ES2328351T3 - Equipo optico de medicion de la posicion. - Google Patents
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Abstract
Equipo óptico de medición de la posición, compuesto por - una escala con una graduación de escala con marcas de graduación de escala, que se disponen periódicamente en una dirección de medición (x) con un periodo de graduación de escala (TPM), - una unidad de exploración móvil con respecto a la escala en al menos una dirección de medición (x) con - una fuente de luz - al menos una graduación de exploración periódica compuesta por marcas de graduación de exploración, que se disponen periódicamente a lo largo de la dirección de medición (x) con un periodo de graduación de exploración TPA, donde el periodo de graduación de escala TPM y el periodo de graduación de exploración TPA se diferencian entre sí y - un dispositivo de detección, mediante el que, en el caso del movimiento relativo de la escala y la unidad de exploración, se puede detectar al menos una señal de exploración periódica, que se obtiene a partir de la exploración de un patrón de franjas de Vernier con el periodo de patrón de franjas P en un plano de detección del dispositivo de detección, caracterizado por que la graduación de escala (10.1) o la graduación de exploración (23.1) comprende respectivamente más de dos pistas parciales adyacentes (311.1,....311.9) perpendiculares con respecto a la dirección de medición (x) y las marcas de graduación en cada pista parcial (311.1,....311.9) poseen respectivamente una separación de desplazamiento definida y constante (DeltaVn) de sus posiciones nominales, donde las separaciones de desplazamiento (DeltaVn) de pistas parciales adyacentes (311.1,....311.9) se diferencian entre sí, de modo que mediante las separaciones de desplazamiento (DeltaVn) seleccionadas se produce una filtración de la señal de exploración de fracciones indeseadas de ondas armónicas y se selecciona la separación parcial de desplazamiento DeltaTV k para la filtración de la k-ava onda armónica de acuerdo con DeltaTVk = +/- (1/2*1/k * TPM/2) con k = 2, 3, 5, 7.
Description
Equipo óptico de medición de la posición.
La presente invención se refiere a un equipo
óptico de medición de la posición que suministra señales de
exploración sin ondas armónicas.
Habitualmente, en equipos de medición de la
posición incrementales conocidos con base óptica se explora una
escala con una graduación de escala periódica mediante una
graduación de exploración asimismo periódica. Esta última se
dispone junto con componentes adicionales como, por ejemplo, una
fuente de luz y un dispositivo de detección, en una unidad de
exploración que es móvil con respecto a la escala en al menos una
dirección de medición. En el caso ideal existe una señal de
exploración exactamente sinusoidal, que se puede seguir procesando
-o seguir dividiendo- en componentes electrónicos secuenciales
adecuados mediante métodos de interpolación conocidos. Sin embargo,
habitualmente, la forma que se obtiene realmente de las señales de
exploración detectadas difiere en mayor o menor medida de la forma
sinusoidal ideal. De esto pueden ser responsables las causas más
diversas, a modo de ejemplo, desviaciones de los periodos de
graduación en el lado de la escala y/o de exploración de las
condiciones ideales, imperfecciones de los cantos de las marcas de
graduación, etc. En consecuencia, en la práctica, las señales de
exploración que se producen realmente están afectadas por ondas
armónicas que pueden perjudicar particularmente al procesamiento
posterior de la señal en forma de la interpolación. En
consecuencia, básicamente se pretende minimizar lo máximo posible el
contenido de ondas armónicas de las señales de exploración.
A partir del estado de la técnica ya se ha
conocido una pluralidad de planteamientos para la filtración de
ondas armónicas. A modo de ejemplo, en el presente contexto se hace
referencia a las medidas para la filtración de ondas armónicas
conocidas a partir del documento DE 195 08 700 C1 o el documento US
5.068.530. En estos documentos se propone, para la eliminación de
la tercera y quinta onda armónica particularmente interferentes,
disponer las marcas de graduación de la graduación de exploración
sobre la placa de exploración a determinadas separaciones de
desplazamiento con respecto a las respectivas posiciones nominales
equidistantes de las marcas de graduación. La separación de
desplazamiento requerida se produce siempre a partir de las
respectivas ondas armónicas a eliminar.
