CH669254A5 - Einrichtung zum messen und einstellen von laengen und verwendung der einrichtung. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Anwendungsgebiet der Erfindung sind translatorische inkrementale Messsysteme, insbesondere auch zum Einsatz bei grossen Messlängen.

Zum Messen und Einstellen von Längen und Winkeln ist es bekannt, inkrementale Messsysteme zu verwenden. Hierbei besteht das Messsystem aus mindestens einer als Längen- oder Winkelmassverkörperung dienenden Rasterteilung auf einem Teilungsträger und aus einer Abtasteinrich-tung, die zueinander beweglich sind und von denen eine den Relativlagen zwischen Rasterteilung und Abtasteinrichtung entsprechende Signalfolge abgeleitet wird. Diese elektrischen Ausgangssignale des Messsystems werden einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt. Die Genauigkeit des Masssystems hängt in hohem Masse von der Genauigkeit der Rasterteilung des Teilungsträgers und vom Teilungsträger selbst ab. Es sind daher mehrere Lösungen bekannt, die die Technologie zum Aufbringen von hochgenauen Rasterteilungen, die Messtechnologie zur Qualitätssicherung und die Ermittlung von Korrekturwerten betreffenf (US-PS 3 100 345, DE-AS 1 051 519, DE-AS 1 266 986, CH-PS 474 049, DE-AS 1 155 611 u.a.).

Die Aufwände für die Herstellung hochgenauer Rasterteilungen wachsen unter Beibehaltung der hohen Genauigkeitsanforderungen bei grösser werdenden Messlängen stark an.

Die bei der Herstellung der Rasterteilung erbrachte Genauigkeit einschliesslich der ermittelten Korrekturwerte bezieht sich auf den bei der Herstellung gegebenen Zustand des Teilungsträgers. Wenn Alterungserscheinungen und Deformationen des Teilungsträgers beim Anwender auftreten, beeinträchtigt dies die erreichbare Genauigkeit. Daraus leiten sich bisher einerseits hohe Anforderungen an die Teilungsträger einschliesslich Langzeitstabilität und andererseits anspruchsvolle Einbaubedingungen ab. Bekannte Messsysteme verwenden als Teilungsträger Materialien, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient vergleichsweise gross ist (Glas, Stahl, d 10 jim/K • m). Dadurch ist die Anzeige des Positionswertes abhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur, wenn nicht zu deren Kompensation wiederum spezielle Korrekturen vorgesehen werden.

Unter Beibehaltung der Genauigkeit des Messsystems soll eine Reduzierung der Anforderungen an die gesamte Rasterteilung, dabei insbesondere an den Teilungsträger sowie an die Technologie zum Aufbringen der Rasterteilung und deren Messtechnologie erfolgen. Dabei soll die Systemgenauigkeit unabhängig sein von Alterungserscheinungen, Deformationen des Teilungsträgers und Temperatureinflüssen.

Die Lösung soll insbesondere auch für grosse Messlängen (1 > 1 m) geeignet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen und Einstellen von Längen, bestehend aus

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einer Rasterteilung auf einem Teilungsträger, wobei die Rasterteilung nicht als Massverkörperung dient, weiterhin bestehend aus einer Abtasteinrichtung und aus einer Auswerteeinrichtung zu schaffen sowie eine Verwendung der Einrichtung anzugeben.

