DE4436784A1 - Absolutes Positionsmeßsystem - Google Patents

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.