Si, basándose en este principio de filtración,
se deben eliminar ahora de la señal de exploración, por ejemplo,
dos ondas armónicas dominantes -por ejemplo, la tercera y quinta
onda armónica-, se propone en el documento DE 195 08 700 C1 de
acuerdo con la Figura 4 proporcionar sobre la placa de exploración
las separaciones de desplazamiento requeridas, tanto entre marcas
de graduación individuales como entre grupos de marcas de
graduación. Debido a ello, en la dirección de medición sobre la
placa de exploración están contenidas dos separaciones de
desplazamiento definidas de las marcas de graduación con respecto a
las posiciones nominales originales.
Sin embargo, para determinadas exploraciones
incrementales ya no se puede usar este principio de filtración,
particularmente en el caso de una exploración de Vernier prevista,
como se conoce, por ejemplo, a partir del documento DE 42 09 673
A1. Por esto se entiende un principio de exploración, en el que la
graduación de escala y la graduación de exploración poseen periodos
de graduación ligeramente diferentes, de modo que en un plano de
detección después de la interacción de los haces de rayos emitidos
por la fuente de luz con las dos graduaciones se produce un patrón
de franjas de Vernier periódico en el espacio con un periodo de
patrón de franjas P determinado. Con esto, el periodo de patrón de
franjas P es, por regla general, claramente mayor que los periodos
de graduación TP_{M}, TP_{A} de la graduación de escala y
exploración. Si se utilizara ahora en un equipo de medición de la
posición de este tipo un principio de filtro de acuerdo con la
Figura 4 del documento que se ha mencionado DE 195 08 700 C1 para
la eliminación de la tercera y quinta onda armónica, se produciría
por ello una alteración de las relaciones de fase fijas requeridas
para la exploración entre la graduación de escala y de exploración.
Ya no sería posible una generación de un patrón de franjas de
Vernier de fase correcta.
Esta problemática se podría evitar básicamente
mediante una variante de filtro, como se describe, por ejemplo, en
la Figura 4 del documento que se ha mencionado US 5.068.530. En éste
se prevé fraccionar la graduación de exploración sobre la placa de
exploración perpendicularmente con respecto a la dirección de
medición -es decir, en la dirección longitudinal de las marcas de
graduación- en varias pistas parciales. Debido a ello, las
separaciones de desplazamiento requeridas para la filtración se
proporcionarían en esta variante en la dirección longitudinal de
las marcas de graduación y no en la dirección de medición, como se
ha mencionado anteriormente. Básicamente sería posible una
exploración de Vernier con una filtración de este tipo. Sin embargo,
en esto es problemática la sensibilidad de la exploración o de la
filtración de ondas armónicas con respecto a una torsión que se
produce, en un caso dado, durante el funcionamiento de medición o
durante el montaje, de la escala y la unidad de exploración
alrededor de un eje perpendicular a la escala. En lo sucesivo, una
torsión de este tipo se denomina también torsión de moiré.
Además, a partir del documento DE 42 02 680 A1
se conoce una variante del filtro adicional, que se denomina
también filtración de seno de arco. Las rayas de graduación se
descomponen en la dirección de las líneas de red en varios
subcampos. Estos se disponen perpendicularmente con respecto al
recorrido de las líneas de red con desplazamiento entre sí de
acuerdo con una función arcsen.
El objetivo de la presente invención es indicar
una posibilidad para la filtración de ondas armónicas para un
equipo óptico de medición de la posición basándose en el principio
de Vernier. Además de la considerable eliminación de la señal de
exploración de las ondas armónicas más interferentes es deseable la
mayor insensibilidad posible de la generación de la señal, incluida
la filtración de ondas armónicas, con respecto a torsiones de la
escala y la unidad de exploración alrededor de un eje perpendicular
a la escala.
