DD139897A1 - Einrichtung zur traegerfrequenten abtastung und interpolation - Google Patents

Description

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Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation

Gebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur trägerfrequenz» ten Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationen für nach dem Durch- oder Auflichtverfahren arbeitende fotoelektrische Meßs3^rsteme, insbesondere für Meßgeräte und Werkzeugmaschinen«

Charakteristik dar bekannten technischen Lösungen:

Zur Erhöhung der Auflösung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmeßverfahren und «-einrichtungen werden z_eB« Interpolatoren angewendet, die auf dem Amplitudenanschnitt der vom fotoelektrischen Meßkopf der Meßsysteme abgegebenen Primärsignale beruhen« Die Uöteilung der Signalperiode der Primärsignale v/ird entweder durch Präzisionstrigger oder hochgenaue Spannungsteiler mit anschließender Überlagerung der entsprechenden Funktionen vorgenommene Derartige Interpolatoren erfordern mit zunehmendem Interpolaticnsfaktor einen hohen Abgleichaufwand der elektronischen Bauelemente» Desweiteren wird lediglich ein Interpolationafaktor einschließlich digitaler Vervierfachung von etwa 40 - 80 erreicht« Mit steigendem Interpolationsfaktor vergrößert sich der schaltungstechnische Aufwand für den Interpolator, und die Anforderungen an die Primärsignale des Meßkopfes bezuglieh Signalform,, Amplitude ns tabilität.» Phasenwinkel und Gleichspannu.ngssignal nehmen au»

Ein phasenzyklisches, trägerfrequentes Interpolationsverfahren und eine Einrichtung zur Meßv/ertermittlung bei fotoelektrischen. Weg- und Winkelnießsystemen ist in der DD-PS 128*338 beschriebe*»·

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Hierbei werden die quasi sinuaf b'rmigen Signale in einem ersten Auswertekanal zur Auswertung der ITulldurchgänge der Signale und in einem zweiten Auswertekanal zur Aus-», wartung des momentanen Phasenzustandes der Signale zwisehen zwei lulldurchgängen herangezogen· Die Grobinformationswerte des ersten Auswertek-anals und die Peininformationsv/erte des zweiten Auswertekanals werden gemeinsam in einer Inforraationsverwertungsstufe weiterverarbeitete Es werden also die Voraussetzungen für eine Modulation der Trägersignale mit den entsprechenden Primärsignalen des Meßkopfes nicht im Meßkopf geschaffen, sondern in einer speziellen Hschfolgeschaltung» Diese Einrichtimg ist für fotoelektrisch^ Meßsysteme geeignet, bei denen Z₄₅B₃ die Gewinnung der Weg™, und Winkelfunktionen über eine abbildende Zwischenoptik zur Moire¹ erzeugung erfolgt und allen nachgeschalteten Potoempfängern eine unmodulierte_s gemeinsame Lichtquelle zugeordnet ist«

Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes zu beseitigen und den technischen Aufwand für liochauflösende fotoelektrische Meßeysterne zu senken«.

jterlegunj; ^s^Wes^i^^er^Erfindung?

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung ^rm:e ti-ägerfr-equeaten Abtastimg und Interpolation für Meß~ systeme zu schaffen_s bei welcher ein hoher Interpolationsfaktor ersielt werden soll«

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur trägerfrequenteu Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationeiis bestehend aus einer Bsleuchtungseinrichtung, einero Raste.rma.6stab_s einem fotoelektrischen ' Tastkopf und einer nachgeschalteten Signalverarbeitungsein heitg dadurch gelöst_s daß eine von einem hochfrequenten Im . pulsgenerator abgeleitete Trägerfunktion mit den Signalen sin tSfi. hzYu cos ^i zur Aussteuerung der den Ra st ermaß stab direkt beleuchtenden Beleuchtungseinrichtung

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vorgesehen ist, daß hißter einer, vier um jeweils ein Viertel der Gitterkozistante K des RastermaßStabes zueinander versetzte Stric'hf eider aufweisenden Abtastplatte vierj nicht line are U~I~Ke'nn.linien besitzende Fotoempfänger vorgesehen sind, denen aifferensMlden.de Operationsverstärker und selektive Filter zur Bildung amplitudenmoduliert ar Signale sin ^t _s cos ^t und sin (£_$t _β cosw_?t nachgeschaltet sind, daß ein Summierverstärker für die Bildung der Summenfunktion sin (ui_T + W_s )t vorgesehen

"IO ist, daß die Gewinnung der absolut' phasenproportionalen Weg«· und Winkelinformation aus dem Vergleich der digitalisierten Surmaenfunktion sin (o?_T-f- b)_s )t ciit der Trägerfunktion entsprechend sinoOj/t in einer digitalen Phasenauswerteeinheit,'öle dem SummiervDrstärker nachgeordnet ist, gewonnen wird und daß eia, den' Phasenraum entsprechend dem gewählten Interpolaiionsfalctor zur Gewinnung von Feinwerten auszählen=» der hochfrequenter Impulsgenerator mit der Frequenz f vorgesehen ist j wobei fe>_F die Kreisfrequena der Trägerfunktion und OJg die Kreisfrequenz der Weg« und Winke!information sind«,