Die Aufgabe zur Schaffung einer Einrichtung wird gemäss den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Abstand A durch eine Materialstrecke realisiert wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient sehr klein ist. Die Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung erfolgt gemäss den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 7 aufgeführten Merkmalen. Erfindungsgemäss ist die Rasterteilung nicht als die eigentliche Massverkörperung zu verwenden, sondern nur als Stützstellen, denen während der Messung die eigentlichen metrologischen Informationen laufend zugewiesen werden. Die eigentliche Massverkörperung liegt in dem hochkonstant zu haltenden Abstand A zwischen zwei Empfängeranordnungen, von denen die erste Empfängeranordnung, ausgehend von einer definierten Ausgangsstellung nach dem Prinzip bekannter Rastersysteme Primärsignale liefert, deren positionsäquivalente Zuordnung abhängig von der fehlerbehafteten Rasterteilung ist. Diese Primärsignale sind jedoch nicht die Ausgangssignale der erfindungsgemässen Einrichtung. Mittels der zweiten Empfängeranordnung wird durch Auswertung des von ihr erzeugten Signals eine Information gewonnen, welchen Abstand die von der ersten und der zweiten Empfängeranordnung abgetasteten Abschnitte der Rasterteilung voneinander haben, bezogen auf den Abstand A der beiden Empfängeranordnungen. Wenn man das Signal der zweiten Empfängeranordnung bei einer voranschreitenden Bewegung genau dann abfragt,

wenn die erste Empfängeranordnung z.B. bei optoelektronischer Abtastung einer Rasterteilung nach bekannter Weise durch Triggerung ihres Analogspanmings-Nulldurchganges ihren Zählimpuls abgibt, dann lässt sich ermitteln, welchen Weg die erste Empfängeranordnung und damit die gesamte Abtasteinrichtung zurücklegen muss, um von der fotoelektrischen Mitte (K) ihres abgetasteten Abschnittes, also der Stelle, wo soeben der Zählimpuls ausgelöst wurde, zur fotoelektrischen Mitte (K +1) des Abschnittes zu kommen, der gerade von der zweiten Empfängeranordnung abgetastet wird. Dieser Weg ergibt sich aus dem Abstand A plus dem vorzeichenbehafteten Produkt aus Signalsteilheit und Signal-grösse, also dem Korrektursignal, der zweiten Empfängeranordnung im Abtastmoment. Wiederholt man diesen Vorgang dann, wenn die erste Empfängeranordnung auf der fotoelektrischen Mitte (K +1) steht, also dort wiederum ihren Zählimpuls liefert, kann man den Abstand zur fotoelektrischen Mitte des Abschnittes, wo jetzt die zweite Empfängeranordnung steht, ermitteln. Durch laufende Wiederholung dieses Vorganges an allen Stellen (K -1), K, K +1, K + 2 usw., ausgehend von der definierten Ausgangsstellung, erhält man in einer Auswerteeinrichtung mittels bekannter Hardware-Mittel und eines geeigneten Algorithmus (Software) die Information, wo diese ausgezeichneten Stellen, unabhängig von der Anzahl ausgegebener Primärsignale der ersten Empfängeranordnung, tatsächlich liegen. Diese Angabe liegt vor im Sinne eines Kettenmasses, wobei ein Summand jeweils aus dem konstanten Wert A und der jeweils mittels der zweiten Empfängeranordnung gemessenen Ablage davon besteht. Mittels der Auswerteeinrichtung kann nun mit bekannten elektronischen Mitteln dafür gesorgt werden, dass die Anzahl der Sekundärimpulse, die von der erfindungsgemässen Einrichtung als Ausgangsgrösse ausgegeben werden, der jeweiligen realen Position entspricht, indem zur Primärimpulsfolge immer dann Korrekturimpulse hinzugefügt bzw. abgezogen werden, wenn dies im Rahmen der Genauig-

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keit des Systems für die Übereinstimmung von Anzeige des Systems mit der tatsächlichen Position notwendig ist.

Zur Erreichung vorteilhafter Effekte bei detaillierten Problemen der Informationsübernahme und Informationsverarbeitung ist es möglich und sinnvoll, auch zwischen den ausgezeichneten Stellen K, (K +1), (K + 2) etc. eine Signalauswertung der zweiten Empfängeranordnung durchzuführen und diese informationelle Überbestimmung vorteilhaft auszunutzen.

Zur Realisierung sowohl einer Vorwärtsbewegung als auch einer Rückwärtsbewegung nach dem beschriebenen Prinzip ist es möglich, ausser der genannten zweiten Empfängeranordnung eine ihr entsprechende funktionsanaloge Empfängeranordnung nach der in Teilungsrichtung anderen Seite hin im Abstand A neben der ersten Empfängeranordnung anzubringen. Daraus leiten sich für beide Verfahrrichtungen die Informationen zur Bildung der Sekundärimpulse ab.

