DE9421534U1

DE9421534U1 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE9421534U1
Application number: DE9421534U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2004-08-13

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 23. November 1995

Pos itionsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und Abmessung von Prüfobjekten eingesetzt.

&ogr; Die an den Referenzmarken erzeugten elektrischen Impulse können zum Reproduzieren von Referenzpositionen im Zähler, zum Anfahren einer bestimmten Position zu Beginn oder nach Unterbrechungen einer Messung, zur Kontrolle und Korrektur des Zähler-Standes sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung dienen.

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Um bei inkrementalen Meßeinrichtungen die Referenzpositionen zu ermitteln, sind zwei Grundprinzipien bekannt:

Bei dem einen Prinzip ist parallel zur Inkrementalteilung eine Reihe von identischen Referenzmarken in festgelegten Abständen angebracht. Jeder Referenzmarke, die beim Meßvorgang zur Wirkung gelangen soll, ist ein Schaltmittel zugeordnet. Die elektrischen Ausgänge des Schaltmittels und des Abtastelementes der Referenzmarken sind an eine Auswerteeinheit angeschlossen, die nur dann einen Steuerimpuls an den Zähler abgibt, wenn gleichzeitig am Abtastelement der Referenzmarke und am Schaltmittel ein elektrisches Signal anliegt. Der Steuerimpuls bewirkt, daß im Zähler ein vorbestimmter Zählerwert gesetzt wird. Eine derartige Meßeinrichtung ist beispielsweise aus der DE 25 40 412 C3 bekannt.

Bei dem weiteren Prinzip ist ebenfalls parallel zur Inkrementalteilung zumindest eine Referenzmarkenspur mit gleichen Referenzmarken angeordnet. Jede Referenzmarke hat von einer anderen Referenzmarke einen besonderen, die Referenzmarke kennzeichnenden Abstand. Diese unterschiedlichen Abstände zwischen Referenzmarken werden durch die Abtastung der inkrementalen Teilung durch Zählen der Meßschritte (Inkremente) bestimmt. Eine derartige Meßeinrichtung ist beispielsweise aus der DE 24 16 212 C bekannt .

Es wurde bereits versucht Meßeinrichtungen zu schaffen, bei denen beide Prinzipien in einer Positionsmeßeinrichtung vereinigt sind. Eine dieser Meßeinrichtungen ist in der DE 39 14 739 C2 beschrieben. Parallel zur Inkrementalspur ist eine

Referenzmarkenspur angeordnet, in der nur identische Referenzmarken in aufeinanderfolgend unterschiedlichen Abständen angeordnet sind. Durch Auszählen der Inkremente von einer Referenzmarke zur nächsten, wird deren absolute Position bestimmt. Eine weitere Spur weist eine Reihe von Markierungen auf, die in gleichen Abständen angeordnet sind. Zur Auswahl von Referenzmarken sind diese Markierungen bestimmten Referenzmarken zugeordnet. Aus diesen Markierungen kann wiederum eine ausgewählt werden, wodurch nur die ihr zugeordnete Referenzmarke zur Wirkung gebracht wird. Weiterhin ist ein Betriebsarten-Umschalter vorgesehen, mit dem die Auswertung aller Referenzmarken nach dem Prinzip der Abstandscodierung oder die Auswertung nur der markierten Referenzmarken ermöglicht wird.

Diese Positionsmeßeinrichtung hat den Nachteil, daß zur Auswahl von gleichbeabstandeten Referenzmarken eine zusätzliche Spur erforderlich sowie zur weiteren Auswahl einer der Markierungen eine dritte Spur erforderlich wird. Darüberhinaus müssen die Markierungen den Referenzmarken exakt zugeordnet werden, was aufwendige Justierarbeiten erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei großen Meßlängen aufeinanderfolgende Referenzmarken einen großen Abstand zueinander aufweisen müssen, um über die gesamte Meßlänge unterschiedliche Abstände zu erreichen. Der kürzest mögliche Abstand der Markierungen der zweiten Spur entspricht aber dem größten Abstand der Referenzmarken, so daß die mittels der Markierungen ausgewählten Referenzmarken für das zweite Meßprinzip einen für die Praxis zu großen Abstand aufweisen.