Este objetivo se resuelve mediante un equipo
óptico de medición de la posición con las características de la
reivindicación 1.
Se obtienen realizaciones ventajosas del equipo
óptico de medición de la posición de acuerdo con la invención a
partir las medidas que se indican en las reivindicaciones
dependientes de la reivindicación 1.
De acuerdo con la invención, en el equipo óptico
de medición de la posición, la graduación que se usa para la
filtración de ondas armónicas se descompone perpendicularmente con
respecto a la dirección de medición en más de dos pistas parciales
y en las diferentes pistas parciales se proporcionan las
separaciones de desplazamiento requeridas para la filtración de
ondas armónicas. Debido a ello, se proporciona en cada pista parcial
una separación de desplazamiento definida de las respectivas marcas
de graduación de las posiciones nominales reales, donde se
diferencian las separaciones de desplazamiento de pistas de
graduación adyacentes, de modo que mediante las separaciones de
desplazamiento seleccionadas se produce la filtración deseada de
fracciones indeseadas de ondas armónicas de la señal de
exploración. Con esto, se pueden configurar básicamente tanto la
graduación de escala como la graduación de exploración de acuerdo
con la invención y pueden asumir la correspondiente funcionalidad de
filtro.
La variante de filtración de acuerdo con la
invención es particularmente ventajosa para la eliminación de
fracciones indeseadas de ondas armónicas durante una exploración de
Vernier particularmente con vista a posibles torsiones de la unidad
de exploración con respecto a la escala alrededor de un eje
perpendicular a la escala. También en el caso de un desajuste de
este tipo durante el montaje o, sin embargo, durante el
funcionamiento de medición, permanece el efecto de filtro deseado
debido a las medidas de acuerdo con la invención.
Ventajosamente se determinan separaciones de
desplazamiento parciales para la eliminación de la tercera y quinta
onda armónica y se combinan hasta formar separaciones de
desplazamiento que se obtienen adecuadas para las respectivas pistas
parciales.
Se obtienen ventajas adicionales así como
detalles de la presente invención a partir de la siguiente
descripción de ejemplos de realización de los equipos de medición
de la posición de acuerdo con la invención mediante las figuras
adjuntas.
Se muestra:
En la Figura 1, la trayectoria del rayo de
exploración de una primera variante del equipo óptico de medición
de la posición de acuerdo con la invención;
En la Figura 2, la trayectoria del rayo de
exploración de una segunda variante del equipo óptico de medición
de la posición de acuerdo con la invención;
En la Figura 3, una primera representación
esquemática para la explicación de medidas de acuerdo con la
invención;
En la Figura 4, una vista parcial de una primera
realización de la graduación de exploración de un equipo de
medición de la posición de acuerdo con la invención;
En la Figura 5, una vista parcial de una
realización adicional de una graduación de exploración de un equipo
de medición de la posición de acuerdo con la invención;
En la Figura 6, una vista completa de una placa
de exploración con una graduación de exploración basada en los
principios, que se ha descrito mediante la Figura 5;
En la Figura 7, una vista parcial de una
realización adicional de una graduación de exploración de un equipo
de medición de la posición de acuerdo con la invención junto con los
elementos de detección usados para la exploración.
Mediante la representación esquemática en la
Figura 1 se describe la trayectoria del rayo de exploración
principal de una primera variante del equipo óptico de medición de
la posición de acuerdo con la invención. Este se configura en este
ejemplo como equipo de medición de la posición lineal, que trabaja
al trasluz. El equipo de medición de la posición comprende
esencialmente una escala 10 así como una unidad de exploración 20
móvil con respecto a la escala 10 en la dirección de medición x. En
el presente caso, la dirección de medición x se orienta
perpendicularmente con respecto al plano del dibujo.
