DE4436784A1 - Absolutes Positionsmeßsystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein absolutes Positionsmeßsystem mit
einem Teilungsträger, der eine Strichteilung trägt, die von
einer Detektoreinrichtung abgetastet wird, um ein die Stel
lung des Teilungsträgers relativ zum Detektor charakteri
sierende Signal zu erzeugen. Solche absoluten Positions
meßsysteme sind an sich bekannt.
So ist beispielsweise in
der US-PS 5 235 181 ein absolutes photoelektrisches Längen
meßsystem beschrieben, dessen Maßstab zwei Strichteilungen
trägt: eine erste, inkrementale Strichteilung, die mit
Hilfe eines Gegengitters und eines einfachen photoelek
trischen Detektors abgetastet wird, und eine zweite Strich
teilung, die einen binären Code darstellt. Diese Strich
teilung wird auf einen CCD-Detektor abgebildet, der den
Code liest und daraus ein die absolute Position des Maß
stabs charakterisierendes Signal bildet.
Das bekannte System erfordert also einen Maßstab mit zwei
unterschiedlichen Teilungsspuren und ist damit aufwendig und
teuer. Das gleiche gilt auch für das in der US-PS 4 736 187
dargestellte Winkelmeßsystem, bei dem neben der inkremen
talen Strichteilung auf dem Teilkreis eine weitere Spur mit
einem absoluten Strichcode aufgebracht ist.
In der US-PS 4 901 073 sowie in der DD-PS 2 19 566 sind
Positionsmeßsysteme beschrieben, bei denen der Maßstab bzw.
Teilkreis unter Verzicht auf eine inkrementale Teilung nur
eine Folge von Code-Feldern trägt, die beispielsweise auf
eine CCD-Zeile abgebildet werden. Bei diesen Code-Feldern
handelt es sich um sogenannte "bar codes", wie sie u. a. in
Supermärkten zur Identifizierung von Preis und Typ von
Waren eingesetzt werden. Diese "bar codes" bestehen aus
einer Folge von dünnen und breiten Strichen in unter
schiedlichem Abstand.
Natürlich lassen sich mit einem derartigen bar code auch
absolute Lageinformationen codieren und entsprechend aus
lesen. Ein allein auf diesen bar code abgestütztes Posi
tionsmeßsystem erlaubt jedoch keine hohen Verschiebe
geschwindigkeiten für den Maßstab. Außerdem lassen sich
derartige rein absolut codierten Maßstäbe mit herkömmlichen
Leseköpfen für inkrementale Längenmeßsysteme nicht mehr
abtasten.
In der DE-OS 30 35 012 ist ein absolutes Längenmeßsystem
beschrieben, bei dem ein die absolute Lageinformation
verkörpernder Code auf einem Maßstab dadurch hergestellt
wird, daß einzelne Teilungsstriche des inkremental
geteilten Maßstabs entfernt werden. Ein derartiger Maßstab
kann jedoch dann nicht mehr ohne weiteres inkremental
abgetastet werden und unterliegt damit den Beschränkungen
von absoluten Längenmeßsystemen hinsichtlich Auflösungs
vermögen und Meßgeschwindigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach
herzustellendes und genau arbeitendes absolutes Positions
meßsystem zu schaffen.
Ausgehend von einem Positionsmeßsystem der eingangs
genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe damit, daß die
Strichteilung aus einer Folge von Strichen unterschied
licher Breite aber mit konstantem gegenseitigen Abstand
besteht, die einen die Absolutposition des Teilungsträgers
beschreibenden Code darstellt.
Die Strichteilung gemäß der Erfindung kann deshalb wie
herkömmliche inkrementale Längenmeßsysteme als Gitter
teilung mit fester Gitterkonstante (k) betrachtet werden.
Die absolute Lageinformation ist über das Steg/Lücke-
Verhältnis der Teilungsstriche codiert. Das bietet mehrere
Vorteile: zum einen wird wie bei inkrementalen Meßsystemen
nur eine einzige Strichteilung auf dem Maßstab benötigt.