Besonders vorteilhaft ist es in Fällen, wo die Teilung aus mehreren quasi-identischen Teilungsmarkengruppen zusammengesetzt ist, gleichzeitig 3 vorteilhafte Bedingungen zu realisieren:

a) Die Breite der Gegenraster, zumindest der ersten Abtasteinrichtung oder bei einer Matrix-Ausführung die effektive Breite ihrer Abtastgruppen soll gleich sein der Breite der Teilungsmarkengruppe.

b) Der Abstand A soll annähernd gleich sein der Breite der Teilungsmarkengruppe.

c) Die genannten ausgezeichneten Stellen (K — 1), K, (K +1), (K + 2) usw. sollen durch geeignete Zuordnung der definierten Ausgangsstellung zur Lage der Teilungsmarkengruppen so gelegt werden, dass sie übereinstimmen mit den Mitten der Teilungsmarkengruppen.

Unter diesen Voraussetzungen ist eine besonders vorteilhafte Anpassung der Sekundärimpulse entsprechend der realen Position möglich, da zwischen den Stellen (K), (K +1), (K + 2) etc. ein linearer Verlauf des Positionsfehlers der Primärsignale gegeben ist. Mit Einschränkung trifft dies auch zu, wenn bei den Bedingungen a) bis c) nicht die Breite der Teilungsmarkengruppe, sondern deren ganzzahliges Vielfaches als Kriterium benutzt wird.

Die Verwendung einer Matrix-Anordnung mehrerer Gegenraster bei der ersten Empfängeranordnung ist besonders empfehlenswert, um einerseits in bekannter Weise'

deren Vorteile hinsichtlich Kippinvarianz und Fehlerausgleichungen auszunutzen, insbesondere aber, um die Bedingungen a) und b) einhalten zu können, wenn diese erste Empfängeranordnung gleichzeitig mehrere Gegenraster bzw. Abtastgruppen verschiedener Phasenlagen zwecks Bildung der Vor-Rückwärts-Informationen nach bekannter Weise enthalten soll.

Das genannte Korrektursignal ergibt sich, wie schon genannt, als vorzeichenbehaftetes Produkt aus Signalsteilheit und Signalgrösse der zweiten Empfängeranordnung (bzw. einer dritten und weiter). Es ist also notwendig, diese Signalsteilheit als konstante Rechengrösse in der Auswerteeinrichtung exakt zur Verfügung zu halten. Ihre zahlenmässige Zuordnung ist genau dann richtig, wenn über gleiche Ver-fahrwege bei Rasterteilungen mit unterschiedlichem Teilungsfehler (was sich z.B. durch unterschiedliches Spannen eines elastischen Teilungsträgers erreichen lässt), gleiche Anzeigewerte der Einrichtung ergeben. Ihre zahlenmässige Zuordnung wird demzufolge so lange modifiziert, bis dies gewährleistet ist.

Bezugswert für die geschilderte Kettenmassbildung ist der genannte Abstand A. Es ist nicht notwendig, diese Grösse zwischen der ersten und zweiten bzw. weiteren Empfängeranordnung exakt einzustellen oder durch direkte Messung zu ermitteln, sondern es genügt, diesen Abstand im Rahmen des