La escala 10 y la unidad de exploración 20 se
pueden disponer, por ejemplo, en una máquina herramienta numérica,
relativamente móviles entre sí en la dirección de medición, para
detectar la posición relativa de dos objetos móviles entre sí, a
modo de ejemplo, de herramienta y pieza de trabajo. Las
informaciones de posición que se pueden generar a partir de las
señales de exploración que se obtienen del equipo de medición de la
posición se pueden seguir procesando entonces a su vez de modo
conocido por un control numérico de máquina herramienta para
propósitos de control y regulación.
La escala 10 comprende en el ejemplo
representado un soporte de graduación transparente, por ejemplo, de
vidrio, en el que se dispone una graduación de escala 10.1 que se
extiende en la dirección de medición x. La graduación de escala
10.1 consiste en una disposición periódica en la dirección de
extensión de marcas de graduación de escala. Las marcas de
graduación de escala se configuran como rayas estrechas opacas sobre
el soporte de graduación, entre las que se disponen subzonas
translúcidas. La periodicidad de las marcas de graduación de escala
se denomina en lo sucesivo periodo de graduación de escala TP_{M}.
En una posible realización del equipo de medición de la posición de
acuerdo con la invención se selecciona TP_{M}= 20 \mum.
En el lado de la unidad de exploración 20 se
proporciona una fuente de luz 21, delante de la cual se dispone una
óptica de colimación para colimar los haces de rayos emitidos, antes
de que los mismos se sigan propagando en dirección de la escala 10
o de la graduación de escala 10.1. Después de que la graduación de
escala 10.1 se haya expuesto a los haces de luz emitidos por la
fuente de luz 21, los mismos alcanzan a continuación en el lado de
la unidad de exploración 10 una graduación de exploración 23.1, que
se dispone sobre una placa de exploración 23. La placa de
exploración 23 consiste en un soporte de graduación transparente,
sobre el que se dispone la graduación de exploración 23.1 que se
extiende en la dirección de medición x. La graduación de
exploración 23.1 comprende una disposición periódica de marcas de
graduación de exploración, donde las marcas de graduación de
exploración están configuradas en el presente ejemplo nuevamente
como rayas estrechas opacas sobre el soporte de graduación, entre
las que se sitúan subzonas translúcidas. La disposición de las
marcas de graduación en el lado de la graduación de exploración 23.1
se realiza con la magnitud TP_{A} denominada en lo sucesivo
periodo de graduación de explo-
ración.
ración.
Como ya se ha mencionado al principio, el
presente equipo de medición de la posición utiliza el denominado
principio de exploración de Vernier, lo que requiere diferentes
periodos de graduación de escala y exploración TP_{M}, TP_{A}.
En caso de un periodo de graduación de escala TP_{M}= 20 \mum se
selecciona, por tanto, en un ejemplo de realización del equipo de
medición de la posición de acuerdo con la invención el periodo de
graduación de exploración TP_{A}= 20,3846 \mum.
En los periodos de graduación de escala y
exploración seleccionados de este modo TP_{M}, TP_{A} se
produce, después de la interacción de los haces de rayos con la
graduación de escala y exploración 10.1, 23.1 en un plano de
detección, un patrón de franjas de Vernier periódico en el espacio
con el periodo de patrón de franjas P = 1,06 mm. En el plano de
detección se emplaza en el lado de la unidad de exploración 10 un
dispositivo de detección 24, que en caso del movimiento relativo de
la escala 10 y la unidad de exploración 20 sirve para la generación
de al menos una señal de exploración periódica a partir de la
exploración del patrón de franjas de Vernier modulado entonces
perió-
dicamente.
dicamente.
El dispositivo de detección 24 consiste
ventajosamente en una pluralidad de elementos individuales de
detección rectangulares, que se disponen en la dirección de
medición x con sus lados mayores del rectángulo adyacentes entre
sí; tales dispositivos de detección también se denominan en
ocasiones fotodetectores estructurados. Respectivamente, están
conectados entre sí con conducción eléctrica los elementos de
detección que suministran señales de exploración equifásicas
durante la exploración del patrón de franjas de Vernier.