Dabei ist es vorteilhaft, daß die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei von einem hochfrequenten Impulsgenerator abgeleitete Trägerfunktionen sin wyt und cos.tOyt modu*» lierte Lumineszenzdioden umfaßt«

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können zur Gewinnung von vier um 90° phasenverschobenen Signalen anstelle der Strichfelder mit einem Raster der Rasterkonstanten K versehene Fotoempfänger selbst um jeweils K/4

versetzt im Tastkopf angeordnet werden, wobei K die Rasterkonstante des Rastermaßstabes 2 ist« Weitere AusfiihruDgsformen zur Signalgewinaung stellen die bekannten Verfahren zur MoirSerseugung dar« Die Erfindung ermöglicht durch einen hohen Interpolationsfaktor (> 1Ό0) eine üb.he Auflösung und damit Unterteilung eines Grobintervalles« Durch Wegfall einer Zwischenoptik

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zwischen Rastermaßstab und Meßkopf sowie durch einen geringeren schaltungstechnischen Aufwand in. der Signalverarbeitungseinheit ergibt sich ein einfacher Aufbau und ,-eine Miniaturisierung der gesamten Einrichtung«.

Durch den Einsatz von Luminaeζenζdiodeη als Lichtquelle werden Möglichkeiten ihrer Modulierung geschaffen und die thermische Belastung &qt Einrichtung verringert«, Die Einrichtung gestattet Messungen bei einer hohen Verfahrgeschwindigkeit des Rastermaßstabes und. damit eine hohe Heßdynamik*

Auji^fJ.^irj^nggb^o^piel.s

Die Erfindung soll nachstehend an einem Auaführungsbeispiel näher erläutert werden, welches in. der zugehörigen. Zeichnung dargestellt ist«

Die Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpola·» tion umfaßt ein'hochauflösendes fotoelektrischee .Meßsystem und besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung t» einem Raster« maßstab 2 und einem fotoelektrischen Tastkopf·, wobei der Rastermaß8tab 2 relativ zur Beleuchtungseinrichtung 1 und sum Tastkopf bewegbar ist« Eins Signalverarbsitungseinheit ist dem Tastkopf nachgeor&net«

Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfaßt zwei Lumineszenzdiodezi 3 und 4 zur Beleuchtung des Rastermaßstabes 2, die· nach den von einem Hochfrequenzgenerator 5 abgeleiteten Trägerfunk" tionen sin cü_T~t und cos (s>_T"t ausgesteuert werden«. Hierin sind oj. die Kreisfrequenz der Trägerfunktion und o>_s die Kreis« frequenz der Weg» oder Winkelinformation* · Hinter vier um jeweils ein Viertel der Gitterkonstante K des Rastermaßstabea 2-zueinander versetzten Strichfeldern einer Abtastplatte 6 sind vier Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 .ange~ ordnet, denen differenzbildende Operationsverstärker 11, 12 und selektive Falter 13? 14 zur Bildung amplitudenmodulierter.-Signale sin t*J_Ti « cos La_st und sin u§_st -cos i&s_rt nachgeschaltet sindaaBin Summißi-Yerstärker 15 dient der Bildung der Summenfunktion"sini( us_r& ω_£ )t * Zur Gewinnung der absolut phasenproportion&lon Weg«· und Winkelinformation aus dem

Vergleich der digitalisierten Summenfunktiori sin (üa_T+te_s )t mit der Trägerfunktion sin Ui_Tt sind ein Analog-Digital-Wandler 16 und eine digitale Piia3enaus\nrerteeinheit 17 dem Summierverstärker 15 nachgeschaltet©

Die Wirkungsweise der Einrichtung.wird nachstehend be-» schrieben·· Die vier Fotoempfänger 7, 8, 9, 10 empfangen. jeweils hinter den vier jeweils um K/4 öes Rastermaßstabes 2 zueinander versetzten Strichfeldern der Abtastplatte 6 die elektrischen V/eg- und Winkelinformationen* Dabei werden die Potoempfänger 7 und 8 von der Lumineszenzdiode 3 und die Fotoetnpfänger 9 und tO von der Lumineszenzdiode 4 beleuchtet« Von dam Hochfrequenzgenerator 5, dessen Frequenz f entsprechend der Meßwertauflösung im Kanal 1 gewählt wird, werden über digitale Frequenzteiler.18 und 19. und über identische Filter 20 und 21 die Trägerfunktionen-sin u)_ri und cos osJt gebildet, mit denen die Lumineszenzdioden 3 und 4 angesteuert werden«

