CH638891A5

CH638891A5 - Photoelektrische inkrementale laengen- und winkelmessvorrichtung.

Info

Publication number: CH638891A5
Application number: CH408079A
Authority: CH
Inventors: Guenther Dr Ing Nelle
Original assignee: Heidenhain Gmbh Dr Johannes
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1979-05-02
Publication date: 1983-10-14
Also published as: ATA339779A; DE2826213A1; FR2434367A1; FR2434367B1; US4297033A; JPS554592A; DE2826213B2; JPS6337322B2; GB2024416B; AT381166B; GB2024416A

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische inkrementale nische Unterteilung kann daher entfallen. Weiter wird ein Längen- und Winkelmessvorrichtung mit parallelem Beleuch- grösserer Abstand zwischen Massstab und Abtastplatte mit tungsstrahlengang zur Messung der Relativlage zweier Ob- 45 einer grösseren Toleranz erzielt, die leichter einzuhalten ist. jekte ohne abbildende optische Mittel zwischen einem Mass- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichstab und einer Abtastplatte, die jeweils ein Strichgitter mit ei- nung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert, ner bestimmten Gitterkonstanten aufweisen und in einem bestimmten parallelen Abstand voneinander relativ zueinander Es zeigen:

verschiebbar sind. Figur 1 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel

Bei inkrementalen Längen- und Winkelmessgeräten wer- einer Längenmessvorrichtung nach der Erfindung,

den (innerhalb der Inkremente wegabhängige) elektrische Si- Figur 2 eine schematische Darstellung der photoelektri-

gnale dadurch erzeugt, dass ein Massstab und eine Abtast- sehen Einrichtung und platte mit jeweils einer bestimmten Gitterkonstanten in be- Figur 3 eine graphische Darstellung der Intensitätsvertei-

stimmtem Abstand voneinander relativ zueinander verscho- lung des Lichtstroms hinter dem Strichgitter des Massstabs ben werden. Dadurch entstehen bei geeigneter Beleuchtung als Funktion des Abstands der Messebene für die Intensitäts-

Heil-Dunkel-Schwankungen, die mit lichtelektrischen Wand- Verteilung zum Massstab.

lern (z.B. Photoelementen) in elektrische Signale umgewan- Gemäss Figur 1 ist am Bett 1 einer Bearbeitungs- oder delt werden, deren Grösse und Zahl ein Mass für die Relativ- Messmaschine eine gekapselte Längenmessvorrichtung nach

Verschiebung zwischen Massstab und Abtastplatte ist. einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Gehäuse

Bei den bekannten inkrementalen Messvorrichtungen be- 2 in Form eines Hohlprofils durch eine Schraube 3 befestigt, sitzen Massstab und Abtastplatte nahezu die gleiche Gitter- In diesem Gehäuse 2 ist mittels einer elastischen Klebeschicht konstante. Optimale optische Signale werden nur in bestimm- 4 ein Massstab 5 mit einem Strichgitter angebracht, auf dem tem, beugungs- bzw. abbildungstechnisch bedingtem Ab- sich über Rollen 6 eine Abtasteinheit 7 abstützt, die eine Abstand zwischen Massstab und Abtastplatte erzeugt. Dieser tastplatte 8 (Figur 2) mit einem Strichgitter zur Abtastung des Abstand muss für eine sichere Funktion des Gerätes mit einer Strichgitters des Massstabs 5 aufweist. An einem relativ zum bestimmten Toleranz eingehalten werden. Bei Beleuchtung ei- Bett 1 der Bearbeitungs- oder Messmaschine beweglichen

3

638 891

Schlitten 9 ist ein Montagefuss 10 in beliebiger Weise befestigt, der über eine schwertförmige Verjüngung 11 durch einen mit Dichtlippen 12 versehenen Schlitz 13 des im übrigen vollständig geschlossenen Gehäuses 2 mit einem Mitnehmer 14 verbunden ist, der an die Abtasteinheit 7 angekuppelt ist und die Relativbewegung des Schlittens 9 bezüglich des Betts 1 auf die Abtasteinheit 7 überträgt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der photoelektrischen Einrichtung auf der Abtasteinheit 7, bei der das Licht einer Lampe 15 durch einen Kollimator 16, den Massstab 5 und die Abtastplatte 8 auf Abtastphotoelemente 17 fällt. Bei der Bewegung des Massstabs 5 relativ zur Abtastplatte 8 (Doppelpfeil) erzeugen die Abtastphotoelemente 17 periodische elektrische Signale, die mittels eines Anschlusses 20 in nicht dargestellter Weise über eine elektronische Auswerteeinheit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der Position des Schlittens 9 zugeleitet werden.