Um diesen zuletzt genannten Nachteil zu beheben, sind gemäß der DE 42 44 178 Al - von der diese Erfindung ausgeht - zumindest zwei Spuren mit Referenzmarken vorgesehen. Dies hat den Nachteil, daß neben der Inkrementalteilung relativ viel Platz zur Verfügung stehen muß, und daß die Abtasteinheit eine große Breite aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Vereinheitlichung der Positionsmeßeinrichtung die Herstellungs- und Lagerkosten zu reduzieren und eine breite Einsatzmöglichkeit zu gewährleisten, wobei gleichzeitig eine geringe Baugröße der Positionsmeßeinrichtung erreicht werden soll. 15

Diese Aufgabe wird durch die Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche angegeben.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Positionsmeßeinrichtung den Bedürfnissen des Anwenders leicht angepaßt werden kann, und trotzdem eine geringe Baugröße aufweist.

Mit Hilfe eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt

Figur 1 eine lichtelektrische inkremen-

tale Längenmeßeinrichtung; 35

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Figur 2 den Maßstab der Langenmeßeinrichtung;

Figur 3 einen Ausschnitt des Maßstabes gemäß Figur 2;

Figur 4 einen weiteren Ausschnitt des Maßstabes gemäß Figur 2;

Figur 5 ein Signaldiagramm;

Figur 6 ein zweites Signaldiagramm;

Figur 7 ein drittes Signaldiagramm und 15

Figur 8 ein Prinzip zur Ermittlung der Absolutposition.

Die Figur 1 zeigt eine lichtelektrische inkrementa-Ie Längenmeßeinrichtung mit einem Maßstab 1/ der relativ zu einer Abtasteinheit 2 in Meßrichtung X verschiebbar ist. Auf dem Maßstab I₇ der in Figur 2 im Detail dargestellt ist, ist in einer Spur eine Inkrementalteilung 3 sowie in einer weiteren Spur 4 eine Vielzahl von Referenzmarken Al bis A9 und Bl bis B8 aufgebracht. Zur lichtelektrischen Abtastung der Inkrementalteilung 3 und der Spur 4 ist die Abtasteinheit 2 vorgesehen. Diese umfaßt eine Lichtquelle 6₇ deren Licht von einem Kollimator 7 gebündelt und auf den Maßstab 1 gerichtet wird. Das Licht fällt durch die transparenten Bereiche der Inkrementalteilung 3 sowie der Referenzmarken Al bis A9, Bl bis B8 sowie durch die Abtastplatte 8 auf eine photoelektrische Empfängeranordnung 9.

Wie in Figur 2 im Detail dargestellt ist, weist die Inkrementalteilung 3 gleichbreite Striche und Lücken auf. Bei der lichtelektrischen Abtastung werden periodische analoge elektrische Signale erzeugt, aus denen in bekannter Weise durch Triggerung zählbare Rechtecksignale gebildet werden, die nachfolgend als Zählsignale bezeichnet werden.