Zum andern kann diese Teilung auch durch Leseköpfe für
herkömmliche inkrementale Meßsysteme abgetastet werden, so
daß die Vorteile von inkrementalen Systemen in Bezug auf
Meßgeschwindigkeit und Auflösung beibehalten werden.
Dennoch ist wegen der absoluten Codierung der Position über
das Steg/Lücke-Verhältnis die absolute Stellung des Maß
stabes bzw. Teilkreises immer auslesbar, so daß keine
"Nullimpulsfahrten" zur Initialisierung des System oder
Endlagenschalter benötigt werden, wie sie für inkrementale
Systeme erforderlich sind.
Wenn die Teilung gleichzeitig von zwei verschiedenen Typen
von Detektoren, einem inkrementalen Lesekopf und einem z. B.
CCD-Array abgetastet wird, lassen sich die inkrementale und
die absolute Positionsinformation optimal miteinander
verbinden. Man erhält damit ein redundantes System, das
höchstmögliche Sicherheit bei Störungen wie z. B. dem Aus
fall eines Detektors bietet. Solche redundanten Systeme
werden insbesondere in der Medizintechnik bzw. Roboter
technik gefordert.
Die Striche der Teilung bestehen vorteilhaft aus zwei
Gruppen von Strichen unterschiedlicher Breite. Zwei
verschiedene Breiten sind für die absolute Codierung der
Lageinformation völlig ausreichend.
Wenn der Teilungsträger des Positionsmeßsystems photo
elektrisch abgetastet werden soll ist es vorteilhaft, wenn
jeweils eine Anzahl von Strichen der Teilung ein erstes
Code-Feld bildet und diesem ersten Code-Feld ein zweites,
dazu komplementäres Code-Feld zugeordnet ist. Dann ist es
nämlich möglich, die Transparenz des Teilungsträgers über
jeweils zwei Code-Felder konstant zu halten. Das ist für
den Fall wichtig, daß die Teilung von einem inkrementalen
Lesekopf abgetastet wird, damit der Gleichlichtpegel des
Meßsignals nicht schwankt.
Die Erfindung kann in Längenmeßsystemen und in Winkelmeß
systemen Verwendung finden. Auch und gerade für letzteres,
für das Winkelmeßsystem, ist es vorteilhaft, zwei unter
schiedliche Detektoren, einen inkrementalen Geber und einen
absoluten Detektor für die Auslesung der Strichteilung
einzusetzen. Denn dann kann der Exzenterfehler sehr einfach
mit Hilfe des inkrementalen Gebers korrigiert werden,
während die absolute Position des Teilkreises mit dem
anderen Detektor festgestellt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig.
1-6 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine Prinzipskizze, die ein absolutes
Längenmeßsystem im Schnitt zeigt;
Fig. 2a u. 2b stellen den Teilungsträger (1) aus Fig. 1
und den Detektor (4) aus Fig. 1 jeweils in
Aufsicht dar;
Fig. 3 ist eine stark vergrößerte Darstellung der
Strichteilung (11) des Teilungsträgers (1) aus
Fig. 1 und 2;
Fig. 4a ist eine Prinzipskizze, die den Teilungsträger
(1) des Meßsystems aus Fig. 1-3 in Verbindung
mit einem inkrementellen Lesekopf im Schnitt
senkrecht zur Ebene des Teilungsträger zeigt;
Fig. 4b stellt das Gegengitter (5) des inkrementellen
Lesekopfs aus Fig. 4a in Aufsicht dar;
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des vom Lesekopf
nach Fig. 4 abgegebenen elektrischen Signals.
Fig. 6 ist eine Prinzipskizze, die ein mit der
erfindungsgemäßen Gitterteilung versehenes
Winkelmeßsystem zeigt.
Das in Fig. 1 dargestellte absolute Längenmeßsystem
besteht aus einem Teilungsträger (1), der von einer Licht
quelle (2) beleuchtet wird. Auf der der Lichtquelle (2)
abgewandten Seite trägt der Teilungsträger (1), d. h. der
Maßstab eine Strichteilung, die von einer Linse (3) auf die
lichtempfindliche Fläche eines CCD-Arrays (4) abgebildet
wird.