Habitualmente, se proporciona una disposición espacial de los
elementos de detección de tal forma que dentro de un periodo de
patrón de franjas P siempre se disponen tres o cuatro elementos de
detección. De este modo se puede asegurar particularmente una
denominada exploración de un solo campo resistente a la
contaminación. La selección de la cantidad de elementos de
detección por periodo de patrón de franjas P depende de cuántas
señales de exploración de distinta fase se deben evaluar. A modo de
ejemplo, cuatro señales de exploración con respectivamente un
desplazamiento de fase de 90º requieren la disposición de cuatro
elementos de detección dentro de un periodo de patrón de franjas P,
por el contrario, tres señales de exploración con respectivamente un
desplazamiento de fase de 120º requieren la disposición de tres
elementos de detección dentro de un periodo de patrón de franjas P,
etc.
Antes de detallar a continuación las medidas
para la filtración de ondas armónicas en un equipo de medición de
la posición de este tipo, se explica brevemente una trayectoria
alternativa de rayo de exploración, que se puede realizar asimismo
en un equipo de medición de la posición de acuerdo con la invención
y que se representa esquemáticamente en la Figura 2. El ejemplo de
la Figura 2 se diferencia esencialmente de la variante que se ha
explicado anteriormente en la disposición de la placa de exploración
223 o la graduación de exploración 223.1 en la trayectoria del rayo
de exploración. De esta manera, ahora se prevé disponer la
graduación de exploración 223.1 detrás de la óptica de colimación
222, de modo que los haces de rayos emitidos por la fuente de luz
221 inciden en primer lugar sobre la graduación de exploración
223.1, antes de que los mismos alcancen la graduación de escala
100.1 y que se produzca finalmente el patrón de franjas de Vernier
periódico a partir de la interacción en el plano de detección de
los haces de luz con la graduación de exploración y escala 223.1,
100.1. En el plano de detección se emplaza a su vez el dispositivo
de detección 224, que se estructura básicamente del mismo modo que
en el caso que se ha explicado anteriormente.
Por lo demás, la estructura de este ejemplo de
realización del equipo de medición de la posición de acuerdo con la
invención con escala 100 y unidad de exploración 200 es idéntica al
ejemplo de la Figura 1 que se ha explicado anteriormente con
detalle.
Por lo demás, en este punto se menciona que las
medidas que se explican a continuación se pueden emplear no
solamente junto con sistemas de transmisión de luz como se ha
explicado anteriormente, sino que, por supuesto, también se pueden
realizar en el marco de la presente invención equipos de medición de
la posición de luz incidente. Además, se acepta también lo mismo
para dispositivos de medición rotatorios que, en un caso dado, se
pueden realizar asimismo de acuerdo con la invención.
Para efectuar la filtración de ondas armónicas
deseada en tales trayectorias de rayo de exploración, se requieren
determinadas medidas en el lado de la graduación de escala o en el
lado de la graduación de exploración, que se explican a
continuación. La descripción más detallada de los principios en los
que se basa se realiza a continuación en el ejemplo de una
filtración de ondas armónicas mediante la graduación de exploración.
Por supuesto, estas medidas se pueden aplicar también de forma
análoga a la graduación de escala.