Parallel zur Inkrementalteilung 3 sind in der Spur 4 zwei Folgen unterschiedlich ausgebildeter Referenzmarken Al bis A9 sowie Bl bis B8 aufgebracht. Die erste Folge gleicher Referenzmarken Al bis A9 ist in aufeinanderfolgend unterschiedlichen Abständen al bis a8 vorgesehen. Die zweite Folge gleicher Referenzmarken Bl bis B8 ist in aufeinanderfolgend gleichen Abständen bl bis b7 = 50mm aufgebracht. Zur Unterscheidung der zwei Folgen von Referenzmarken Al bis A9 sowie Bl bis B8 sind sie in Figur 2 durch unterschiedlich hohe Striche dargestellt. Tatsächlich besteht jede einzelne Referenzmarke Al bis A9 und Bl bis B8 aus einer Kombination von opaken Strichen und transparenten Lücken, die sich über mehrere Inkremente der Inkrementalteilung 3 erstreckt. In Figur 3 ist eine einfach ausgebildete Referenzmarke Al und in Figur 4 eine Referenzmarke Bl dargestellt. In der Praxis reichen diese Referenzmarken Al, Bl nicht nur über 8 Inkremente der Inkrementalteilung 3, sondern über eine Vielzahl, beispielsweise etwa 70. Durch geschickte Kombinationen der opaken Striche und transparenten Lücken einer Referenzmarke Al, Bl erreicht man, daß bei der Abtastung ein schmaler, auf einen inkrementellen Zählimpuls zentrierter Referenzmarkenimpuls RA, RB entsteht.

Zur Abtastung der Referenzmarken Al bis A9 und Bl bis B8 sind in der Abtasteinheit 2 zwei Abtastfelder 8A, 8B vorgesehen. Das Abtast feld 8A hat eine Strich-Lücken-Verteilung wie die Referenzmarken Al bis A9. Die Strich-Lücken-Verteilung des Abtastfeldes 8B entspricht der Strich-Lücken-Verteilung der Referenzmarken Bl bis B8. Bei der Abtastung jeder Referenzmarke Al bis A9 mit dem Abtastfeld 8A wird im zugeordneten Empfangsfeld 9A ein Signal A mit der Amplitude S erzeugt, das in Figur 5 dargestellt ist. Bei der Abtastung jeder Referenzmarke Bl bis B8 mit dem Abtastfeld 8B wird im zugeordneten Empfangsfeld 9B ein Signal B erzeugt, das in Figur 6 dargestellt ist. Durch Triggerung der Signale A, B wird jeweils ein Referenzmarkenimpuls RA, RB mit der Breite entsprechend etwa einem Inkrement der Inkrementalteilung 3 erzeugt. Da die zwei Folgen von Referenzmarken Al bis A9 sowie Bl bis B8 in einer einzigen Spur 4 ineinander verschachtelt angeordnet sind, ist es wesentlich, daß die Referenzmarken Al bis A9 sowie Bl bis B8 derart ausgebildet sind, daß bei der Abtastung der Referenzmarken Al bis A9 mittels des Abtastfeldes 8B sowie bei der Abtastung der Referenzmarken Bl bis B8 mittels des Abtastfeldes 8A kein Referenzimpuls RB oder RA erzeugt wird. Wie in Figur 7 dargestellt ist, liegt in beiden Fällen der von den entsprechenden Empfangsfeldern 9B, 9A erzeugte Pegel S des Signales C unterhalb des zur Bildung eines Referenzimpulses RB oder RA erforderlichen Signalpegels T.

Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung eines Maßstabes 1 ist es möglich, daß der Anwender selbst zwischen zwei Betriebsarten auswählen kann. Bei der

ersten Betriebsart wird nur die erste Folge von Referenzmarken Al bis A9 ausgewertet, indem ausschließlich die Referenzmarkenimpulse RA einer Auswerteeinheit 13 zugeführt werden. In bekannter Weise wird durch Zählung der Inkremente zwischen zwei aufeinanderfolgenden Referenzmarken Al bis A9 jeder Referenzmarke Al bis A9 eine Absolutposition eindeutig zugeordnet. Hierzu ist in einem Speicherbereich der Auswerteeinheit 13 für jeden Abstand al bis a8 eine Absolutposition abgespeichert. Die Zuordnung einer Absolutposition kann auch durch mehrere Abstände al bis a8 erfolgen, wie in der EP 0 246 404 A2 beschrieben ist.