Die Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 erhalten wechselnde Foto·» ströme 5 die durch Überlagerung von hochfrequentem Licht der Beleuchtungseinrichtung 1 entsprechend der Frequenz f und einem niederfrequenten Anteil entsprechend der Frequenz f_s , der aus der Bewegung des Rastermaßstabes 2 gegenüber der Äbtastplatte 6 resultiert, gekennzeichnet sind« Zwischen den Strichfeldern der Fotoempfänger 7 und 8 und denen der Fotoempfanger 9 und 10 besteht ein geometrischer Versatz, in der Rasterteilung von K/Z _ö Demnach beträgt dieser Versatz zwischen den Fotoempfängern 7 und 9 und 8 und 10 Κ/φ _e An diesen Foΐοempfengern 7<s> 8, 9 und 10 entsteht jeweils eine nichtlinsare verzerrte Ausgaiigsfunktion, die sich aus eines Glelchspannungsanteil, einem trägerfrequenten und einem niederfrequenten Anteil sowie deren Oberwellen und dem Produkt sin Ui₁. t ' cos cüji bzw© sin <j$_st · cos &>_Tt zusammensetzt« !fach Abgleich der Signale der Fotoempfänger und des Gleichspannungsanteils werden durch nachfolgende Differenz» bildung -iB—de-s-Sl-g-Ba-l-e-B dex Fo to empfängerpaare 7/8 bzw« 9/10

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in den Operationsverstärkern 11 und 12 und selektiver Filterung in den selektiven Filtern 13 und 14 die ampIitudenmodnlierten Funktionen sin pj^t cos tej_ct bz?;« sin Ui_st - cos uJ_rt gewonnen©

Diese beiden aißplitudemaodulierten Signale werden dem Summierverstärker 15 zugeführt, in welchem die Summenfunktion sin (qj₇+U_s }'t gebildet wird© Der Term ψ^ο^Ί ist proportional! dem vom'Rastermaßstab 2 zurückgelegten Weg» In dem Analog-Digital-Umsetzer 16 wird die Summenfunktion digitalisiert und in der Phasenauswerte» einheit 17 mit der digitalisierten Funktion sin6js_Tt verglichen und in einem Zähler 22 der Phasenraum entsprechend der geforderten Auflösung digital ausgezählt« Die Gewinnung der Peinwerte innerhalb' einer Interpolations» periode des Rastermaßstabes 2 erfolgt im Kanal 1 über eine digitale Phasenmessung absolute Jedem.Momentanwert der Wegfunk tion ein üu_£t bzw© cos cuj"t ist nur ein bestisnmter Phasen« wert zugeordnet _t der unabhängig von Störungen innerhalb der Interpolationsperiode r e pro du 25 i erb ar ist* Die Grobwerte (Interpolatiorssperioden.) entsprechend sin ω_£± bzwe cos i&i/t werden aus dem überlagerten Prequenzgesiisch durch Filterung bzw« Demodulation in der Einheit 23 gewonnen und stehen nach Aufbereitung und Digitalisierung im Kanal 2 für eine Verknüpfung mit den Peinwerten im Zähler 22 zur Ver« füguzsg»

, Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich? in der Beleuchtungseinrichtung vier modulierte Iaumineazenzdioden vorzusehen, wobei jeweils .zwei dieser Diode.» mit der gleichen iPrägerfunktion sin o?_Tt bzw* cos £u_ri moduliert >/erden« Desweiteren ist es möglich, die Potoempfanger 7_S 8, 9 und 10 selbst reit einem Raster mit der Rasterkonstant.en K zu versehen und ura K/4 zueinander ver«- setzt gegenüber dem Rastermaßstab 2 zur Gewinnung von mcr um 90° phasenverschobenen Signalen, im Tastkopf anzuordnen, wobei K die Rasterkonstante des .Rastsrniaßstabes 2 ist.*

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Claims (2)

1. - β

   2β Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die-Beleuchtungseinrichtung 1 mindestens zwei durch einen Hochfrequenzgenerator 5 mit Trägerfunktionen sin 4ü_Tt und cos ω i modulierten lumineszenzdioden 3, 4 umfaßt·

   3* Einrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aur Gewinnung von vier um 90 phasenverschobenen Signalen mit einem Raster der Rasterkonstanten K versehene Potoempfäßger um jeweils K/4 versetzt im. Tastkopf angeordnet werden, wobei K die Rasterkonstante des RastermaPstabes ist«

   Hierzu /I Seite Zeichnung

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2. 2© Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung 1 mindestens zwei durch einen Hochfrequenzgenerator 5 mit Trägerfunktionen sin i*J_ri und cos ω,.ί* modulierten iumineszenadioden 3* 4 umfaßt«

   3o Einrichtung 'nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gur Gewinnung von vier um 90° phasenverschobensn Signalen mit einem Raster der Rasterkonetanten K versehene Potoempfanger iTöi je?/.eils K/4 versetzt im Tastkopf angeordnet werden, wobei K die Ras te inkonstante des Rastermaßstabes ist«

   ή Seite Zeichnung .

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