtastrasterplatte integrieren. Fig. 6 zeigt schematisch den Auf bau einer solchen Platte.

Außer den aus Fig. 3 bekannten Fenstern 4 bis 11 sind zum Detektieren der Endlagen die Fenster 19, 20, 23, 24, 27, 31, 32 und 35 vorgesehen. Sie können z. B. transparent sein. Eine de finierte Kante des Kreuzraster-Maßstabes läßt sich somit leicht erkennen.

Die Fenster 17, 18, 21, 22, 29, 30, 33 und 34, in denen z. B. eine spezielle Rasterstruktur angeordnet sein kann, dienen zum Erkennen eines oder mehrerer Referenzpunkte. Ist z. B. die spezielle Rasterstruktur auf dem Kreuzraster ebenfalls vorhanden, so kann sehr genau, z. B. bei Überdeckung der beiden Rasterstruk turen, ein Referenzpunkt definiert werden.

Zur Gewinnung spezieller elektrischer Referenzsignale, die für die elektronische Weiterverarbeitung der bei der Abta stung gewonnenen elektrischen Signale notwendig sein können, sind die Fenster 25, 26, 28 und 36 auf der Abtastrasterplatte 15 vor gesehen. Diese Fenster können z. B. transparent oder mit einer speziellen Rasterstruktur versehen sein. Durch eine spezielle Rasterstruktur, die als Blende für den Photoempfänger wirkt, läßt sich der Pegel des Referenzsignals festlegen. Änderungen der Be leuchtungsstärke der Photoempfänger können so erkannt und ausge glichen werden.

Zur einfacheren Montage der Abtasteinrichtung können auf der Abtastrasterplatte 15 ferner eine oder mehrere Justier marken angeordnet werden, wie sie z. B. in den Fenstern 37 bis 39 zu sehen sind.

Mit Hilfe der beschriebenen Abtastrasterplatte, die alle Funktionen für die Messung beinhaltet, die auf einfache Wei se herstellbar ist und nur wenig Raum einnimmt, ist es möglich, sehr kompakte Meßanordnungen für integrierte Zweikoordinaten- Wegmeßsysteme zu bauen.

Claims

1. Zweikoordinaten-Wegmeßsystem für eine Vorrichtung zur Durchführung von Bewegungen eines Körpers in einer Ebene, mit einer photoelektrisch inkremental arbeitenden Abtasteinrichtung, die ein Kreuzraster als Maßstab und eine relativ zu diesem be wegbare Meßanordnung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung eine mit Ausnahme von zwei Gruppen von je zwei Fen sterpaaren (4, 5 bzw. 6, 7; 8, 9 bzw. 10, 11) lichtundurchlässige Abtastrasterplatte (3, 15) aufweist, daß die Mittellinie (A) einer Gruppe von zwei Fensterpaaren (4, 5 bzw. 6, 7) die Mittel linie (B) der anderen Gruppe von zwei Fensterpaaren (8, 9 bzw. 10, 11) im rechten Winkel schneidet und die Paare jeder Gruppe einan der beidseits des Schnittpunktes der Mittellinie (A, B) gegen überliegt, daß die Fenster (4 bis 11) mit einem Linienraster ver sehen sind, der dieselbe Rasterkonstante (p) sowie Linien- und Lückenbreite der ihnen zugeordneten Koordinate des Kreuzrasters (14) besitzt, und daß die Linienraster in den Fenstern jeder Gruppe von Fensterpaaren von Fenster zu Fenster um einen Bruch teil der Rasterkonstanten (p) versetzt zueinander angeordnet sind.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastrasterplatte (3, 15) aus transparentem Material besteht und auf ihrer dem Kreuzraster-Maßstab (15) zugekehrten Seite mit Ausnahme der Fenster (4 bis 11) mit einer lichtundurchlässigen Schicht oder Schichtfolge versehen ist, und daß die Linien des Linienrasters in den Fenstern ebenfalls aus einer lichtundurch lässigen Schicht oder Schichtfolge bestehen.

3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Chrom oder Aluminium besteht.

4. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtfolge aus Chromoxid-Chrom-Chromoxid besteht.

5. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Linienraster zwischen den Fenstern, die einer Koordinate zugeordnet sind, ein Viertel des Wertes der Rasterkonstanten (p) beträgt.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Linienraster zwischen den Fenstern, die einer Koordinate zugeordnet sind, die Hälfte des Wertes der Rasterkonstanten (p) zwischen dem ersten und vierten sowie dem zweiten und dritten Fenster, und ein Viertel der Rasterkonstanten (p) zwischen dem ersten und zweiten sowie zwi schen dem dritten und vierten Fenster beträgt.

7. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtastrasterplatte (15) je Koordinate wenigstens ein weiteres Fenster (19, 20, 23, 24, 27, 31, 32, 35) zur Feststellung der Endlagenposition angeordnet ist.

8. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtastrasterplatte (15) je Koordinate wenigstens ein weiteres Fenster (17, 18, 21, 22, 29, 30, 33, 34) zur Definition von Referenzpunkten für das relativ arbeitende inkrementale Meßsystem angeordnet ist.

9. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtastrasterplatte (15) je Koordinate wenigstens ein weiteres Fenster (25, 26, 28, 36) zur Gewinnung elektrischer Referenzsignale angeordnet ist.

10. Meßsystem nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß die zusätzlichen Fenster transparent oder mit Raster- bzw. Linienstrukturen versehen sind.

11. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abtastrasterplatte (15) Fenster (36, 37, 38, 39) mit Justiermarken vorgesehen sind.