Das CCD-Array (4) ist in der Aufsicht nach Fig. 2b noch
mals dargestellt und man erkennt, daß die lichtempfindliche
Fläche dieses Arrays aus einer Vielzahl einzelner photo
elektrischen Elemente besteht.
Die Strichteilung (11) des Maßstabs (1) besteht aus einer
Folge von Code-Feldern A, B, A¹, B¹, A², B² etc., wobei die
Striche in den Code-Feldern des Typs A wie in der stark
vergrößerten Abbildung nach Fig. 3 näher dargestellt zwei
verschiedene Breiten (a) und (b) besitzen. Die Abfolge der
schmalen Striche (a) und der breiten Striche (b) wechselt
von einem Feld des Typs A zum nächsten und verkörpert die
absolute Lageinformation in Form eines 16-Bit-Codes.
Auf jedes Code-Feld des Typs A folgt ein Code-Feld des Typs
B. Dieses Code-Feld des Typs B trägt jeweils ein zum Code-
Feld A komplementäres Muster derart, daß anstelle der
schmalen Striche im Feld A an der jeweiligen Stelle im Feld
B breite Striche gesetzt sind und umgekehrt. In Fig. 3 ist
der Deutlichkeit halber das auf das erste Code-Feld A
folgende, nächste Code-Feld B nochmals direkt unter das
Code-Feld A gezeichnet worden. Auf diese Weise bleibt der
integrale Lichtfluß durch die zwei benachbarten Code-Felder
A und B konstant.
Da der Abstand (k) zwischen den Strichen der Code-Felder
konstant ist und von der digitalen Codierung unbeeinflußt
bleibt, die ja allein die Strichbreite betrifft, kann die
Gitterteilung (11) des Maßstabs (1) wie in Fig. 4 dar
gestellt auch von einem herkömmlichen inkrementalen Lese
kopf abgetastet werden. Dieser besitzt ein Gegengitter (5),
(siehe auch die Aufsicht nach Fig. 4b), oder aus ent
sprechend mehr Gegengittern, die jeweils um ein Viertel der
Gitterkonstante gegeneinander verschoben sind, wie das für
inkrementale Meßsysteme zur Erzeugung von Gegentaktsignalen
und zur Ableitung der Richtungsinformation der Verschiebung
des Maßstabs (1) üblicherweise der Fall ist. Das Gegen
gitter (5) ist im Abstand D = nd²/lambda hinter der Maß
stabs-Gitterteilung (11) angeordnet, der dem ersten
Talbot′schen Streifenabstand entspricht. Hierbei ist n = 1,
d die Gitterkonstante des Maßstabgitters und lambda die
Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle (2). Das durch die
Strichteilung des Maßstabs (1) und das Gegengitter (5)
hindurchtretende Licht wird von einer Sammellinse (6) auf
einen bzw. bei Verwendung mehrerer Gegengitter auf
entsprechend viele Detektoren (7) fokussiert.
Das Gegengitter (5) besitzt die gleiche Gitterkonstante (k)
wie die Teilung (11) des Maßstabs (1), die somit in
herkömmlicher Weise inkremental abgetastet werden kann.
Die Breite der schmalen Striche (a) der Strichteilung (11)
beträgt etwa 1/3 der Breite der breiten Striche (b). Dieses
Verhältnis von 1 : 3 wurde gewählt, damit bei der Abtastung
der Gitterteilung (11) im ersten Talbot′schen Streifen
abstand die zweite Oberwelle des Gitterbildes ausgewertet
werden kann.
Da das Gegengitter (5) in Verbindung mit der Linse (6) den
Lichtfluß über zwei bis vier Code-Felder A bzw. B der
Strichteilung (11) integriert und wie ausgeführt die Trans
parenz jeweils eines Paares von Code-Feldern A/B mit Hilfe
des komplementären Musters konstant gehalten wird, ergibt
sich für das Signal des Detektors (7) der in Fig. 5
skizzierte Verlauf. Danach bleibt der integrale Gleich
lichtpegel konstant und unbeeinflußt von der absoluten
Codierung über die Strichbreite. Dieses Signal läßt sich
dann ohne zusätzlichen elektronischen Mehraufwand für die
Kompensation von Gleichlichtschwankungen gut weiter
verarbeiten und insbesondere auch interpolieren, was
unbedingt erforderlich ist, wenn das Positionsmeßsystem
eine hohe Auflösung erreichen soll.
