<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Längen- oder Winkelmesssystem mit einem Massstab und einer in Messrichtung relativ zum Massstab verstellbaren Abtasteinheit, wobei der Massstab eine Messteilung aus absolut codierten Messteilungselementen und aus Inkrementatteilungselementen aufweist, die Abtasteinheit Ableseeinrichtungen für die Ablesung der Teilungselemente nach optoelektronischen Abtastprinzipien aufweist und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Signalen dieser Ableseeinrichtungen die Momentanstellung der Abtasteinheit zum Massstab absolut bestimmt, wobei die codierten Messteilungselemente aus in serieller Codierung angebrachten, unterschiedlichen Codewörtern bestehen, die in Messrichtung abstandsweise aufeinanderfolgen und die Ableseeinrichtung ein wenigstens über die Länge zweier Codegruppen reichender,
mehrzeiliger Detektor, insbesondere ein CCD-Chip (mehrzeilige Abtastmatrix), oder ein Diodenzeilenarrays ist und wobei die in jeder möglichen Stellung der Abtasteinheit wenigstens ein Codewort vollständig erfassende Auswertungseinrichtung durch Erfassung der Relativlage des Anfanges dieses Codewortes zum Detektor und Ablesung des Codewortes die Momentanposition grobstufig und durch Erfassung der Abtastsignale der inkrementalen Messteilungselemente gegebenenfalls unter elektronischer Unterteilung durch Interpolation feinstufig bestimmt, nach Patent Nr. 397 873 (A 1661/91).
Bei der seriellen Codierung bestehen die einzelnen Elemente der Codewörter aus Strichen bzw.
Lücken, deren Breite ein ganzzahliges Vielfaches des Codierungsbits ist. Derartige Codierungen sind dem Prinzip nach unter anderem für die Warenkennzeichnung, die Preisauszeichnung usw. ebenso bekannt wie zugeordnete mehrzeilige Detektoren, mit deren Hilfe man beim Überfahren eines Codewortes das Codewort bzw. dem Codewort entsprechende Digitalsignale ablesen kann.
Eine wesentliche Überlegung der im Hauptpatent geoffenbarten Erfindung besteht darin, dass man eine ganz exakte, im wesentlichen innerhalb des Gesamtauflösungsvermögens des Messsystems punktgenaue, also der kleinsten messbaren Einheit entsprechende Erfassung einer bestimmten Massstabstelle erzielen kann, wenn man grob die momentan abgetastete Stelle durch die Erfassungslage des Codewortes über den Detektor und fein durch die bestimmte Phasenlage der aus der Abtastung der Inkrementalteilungselemente erhaltenen Analogsignale definiert, wobei durch die Phasenlage der momentane Messpunkt genau definiert und die Absolutlage dieses Messpunktes durch das ausgelesene Codewort bestimmt ist.
Die Gesamtspurbreite der Messteilung kann, abhängig von der Art des verwendeten Detektors gleich oder kleiner als eine normale Inkrementalspur sein, wobei die Codierung, da sie nur aus Strichen und Lükken verschiedener Breite besteht, verhältnismässig einfach angebracht werden kann.
Zur Vereinfachung der Auswertung und Messung besteht nach einer Weiterbildung der Grundsatzkonstruktion beim Hauptpatent jedes Codewort aus einer die jeweilige Massstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung und einem vorgeordneten für alle Wörter gleichen Startzeichen, wobei die Auswertungseinrichtung die Relativlage dieses Startzeichens zum Detektor erfasst, das Codewort erkennt und zusätzlich die Phasenlage der analogen Abtastsignale der Inkrementalteilung bestimmt.