Gemäss einer Ausführungsart der Erfindung weisen die Gitterkonstante pM des Massstabs 5 den vierfachen Wert der Gitterkonstanten pA der Abtastplatte 8 und der Massstab 5 dementsprechend ein Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante pM von etwa 1:8 auf, während das Verhältnis von Hellfeldbreite 19 zu Gitterkonstante pA bei der Abtastplatte 8 etwa 1:2 beträgt. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Massstab 5 und der Abtastplatte 8 in einem geringen parallelen Abstand voneinander wird eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten pM des Massstabs 5 um den Faktor vier erzielt. Nur die Abtastplatte 8 weist ein Strichgitter mit einer kleinen Gitterkonstanten pA auf, die die Auflösung der Messvorrichtung bestimmt, während der Massstab 5 eine grössere Gitterkonstante pM besitzt und somit leichter und billiger herzustellen ist. Allein durch Verändern der Gitterkonstanten pA der Abtastplatte 8 kann die Auflösung der Messvorrichtung verändert werden; eine aufwendige elektronische Unterteilung kann somit entfallen.

20

30

35

In der Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung I des Lichtstroms hinter dem Strichgitter des Massstabs 5 als Funktion des Abstands der Messebene für die Intensitätsverteilung vom Massstab 5 dargestellt. Diese Intensitätsverteilung ergibt sich sinngemäss auch als Funktion des Abstandes zwischen dem Massstab 5 und der Abtastplatte 8. Bekanntlich ist bei Beleuchtung eines Strichgitters mit monochromatischem parallelem Licht die Intensitätsverteilung I des Lichts hinter dem Strichgitter infolge von Beugungserscheinungen abhängig vom Abstand, in dem die Intensitätsverteilung I gemessen wird. In einem bestimmten Abstand vom Strichgitter entsteht eine Intensitätsverteilung I mit der halben «Wellenlänge» der Gitterkonstanten des Strichgitters. Daher wird in weiterer vorteilhafter Ausbildung nach der Erfindung vorgeschlagen, die Abtastplatte 8 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,5 pM2/ X vom Massstab 5 zu führen, deren Gitterkonstante pA den halben Wert der Gitterkonstanten pM des Massstabs 5 besitzt, während der Massstab 5 ein Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante pM von 1:2 aufweist. Dabei bedeutet X der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrichtung. Durch diese Massnahme werden einmal eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten pM des Massstabs 5 um den Faktor zwei und zum anderen ein grösserer Abstand zwischen Abtastplatte 8 und Massstab 5 mit einer grösseren Toleranz erzielt, die leichter einzuhalten sind.

In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Abtastplatte 8 in einem parallelen Abstand von vorzugsweise etwa 0,1 pM2/ X vom Massstab 5 geführt, weil dort, wie aus der Figur 3 ersichtlich, sehr schmale Intensitäts-maxima entstehen, so dass ein Massstab 5 mit einem Verhältnis von Hellfeldbreite 18 zu Gitterkonstante pM von 1:2 verwendet werden kann, dessen Gitterkonstante pM den zwei- bis vierfachen Wert der Gitterkonstanten pA der Abtastplatte 8 aufweist. Mit dieser Massnahme wird somit eine optische Unterteilung der Gitterkonstanten pM des Massstabs 5 um den Faktor zwei bis vier erreicht.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