Mit dem in Fig. 1-3 dargestellten, rein absoluten Längen
meßsystem lassen sich Auflösungen von besser als 1 µm
erzielen, wenn man davon ausgeht, daß das CCD-Array (4)
1024 lichtempfindliche Pixel mit einer Pixelbreite von
11 µm besitzt und z. B. mit einem 20-fachen Subpixeling oder
mehr gearbeitet wird, d. h. die Kante des
Hell/Dunkelübergangs eines auf das CCD-Array (4)
abgebildeten Striches der Gitterteilung wird über die
Intensität des Pixelsignals auf besser als 1/20 der Pixel
breite bestimmt.
Arbeitet man mit einer Gitterkonstante (k) von 100 µm und
einem 16-Bitmuster in der Gitterteilung (11), so besitzen
zwei aufeinander folgende Codefelder A + B eine Länge von
3,2 mm, d. h. es sind immer mindestens drei Paare von Code
feldern A/B gleichzeitig auf die lichtempfindliche Fläche
des CCD-Arrays (4) von ca. 12 mm Länge abgebildet. Somit
läßt sich die absolute Lageinformation mit relativ hoher
Sicherheit auch dann generieren, wenn eines der Codefelder
beschädigt oder verschmutzt ist.
Da sich mit einem 16-Bit-Muster außerdem mehr als 65.000
verschiedene Positionen codieren lassen, können mit einem
solchen Muster mit einer Gitterkonstante von 100 µm Maß
stäbe bis zu einer Länge von über 200 m absolut codiert
werden.
Die erfindungsgemäße Gitterteilung mit absoluter Codierung
der Lageinformation über das Steg/Lücke-Verhältnis der
Strichteilung läßt sich auch in einem Winkelmeßsystem
einsetzen. Dieser Fall ist in Fig. 6 dargestellt. Der dort
mit (101) bezeichnete Teilkreis des Winkelmeßsystems trägt
eine Strichteilung (101), die der Strichteilung (11) in
Fig. 3 bis auf die leichte Neigung der Gitterstriche
aufgrund der Krümmung des Teilkreises (101) weitgehend
entspricht.
Abgetastet wird die Strichteilung (111) von zwei
Detektoren: Der Detektor (104) ist entsprechend dem in
Fig. 1 dargestellten aufgebaut und enthält ein CCD-Array,
auf das die Strichteilung (111) abgebildet wird und das ein
die absolute Winkellage des Teilkreises (101) charakteri
sierendes Signal liefert. Der Detektor (105) ist ein
inkrementaler photoelektrischer Lesekopf der Art, wie er in
Fig. 4a dargestellt ist. Das von diesem Lesekopf
abgegebene zyklische Signal ist einem Zähler (106)
zugeführt, dessen Ausgang somit ein zweites, die Winkel
position beschreibendes Signal abgibt.
Beide Signale werden in einem Logikbaustein (107)
miteinander kombiniert. Dort können z. B. beide Signale auf
Plausibilität geprüft werden, wobei ein Auseinanderlaufen
der Lageinformation von beiden Detektoren erkannt wird, was
auf einen Defekt in einem oder dem anderen Meßsystem
schließen läßt.
Die beiden parallel gewonnenen Winkelwerte können auch dazu
verwendet werden, den Exzenterfehler der Winkelmessung
festzustellen und durch entsprechende Subtraktion zu
eliminieren. Weiterhin ist es möglich, die absolute
Lageinformation nur in größeren zeitlichen Abständen
abzufragen und in den Zeiten dazwischen den Winkelwert
allein mit dem inkrementalen Meßsystem zu generieren.
Dieses Verfahren läßt höhere Grenzfrequenzen zu und damit
auch höhere Winkelgeschwindigkeiten des Teilkreises (101).
Weitere Vorteile, die sich aus der Kombination eines
inkrementalen und eines absoluten Meßwertgebers ergeben,
sind beispielsweise in der US-PS 5 027 526 beschrieben.