Die Zeilenbreite des Detektors, die Breite der Codierungsbits der Codewörter und die Intervalle der inkrementalen Messteilungselemente werden aneinander angepasst, wobei als mehrzeilige Detektoren CCDChips oder Diodenzeilenarrays Verwendung finden können. Je nach der Art des verwendeten Detektors kann ihre Beleuchtung über den Massstab mit gepulstem oder Konstantlicht erfolgen. Die Inkrementalteilung kann in Form von Teilungsabschnitten zwischen die Codewörter in der gleichen Spur eingefügt sein oder, meist vorteilhafter, in einer getrennten Spur angebracht sein, wobei dann sogar eine Abtastung der codierten Spur und der Inkrmenentalspur nach verschiedenen Abtastprinzipien und/oder unter Einhaltung verschiedener Abtastabstände möglich ist.
Derzeit können bei CCD-Chips und Diodenarrays Pixelbreiten in der Grössenordnung von 10 um erreicht werden, so dass eine relativ feine Teilung der beiden Messteilungen möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Längen- oder Winkelmesssystem nach dem Hauptpatent
Massnahmen vorzusehen, die die Ablesegenauigkeit erhöhen und gewährleisten, dass in jeder Stellung der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab die momentane Stelle eindeutig definierende Signale erhalten werden.
Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, dass die Breite der Codierungsbits der Codewörter ein ganzzahliges Vielfaches, wenigstens das Zweifache der Zeilen (Pixel-) breite des Detektors beträgt.
Es wird dadurch erreicht, dass jeweils wenigstens eine Zeile des Detektors auf ein Codierungsbit des erfassten Codewortes gerichtet ist, so dass eindeutige Aussagen bei der Ablesung erhalten werden.
Eine weitere Erhöhung der Ablesegenauigkeit ergibt sich dadurch, dass nach einer Weiterbildung des
Erfindungsgedankens in der Messteilung zwischen alle aufeinanderfolgenden, ein Codewort bestimmenden
Codierungsbits Leerbits (Stege) eingefügt sind, deren Breite jener der Codierungsbits entspricht.
Bei der vorgesehenen digitalen Ablesung bestimmt im einfachsten Fall Jedes Codierungsbit der seriellen Strichcodierung den Abtesewert"high"oder"tow". atso sinngemäss im Binärcode den Wert"1" bzw. "0". Bei unmittelbarer Aufeinanderfolge der Codierungsbits könnten bei der relativen Feinheit der
<Desc/Clms Page number 2>
Teilung beim Auftreten von Führungsfehlern bzw. Abstandsänderungen zwischen Massstab und Ableseeinheit sowie durch Beugungseffekte Unterscheidungsfehler auftreten. Zum Beispiel könnten Unsicherheiten bei der Unterscheidung der als einfache Illustration gewählten Codeworte 0 1 1 1 0 und 0 0 1 1 0 auftreten.
Ordnet man den Leerbits den gleichen Wert wie einem Codebit "0" zu, so ergibt sich bei der Ablesung der Codeworte, bei denen die Codebits durch Leerbits getrennt sind, für den obigen Fall die Ablesung 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0, die sich eindeutig von der Ablesung des zweiten Wortes 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 unterscheiden lässt. Es ist lediglich notwendig, entsprechend vielzeilige Detektoren zu verwenden, um die Bildung einer ausreichenden Anzahl von Codewörtern zur eindeutigen Definition der einzelnen Massstabstellen zu ermöglichen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind als Beleuchtungseinrichtung für die Messteilung eine oder mehrere Laserdioden vorgesehen. Durch die Verwendung dieser Beleuchtungseinrichtungen wird ein hoher Kontrast am Detektor erzielt, da die Laserdioden einen extrem kleinen Leuchtfleck aufweisen und daher dem Ideal einer punktförmigen Lichtquelle nahekommen, wobei überdies im wesentlichen monochromatisches Licht abgestrahlt wird.
Schliesslich ist bei einem Messsystem, bei dem jedes Codewort aus einer die jeweilige Massstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung und einem vorgeordneten, für alle Codewörter gleichen Startzeichen besteht und die Auswertungseinrichtung die Relativlage des jeweils im Detektorbereich befindlichen Startzeichens zum Detektor erfasst, noch vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung die bei der Abtastung der Endkante des Startzeichens im Detektor auftretende Signalflanke bzw. deren Anstieg erfasst und zur Lagebestimmung auswertet. Es wird dadurch bei einem Detektor mit einer Pixelbreite von z.