638 891 2

PATENTANSPRÜCHE nes Massstabs mit der Gitterkonstanten pM und einer Abtast-

1. Photoelektrische inkrementale Längen- und Winkel- platte mit parallelem Licht der Wellenlänge X gilt für den Abmessvorrichtung mit parallelem Beleuchtungsstrahlengang stand npM2/ X (n=0,1,2...) und für die Toleranz ± (0,1... zur Messung der Relativlage zweier Objekte ohne abbildende 0,2) pM2/ X (Machine Shop Magazine, April 1962, Seite 208). optische Mittel zwischen einem Massstab und einer Abtast- 5 In der DE-OS 1 448 504 ist eine photoelektrische Einrich-platte, die jeweils ein Strichgitter mit einer bestimmten Gitter- tung zum Messen von Längen beschrieben, bei der der Abkonstanten aufweisen und in einem bestimmten parallelen stand zwischen einem Gittermassstab und einer Gitterabtast-Abstand voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, platte k a2/ X beträgt, wobei k eine positive ganze Zahl, vor-dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterkonstante pM des zugsweise eins, a die Gitterkonstante und der X der spektrale Massstabs (5) und die Gitterkonstante pA der Abtastplatte (8) 10 Empfindlichkeitsschwerpunkt der gesamten photoelektri-

in einem ganzzahligen Verhältnis n stehen, wobei n grösser als sehen Einrichtung ist. Zur Erzielung einer Sinus- bzw. einer eins ist. Sinus2-Kurve für den Lichtstromverlauf hinter der Gitterab-
2. Längen- und Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, tastplatte ist das Verhältnis der Breite eines absorbierenden dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Hellfeld- zur Breite eines transparenten Strichs des Gittermassstabs breite ( 18,19) zu Gitterkonstante beim Massstab (5) und/oder15 merklich kleiner als 1:1, beispielsweise 3:7, gewählt, wobei die bei der Abtastplatte (8) von 1:2 abweicht. Gitterkonstante des Massstabes gleich der Gitterkonstanten
3. Längen- und Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1 der Abtastplatte ist.

oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massstab (5) ein Massstäbe und Abtastplatten mit grossen Gitterkonstan-

Verhältnis von Hellfeldbreite (18) zu Gitterkonstante pM von ten lassen sich leichter und billiger herstellen als solche mit etwa 1:2 n und die Abtastplatte (8) ein Verhältnis von Hell- 20 kleinen. Um auch dann noch hohe Auflösungen für die An-

feldbreite ( 19) zu Gitterkonstante pA von etwa 1:2 aufweisen. zeige der Relativbewegungen zwischen Massstab und Abtast-
4. Längen- und Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, platte zu erzielen, werden die elektrischen Signale der licht-dadurch gekennzeichnet, dass der Massstab (5) ein Verhältnis elektrischen Wandler häufig noch durch eine aufwendige von Hellfeldbreite ( 18) zu Gitterkonstante pM von etwa 1:2 Schaltung elektronisch unterteilt.

aufweist, dass die Gitterkonstante pM des Massstabs (5) den 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben bedoppelten Wert der Gitterkonstante pA der Abtastplatte (8) schriebenen Nachteile kleiner Gitterkonstanten und elektro-aufweist und dass der Abstand zwischen Massstab (5) und nischer Unterteilungen zu vermeiden und eine einfach aufge-Abtastplatte (8) etwa 0,5 pM2/ X beträgt, wobei X der spektrale baute Längen- und Winkelmessvorrichtung anzugeben, die Empfindlichkeitsschwerpunkt der photoelektrischen Einrich- ohne elektronische Unterteilung eine höhere Auflösung als tung ist. 30 bisher erlaubt.
5. Längen- und Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass der Massstab (5) ein Verhältnis dass die Gitterkonstante pM des Massstabs und die Gitterkon-von Hellfeldbreite ( 18) zu Gitterkonstante pM von etwa 1:2 stante pA der Abtastplatte einem ganzzahligen Verhältnis n aufweist, dass die Gitterkonstante pM des Massstabs (5) den steht, wobei n grösser als eins ist.

zwei-, drei- oder vierfachen Wert der Gitterkonstanten pA der 35 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe-

Abtastplatte (8) aufweist und dass der Abstand zwischen sondere darin, dass eine optische Unterteilung der Gitterkon-

Massstab (5) und Abtastplatte (8) etwa 0,1 pM2/ X beträgt, wo- stanten beispielsweise des Massstabs um den Faktor n erzielt bei X der spektrale Empfindlichkeitsschwerpunkt der photo- wird. Für diesen Fall weist nur die Abtastplatte ein Strichgit-

elektrischen Einrichtung ist. ter mit einer kleinen Gitterkonstanten auf, die die Auflösung

40 der Messvorrichtung bestimmt. Durch Verändern der Gitter-

konstanten allein der Abtastplatte kann die Auflösung der

Messvorrichtung verändert werden. Eine aufwendige elektro-