Selbstverständlich ist die Verwendung zweier verschiedener
Detektoren, eines inkrementalen Detektors und eines
absoluten Detektors unter Nutzung der damit verbundenen
Vorteile auch bei dem in den Fig. 1-3 beschriebenen
Längenmeßsystem möglich.
Claims (13)
1. Absolutes Positionsmeßsystem mit einem Teilungsträger
(1, 101), der eine Strichteilung (11, 111) trägt, die
von einer Detektoreinrichtung (4, 7, 104, 105)
abgetastet wird, um ein die Stellung des Teilungs
trägers (1) relativ zum Detektor (4, 7) charakteri
sierendes Signal zu erzeugen, wobei die Strichteilung
(11, 111) aus einer Folge von Strichen unterschied
licher Breite aber mit konstantem gegenseitigen
Abstand (k) besteht, die einen die Absolutposition des
Teilungsträger (1, 101) beschreibenden Code (A, B)
darstellt.
2. Positionsmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Strich
teilung (11, 111) aus zwei Gruppen von Strichen unter
schiedlicher Breite (a, b) besteht.
3. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-2, wobei
die Strichteilung (11, 111) photoelektrisch abtastbar
ist, jeweils eine Anzahl von (n) Strichen der Teilung
(11, 111) ein Code-Feld (A) bilden und jedem Code-Feld
der Teilung ein zweites, komplementäres Code-Feld (B)
zugeordnet ist.
4. Positionsmeßsystem nach Anspruch 3, wobei jeweils die
beiden zueinander komplementären Code-Felder (A⁶, B⁶)
in Summe die gleiche optische Transparenz besitzen wie
jedes andere Paar (A⁵, B⁵) zueinander komplementärer
Code-Felder der Strichteilung (11, 111).
5. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei
die Detektoreinrichtung (104) ein photoelektrisches
Detektor-Array (4) bestehend aus einer Vielzahl von
einzelnen Detektoren enthält.
6. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-5, wobei
die Detektoreinrichtung (104) ein CCD-Array (4) oder
ein Photodioden-Array enthält.
7. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei
die Detektoreinrichtung (104) auf einem Träger (3)
eine zweite Strichteilung (5) enthält, die in
konstantem gegenseitigen Abstand zueinander nur
Striche der gleichen Breite aufweist.
8. Positionsmeßsystem nach Anspruch 7, wobei die
Detektoreinrichtung ein photoelektrischer Lesekopf
(105) mit einem oder mehreren inkremental geteilten
Gegengittern (3/5) aus Strichen gleicher Breite und
einem oder mehreren photoelektrischen Detektoren (7)
ist.
9. Positionsmeßsystem nach Anspruch 8, wobei das Gegen
gitter (3, 5) die gleiche Teilungsperiode wie die
Strichteilung des Teilungsträgers (1) besitzt, die
Breite der Striche (5) des Gegengitters jedoch
zwischen der Breite der beiden Gruppen von Strichen
des Teilungsträgers (1) liegt.
10. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-9, wobei
die Strichteilung (11, 111) aus mehreren Code-Feldern
(A, B) besteht, die jeweils ein 16-Bit-Muster bilden.
11. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei der Teilungsträger (1) ein Maßstab eines Längen
meßsystems ist.
12. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei der Teilungsträger (101) ein Teilkreis eines
Winkelmeßsystems ist.
13. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-12,
wobei die Detektoreinrichtung zwei verschiedene
Detektoren, einen den Code der Strichteilung (11)
lesenden, ersten Detektor (4, 104) zur Bestimmung der
Absolutposition des Teilungsträgers (1), und einen die
Relativverschiebung des Teilungsträgers inkremental
messenden zweiten Detektor (3/7, 105) enthält.
Priority Applications (1)
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DE4336448 | 1993-10-26 | ||
DE4436784A DE4436784B4 (de) | 1993-10-26 | 1994-10-14 | Absolutes Positionsmeßsystem |
Publications (2)
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DE4436784A1 true DE4436784A1 (de) | 1995-04-27 |
DE4436784B4 DE4436784B4 (de) | 2005-08-18 |
Family
ID=6501017
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
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DE (1) | DE4436784B4 (de) |
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