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z.B. unter b) genannten Kriteriums annähernd zu realisieren, dabei allerdings die Langzeitkonstanz zu gewährleisten. Die exakte massliche Zuordnung kann erfolgen, indem in die Auswerteeinrichtung zunächst ein etwaiger Näherungswert für A eingegeben und zur Bildung der Sekundärimpulse genutzt wird und die Anzeige der Einrichtung auf dieser Basis verglichen wird mit einem Eichnormal über einem bestimmten Verfahrweg. Aus dem Vergleich ergibt sich eine Rechengrösse, die in der Folge in der Auswerteeinrichtung gespeichert wird und den Anschluss der Einrichtung an die realen Positionen bzw. die Längeneinheit gewährleistet. Es kann bei einem Messvorgang bzw. Positioniervorgang bei dem wiederholt Vor- und Rückwärtsbewegungen erfolgen, zweckmässig sein, die ermittelten Korrektursignale aus der zweiten Empfängeranordnung in der Auswerteeinrichtung zu speichern und bei wiederholtem Überfahren der entsprechenden Stellen der Rasterteilung keine erneute Auswertung der Signale der zweiten Empfängeranordnung durchzuführen, sondern die gespeicherten Korrektursignale zu verwenden.

Die Konstanz der Basis A könnte beeinträchtigt werden durch die Nullpunktdrift der Empfängerkanäle und ihrer Beleuchtungseinrichtung, die an der Bildung der Korrektursignale beteiligt sind. Deshalb ist es vorteilhaft, diese Empfängerkanäle einschliesslich ihrer Beleuchtungseinrichtung jederzeit vor oder nach einer Messung durch Flächen mit definierter Transparenz oder definiertem Reflexionsvermögen hinsichtlich ihrer Nullpunktlage und/oder Signalsteilheit anzuschliessen bzw. zu kalibrieren. Um eine hochgenaue Positioniereinstellung dabei überflüssig zu machen, ist es vorteilhaft, diese Flächen in Teilungsrichtung in einer hinreichenden Breite homogen, also gradientenfrei, zu machen hinsichtlich ihrer Transparenz bzw. ihres Reflexionsvermögens. Diese genannten Flächen können fest auf dem Teilungsträger angeordnet sein oder auch, um an beliebiger Stelle des Arbeitsbereiches der Einrichtung mit einer Messung beginnen und dort den Nullpunktanschluss vornehmen zu können, der Abtasteinrichtung zugeordnet werden.

Da der Teilungsträger mit seiner Rasterverteilung bei der erfindungsgemässen Einrichtung nur ein Stützstellenraster darstellt und nicht als Massverkörperung dient, ist es möglich, elastische Materialien zu verwenden und diese Teilungsträger bei der Anwendung unter Vorspannung einzubauen, wobei im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen die Teilungsgenauigkeit verloren gehen darf. Dadurch wird erreicht, dass bei ausreichender Vorspannung bei Temperaturänderungen des Teilungsträgers auch während einer Messung alle Teilungsmarken ihre geometrische Lage beibehalten und somit die Temperatureinflüsse minimiert werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Auf einem Teilungsträger ist eine Rasterteilung aufgebracht, die aus Teilungsmarkengruppen von je 12 mm Länge zu je 1500 Teilungsmarken besteht (4 (j.m Strich, 4 p,m Lücke). Zur Einrichtung gehört eine gegenüber dem Teilungsträger bewegliche Abtasteinrichtung. Die Abtasteinrichtung weist zwei Empfängeranordnungen mit je zwei Gegenrastern auf. Die erste Empfängeranordnung hat ein Gegenraster der Phasenlage 0° und ein unter diesem Gegenraster angeordnetes zweites Gegenraster der Phasenlage 180°. Das erste Gegenraster der zweiten Empfängeranordnung ist neben dem ersten Gegenraster der ersten Empfängeranordnung angeordnet und weist die Phasenlage 180° auf. Das zweite Gegenraster der zweiten Empfängeranordnung ist neben dem zweiten Gegenraster der ersten und unter dem ersten Gegenraster der zweiten Empfängeranordnung angebracht und hat die Phasenlage 0°. Die beiden Empfängeranordnungen enthalten je 2 Gegenraster von 12 mm Breite und den Phasenlagen 0° und 180°. Sie haben zueinander einen etwaigen Abstand von A = 12 mm und sind gemeinsam auf einer Quarzplatte aufgebracht. Bei einer voranschreitenden Bewegung möge die erste Empfängeranordnung dabei, mittels einer hier nicht beschriebenen Interpolationseinrichtung, eine Primärimpulsfolge von 1 Impuls pro 0,5 am abgeben (T = 0,5 jim). Damit ergibt sich für die reale Bewegung von der Stelle xk-i nach xk folgender Verfahrweg:

xk - XK.—i = M + S • UK

Dabei möge sein:

M = Messbasis, bestehend aus dem Abstand A und dazu der wegäquivalenten, mittels Graufläche reproduzierbar einstellbaren Lagen der Trigger-O-Punkte der Empfängerelektronik der ersten und zweiten Empfängeranordnung. S = Signalsteilheit (Spannung pro Wegänderung) der zweiten Empfängeranordnung.

Uk = Signalspannung der zweiten Empfängeranordnung, wenn die erste Empfängeranordnung an der Stelle xk-i ihren Abtastimpuls gibt, mittels AB-Wandlung digitalisiert.

Die ungefähre Breite der Messbasis M ist andererseits etwa A oder auch 24 000 x 0,5 p.m =12 mm. (N = 24 000 ist die Anzahl von Primärinkrementen beim Verfahrweg über eine volle Teilungsmarkengruppe). Unter Einführung einer Korrekturkonstante K ergibt sich M = N • T + K. Damit ergibt sich eine Anzahl von Korrekturimpulsen KIk, die im Intervall (Xk-i, xk) aus den Primärimpulsfolgen der ersten Empfängeranordnung die Bildung der Sekundärimpulsfolge ermöglichen als betragsmässig kleineres ganzzahliges Vielfaches aus dem Ausdruck

(K + S • Uk + RK-I) .

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Dabei ist Rk-i ein infolge der Quantelung mit 0,5 um vom letzten Intervall her übriggebliebener Restbetrag. Er ergibt sich als Rk für den nächstfolgenden Anschluss als

Rk = (K + S • UK + RK-I) - KIK • TO,5 um

Die Rasterteilung wird so hergestellt, dass die Anzahl der Korrekturimpulse immer negativ ist (Teilung zu kurz), so dass das Korrigieren immer nur im Unterdrücken von Impulsen und nicht noch im Hinzufügen besteht. Diese Korrektur kann mit einer Auswerteeinrichtung erfolgen, die aus einem Rechner mit geeigneter Hardware-Ergänzung besteht, wobei mit bekannten elektronischen Mitteln im jeweiligen Intervall entsprechend dem Wert KIk durch Unterdrückung von KIk Impulsen aus der Primärimpulsfolge die dem realen Vorschub entsprechende Sekundärimpulsfolge entsteht, also zwischen xk- i und xk gerade (N - KIk) Sekundärimpulse ausgegeben werden. Die Steilheit S ist ein, ausgehend von einer physikalisch realisierten Steilheit der zweiten Empfängeranordnung, zugrunde gelegten Rechenwert im Auswertealgorithmus, der bei der Inbetriebnahme des Systems so lange angepasst wird, bis unabhängig von abgetasteten Rasterstrukturen mit unterschiedlichen Teilungsfehlern für einen bestimmten definierten Verfahrweg jedesmal die gleiche Anzeige des Systems anhand der Sekundärimpulsfolge gegeben ist. Die Korrektur-grösse K ergibt sich, indem über einen Verfahrweg von z.B. 1200 mm die Differenz zwischen Anzeige des Systems und diesem Verfahrweg gebildet und entsprechend der Messbasis zugeordnet wird:

Anzeige - 1200 mm

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Mit der Eingabe von diesem Zahlenwort K in den entsprechenden Speicherplatz der Auswerteeinrichtung und damit in den Auswertealgorithmus ist der metrologische Anschluss

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des Systems erfolgt, unabhängig davon, mit welchen Teilungsfehlern die Rasterteilungen beheftet sind, mit denen die Abtasteinrichtung betrieben wird.