Bei der zweiten Betriebsart wird nur die zweite Folge von gleichbeabstandeten Referenzmarken Bl bis B8 in an sich bekannter Weise (DE 25 40 412 C3) ausgewertet. Hierbei wird ebenfalls die Inkrementalteilung 3 zur Erzeugung von Zählsignalen abgetastet. Einer der Referenzmarken Bl bis B8 ist ein Auswahlmittel 11 zugeordnet, wodurch diese Referenzmarke Bl beim Überfahren mit der Abtasteinheit 2 aus der Reihe von Referenzmarken Bl bis B8 auswählbar ist und somit nur diese z.ur Wirkung gebracht wird. Beim Erkennen dieser ausgewählten Referenzmarke Bl wird der Zählerstand des Positionsanzeigegerätes auf einen vorbestimmten Wert gesetzt. Wie in Figur 8 schematisch dargestellt, ist hierzu in der Auswerteeinheit 13 ein Speicherbereich vorgesehen, in dem diese, der Referenzmarke Bl zugeordnete Absolutposition abgespeichert ist.

Als Auswahlmittel ist in Figur 1 ein Magnet 11 dargestellt, der beim Vorbeibewegen der

Abtasteinheit 2 einen darauf angebrachten Hallgenerator 12 ansteuert. Der Hallgenerator 12 erzeugt ein Auswahlsignal/ das der Auswerteeinheit 13 zugeführt wird, so daß nur beim gleichzeitigen Auftreten des Auswahlsignales sowie des Referenzmarkenimpulses RB eine Absolutposition ausgegeben wird. Anstelle der Absolutposition kann auch nur ein Steuersignal an ein Positionsanzeigegerät oder eine numerische Steuerung gegeben werden.

Zur Umschaltung zwischen den zwei beschriebenen Betriebsarten ist ein Auswahlmittel 10 vorgesehen. Dieses Auswahlmittel 10 ist vorzugsweise als Umschalter an der Abtasteinheit 2 oder dem Positionsanzeigegerät ausgebildet, so daß entweder die Referenzmarkenimpulse RA oder RB der Auswerteeinheit 13 zugeführt werden.

Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Betriebsart bereits beim Hersteller, z.B. durch Verlöten einer bestimmten Verbindung in der Abtasteinheit 2 ausgewählt wird.

Ebenso kann die Auswahl durch Abdecken des nicht verwendeten Empfangs feldes 9A oder 9B bzw. des nicht verwendeten Abtastfeldes 8A oder 8B erfolgen. Hierzu können auch von außen betätigbare Blenden eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Betriebsartenauswahl besteht darin, daß eine Abtastplatte 8 mit nur einem Abtastfeld 8A oder 8B und/oder ein Empfänger 9 mit nur einem Empfangsfeld 9A oder 9B eingesetzt wird.

Die Erfindung kann auch bei Winkelmeßeinrichtungen erfolgreich eingesetzt werden. Sie ist darüberhinaus nicht auf das lichtelektrische Abtastprinzip beschränkt, sondern beispielsweise auch bei magnetischen Meße'irorich'fcuijgKs' ersetzbar.

Claims

Ansprüche

Positionsmeßeinrichtung mit wenigstens einer Inkrementalteilung (3), die von einer Abtasteinheit (2) zur Bildung von Zählsignalen abgetastet wird, und mit einer ersten Folge von gleichen Referenzmarken (Al bis A9), die in unterschiedlichen Abständen (al bis a8) angeordnet sind, so daß diese Referenzmarken (Al bis A9) durch charakteristische Abstände (al bis a8) zwischen mehreren Referenzmarken (Al bis A8) dieser Folge unterscheidbar sind, sowie mit zumindest einer weiteren Referenzmarke (Bl bis B8), dadurch gekennzeichnet/ daß die erste Folge von Referenzmarken (Al bis A9) und die zumindest weitere Referenzmarke (Bl bis B8) in einer einzigen Spur (4) vorgesehen sind/ wobei sich die Referenzmarken (Al bis A9) der einen Folge von der zumindest einen weiteren Referenzmarke (Bl bis B8) dieser Spur (4) unterscheiden.
2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß in der Spur (4) eine erste Folge von gleichen Referenzmarken (Al bis A9) in unterschiedlichen Abständen (al bis a8) sowie eine zweite Folge von gleichen Referenzmarken (Bl bis B8) in aufeinanderfolgend gleichen Abständen (bl bis b7) angeordnet sind/ wobei