B. 20 u. m durch Triggerung eines bestimmten Punktes des Flankensignales möglich, eine Auflösung zu erzielen, die besser als 5 um ist, so dass für viele Messzwecke bereits mit der codierten Messteilung und dem zugeordneten Detektor das Auslangen gefunden werden könnte und die Inkrementalteilung nur für noch feinere Auflösungen benötigt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen
Fig. 1 in schematisierter Darstellungsweise im Blockschema ein als Längenmesssystem ausgebildetes
Messsystem und
Fig. 2 in stark vergrösserter und vereinfachter Darstellungsweise übereinander die Teilung eines
Zeilendetektors in Zuordnung zu einem Teilstück der erfindungsgemäss codierten Messteilung.
Nach Fig. 1 ist ein transparenter Massstabkörper 1 vorhanden, der eine Messteilung aufweist, die jeweils aus einem in serieller Codierung angebrachten, eine bestimmte Massstabstelle kennzeichnenden Codewort 2, einem Startzeichen 3 und einer in einer zweiten Spur angebrachten Inkrementalteilung 4 besteht, wobei die Codeteilung 2 und die Inkrementalteilung die gleiche Grundteilung aufweisen und die Inkrementalteilung 4 in üblicher, aber nicht dargestellter Weise aus gleich grossen Hell- und Dunkelfeldern gebildet wird. Eine aus einer oder mehreren Laserdioden 5 bestehende Beleuchtungseinrichtung beleuchtet die Messteilung 2 bis 4.
Für die Abtastung des Massstabes dient eine relativ zu ihm in Längsrichtung verstellbare Abtasteinheit, wobei die Laserdiode 5 ein Teil dieser Abtasteinheit ist und letztere noch einen vielzeiligen Detektor 6, der auf die Codeteilung 2, 3 ausgerichtet ist und Startzeichen 3 und Codewort 2 erfasst, sowie zwei Abtastgitter 7,8, von denen das eine (8) gegenüber der Teilung 6 um Teilungsbruchteile versetzt ist, zugeordnete photoelektrische Empfänger 9,10 und eine Auswertungseinheit 11 enthält. An den Empfängern 9,10 werden beim Ausführungsbeispiel analoge, sinusförmige und gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt.
Durch Auswertung der Phasenlage dieser Signale und durch Erfassung der Relativlage eines der vielen aufeinanderfolgend jeweils mit Startzeichen vorgesehenen Codeworte 2 zur Abtasteinheit sowie des jeweiligen Codewortes selbst ist die momentan abgetastete Massstabstelle genau erfassbar, so dass die Auswertungseinheit 11 das Momentanmass absolut angeben kann, wie dies auch im Hauptpatent beschrieben ist. Vorzugsweise wird zusätzlich zur Erfassung der Phasenlage der Analogsignale für die Bestimmung der Momentanlage auch der in der jeweils überstrichenen Zeile des Detektors 6 vom Startzeichen 3 erzeugte flankenartige Signalanstieg erfasst, wobei bei einem Messpunkt die momentane Signalhöhe dieser Flanke eine relativ genaue Auflösung in der Grössenordnung von derzeit 5 um ermöglicht.
Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Breite der Codierungsbits 12,13 beim Codewort 2 der zweifachen Breite der Einzeizeilen 14 des Zeilendetektors 6 entspricht. Die Codierungsbits 12, 13 würden bei der Ablesung die Werte "1" bzw. "0" repräsentieren. Das bruchstückhaft wiedergegebene Codewort nach Fig. 2 wurde an sich 1 0 1 1 0 0 1 lauten. Zur Verbesserung der Unterscheidungsgenauigkeit sind aber zwischen die Codierungsbits Leerbits 15 eingefügt, die nur der besseren Unterscheidbarkeit halber in Fig. 2 schraffiert und nicht geschwärzt dargestellt wurden. Das nun gezeigte Codewort wird vom Detektor als 0 1 0 0 0 1 0 1