Claims (8)

669254 PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zum Messen und Einstellen von Längen, bestehend aus einer Rasterteilung auf einem Teilungsträger, aus einer Abtasteinrichtung mit mindestens zwei Empfängeranordnungen und aus einer Auswerteeinrichtung gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine zweite Empfängeranordnung zur ersten Empfängeranordnung bezüglich der Teilungsrichtung einen hochgenauen Abstand A aufweist und der Abstand A die Basis für den metrologischen Anschluss der Einrichtung bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass eine weitere Empfängeranordnung zur ersten Empfängeranordnung entgegengesetzt zur Teilungsrichtung vorhanden ist, und dass der Abstand zwischen dieser und der ersten Empfängeranordnung dem Abstand A entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, bei der die Rasterteilung aus mindesten 2 quasi identischen Teilungsmarkengruppen zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass der Abstand A gleich einem ganzzahligen Vielfachen einschliesslich dem Einfachen der Breite der Teilungsmarkengruppen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet, dadurch, dass der Abstand A realisiert wird durch eine Materialstrecke, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient sehr klein ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, bei der die Rasterteilung von der Abtasteinrichtung mit optoelektronischen Mitteln abgetastet wird, gekennzeichnet dadurch, dass zur Einrichtung Bezugsflächen gehören, die in ihrem Reflexionsvermögen oder ihrer Transparenz abschnittsweise gradientenfrei sind bezüglich der Teilungsrichtung der Rasterteilung und über deren Abschnitten mindestens die an der Ableitung der Korrektursignale beteiligten optoelektronischen Kanäle der ersten und zweiten Empfängeranordnung bezüglich ihrer Nullpunktlage und der Signalsteilheit vor jeder Messung anschliessbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Bezugsflächen der Abtasteinrichtung zugeordnet sind und damit an beliebiger Stelle des Arbeitsbereiches der Einrichtung die optoelektronischen Kanäle anschliessbar sind.

7. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Messen und Einstellen von Längen, wobei von mindestens einer ersten Empfängeranordnung eine den Relativlagen zwischen Rasterteilung und Abtasteinrichtung zugeordnete Primärsignalfolge abgeleitet wird, gekennzeichnet dadurch, dass von mindestens einer zweiten Empfängeranordnung, die im Abstand A von der ersten Empfängeranordnung in der Abtasteinrichtung bezüglich der Teilungsrichtung angebracht ist, Korrektursignale in Wechselwirkung mit der Primärsignalfolge abgeleitet werden, die Zwecks einer Korrektur der Prmärsignale von der Auswerteeinrichtung mindestens beim ersten Überfahren des jeweiligen Bereiches der Rastererteilung während eines Mess- bzw. Positionierungsvorganges bei einer voranschreitenden Relativbewegung zwischen Rasterteilung und Abtasteinrichtung auf einem Weg B, der gleich dem Abstand A ist,, jeweils mindestens einmal ausgewertet werden und wobei diese ausgewerteten Korrekturwerte ein Mass sind für die Differenz des Weges B zu dem wegäquivalenten Wert der Primärsignalfolge, der sich bei einer Bewegung der ersten Empfängeranordnung auf die Position der zweiten Empfängeranordnung ergibt, und dass von der Auswerteeinrichtung die Primärsignalfolge so ausgewertet wird, dass die für alle, auf eine beliebige Anfangsposition bezogenen Relativlagen von der Einrichtung abgegebene Sekundärsignalfolge aus der Primärsignalfolge unter Einbeziehung der von mindestens einer zweiten Empfängeranordnung abgeleiteten und von der Auswerteeinrichtung ausgewerteten Korrekturwerte gebildet wird.

8. Verwendung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Abstand A, der die Basis für den metrologischen Anschluss der Einrichtung bildet, hinsichtlich seines hochgenauen Anschlusses an die Längeneinheit bestimmt wird, indem durch einen Vergleich der Anzeige der Einrichtung mit einem Eichnormal über einen bestimmten Ver-fahrweg eine Rechengrösse ermittelt und in der Auswerteeinrichtung gespeichert wird und im Rahmen einen Auswertealgorithmus den Anschluss der Einrichtung an die Längeneinheit gewährleistet.