sich die Referenzmarken (Al bis A9) der einen Folge von den Referenzmarken (Bl bis B8) der zweiten Folge unterscheiden.
3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Referenzmarken (Al bis A9, Bl bis B8) aus einer Reihe von aufeinanderfolgenden opaken oder nicht reflektierenden Strichen sowie transparenten oder reflektierenden Lücken besteht, die von der Abtasteinheit (2) lichtelektrisch abgetastet werden, wobei in der Abtasteinheit (2) ein erstes Abtastfeld (8A) mit identischer Strich-Lücken-Verteilung wie die Referenzmarken (Al bis A9) der ersten Folge und/oder ein zweites Abtastfeld (8B) mit identischer Strich-Lücken-Verteilung wie die zumindest eine weitere Referenzmarke (Bl bis B8) enthalten ist, und daß sich das Strich-Lücken-Verhältnis der Referenzmarken (Al bis A9) der ersten Folge von dem Strich-Lücken-Verhältnis der zumindest einen weiteren Referenzmarke (Bl bis B8) derart unterscheidet, daß bei der Abtastung einer Referenzmarke (Al bis A9) der ersten Folge mit dem zweiten Abtastfeld (8B) sowie bei der Abtastung der zumindest einen weiteren Referenzmarke (Bl bis B8) mit dem ersten Abtastfeld (8A) kein Referenzimpuls (RA, RB) erzeugt wird.
4. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswahlmittel (10) vorgesehen ist, mit dem wahlweise folgende Betriebsarten auswählbar sind:

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a) Abtasten der Inkrementalteilung (3) und gleichzeitig die erste Folge von Referenzmarken (Al bis A9) zur Erzeugung eines Referenzmarkenimpulses (RA) an jeder dieser Referenzmarken (Al bis A9), wobei die Referenzmarkenimpulse (RA) einer Auswerteeinheit (13) zugeführt werden, welche die Absolutposition einer Referenzmarke (Al bis A9) aus den durch Zählsignale gewonnenen charakteristischen Abständen (al bis a8) zwischen Referenzmarken

(Al bis A9) ermittelt oder

b) Abtasten der Inkrementalteilung (3) und gleichzeitig der zweiten Folge von Referenzmarken (Bl bis B8), wobei zumindest einer

dieser Referenzmarken (Bl bis B8) ein Auswahlmittel (11) zugeordnet ist, auf dessen Veranlassung wenigstens diese Referenzmarke (Bl bis B8) ausgewählt und ein Referenzmarkenimpuls (RB) der Auswerteeinheit (13) zuge

führt wird.
5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswahlmittel (10) zur Betriebsartenauswahl a) oder b) ein an der Positionsmeßeinrichtung angebrachter elektrischer Umschalter ist.
6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswahlmittel (10) zur Betriebsartenwahl a) oder b) eine Abdeckung ist, die in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle (6) und einem dem ersten Abtastfeld (8A) zugeordneten ersten Empfangsfeld (9A) oder in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle (6) und

einem dem zweiten Abtastfeld (8B) zugeordneten zweiten Empfangsfeld (9B) vorgesehen ist.
7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einer Referenzmarke (Bl bis B8) zugeordnete Auswahlmittel ein Magnet (11) ist₇ der von einem Hallgenerator (12) der Abtasteinheit (2) abgetastet wird.