Para la filtración de ondas armónicas se prevé
ahora en la primera variante de la presente invención descomponer
las marcas de graduación usadas para la filtración -es decir, las
marcas de graduación de escala o de exploración- a lo largo de su
dirección longitudinal en más de dos secciones de marca de
graduación, de modo que, perpendicularmente con respecto a la
dirección de medición x se producen finalmente varias pistas
parciales, que se forman a partir de las secciones individuales de
marca de graduación. En las respectivas pistas parciales de la
graduación de escala o exploración a las que se recurre para la
filtración, las respectivas marcas de graduación o las secciones de
marca de graduación poseen una separación de desplazamiento definida
\DeltaV_{n} con respecto a sus posiciones nominales, que se
predefinen por el periodo requerido de graduación de escala o
exploración TP_{M}, TP_{A}. Por las separaciones de
desplazamiento \DeltaV_{n}, que se diferencian en pistas
parciales adyacentes, se provoca la filtración o eliminación de la
señal de exploración de las fracciones de ondas armónicas
indeseadas. En lugar de proporcionar, como consecuencia, como en las
variantes de filtración de acuerdo con el estado de la técnica que
se ha analizado al principio, las marcas de graduación completas con
las separaciones de desplazamiento \DeltaV_{n} requeridas para
la filtración, se realiza la división de acuerdo con la invención
de las marcas de graduación a lo largo de su dirección longitudinal
en más de dos secciones de marca de graduación.
Ese principio se ilustra mediante la Figura 3,
donde por motivos de una mejor visibilidad se proporciona en primer
lugar solamente una división de una única marca de graduación 30 de
una graduación de exploración a lo largo de su dirección
longitudinal y en dos secciones de marca de graduación 31.1, 31.2
con la misma longitud o altura h. En la dirección de medición x se
dispone de forma adyacente sobre la placa de exploración una
pluralidad de tales marcas de graduación en la retícula del periodo
de graduación de exploración TP_{A}, es decir, la marca de
graduación 30 posee debido a ello la anchura TP_{A}/2. La línea L
señala la posición nominal del centro de la marca de graduación 30
no desplazada, que se predefine mediante el periodo de graduación
de exploración TP_{A}. Desde esta posición nominal L, en el
ejemplo representado, la sección superior de la marca de graduación
31.1 o su centro se dispone desplazada a la izquierda la separación
parcial de desplazamiento -\DeltaTV_{3}, por el contrario, la
sección inferior de marca de graduación 31.2 se dispone desplazada
hacia la derecha la separación parcial de desplazamiento
+\DeltaTV_{3}. Una selección de este tipo de las separaciones
parciales de desplazamiento +/-\DeltaTV_{3} en las dos secciones
de marca de graduación divididas 31.1, 31.2 sirve para la
filtración de la tercera onda armónica de la señal de exploración.
De forma análoga, las marcas de graduación adicionales se tendrían
que dividir en la graduación de exploración, a lo largo de su
dirección longitudinal y, en respectivamente dos secciones de marca
de graduación de este tipo, de tal forma que por sección de marca
de graduación se produce finalmente una pista parcial con las
correspondientes separaciones parciales de desplazamiento
+/-\DeltaTV_{3}.
Para una onda armónica k determinada, a eliminar
de la señal de exploración, se pueden indicar las correspondientes
separaciones parciales de desplazamiento +/-\DeltaTV_{3}, que se
tienen que proporcionar en las respectivas pistas parciales. Éstas
se obtienen en general a partir de la relación:
(Ec. 1)\Delta
TV_{k} = (½ * 1/k *
TP_{M}/2)
con k = 2, 3, 5,
7.
En la Ec. (1) se introduce correctamente la
periodicidad de la graduación de escala o el periodo de graduación
de escala TP_{M}, a partir del cual también se obtiene finalmente
la periodicidad de la señal de exploración. Sin embargo, en el
sistema de Vernier que se ha descrito anteriormente, el periodo de
graduación de exploración TP_{A} se diferencia solamente
ligeramente de la misma.
En la práctica, se demuestra que en muchos casos
es suficiente limitar la filtración de fracciones indeseadas de
ondas armónicas a la tercera y quinta onda armónica particularmente
interferentes (k = 3, 5), particularmente una filtración de la 2.
onda armónica (k=2) se limita de modo ventajoso al caso en el que se
generan aproximadamente tres señales de exploración con un
desplazamiento de fase de 120º.
A continuación se explica mediante la Figura 4
cómo se realiza la filtración de la tercera y quinta onda armónica
basándose en la presente invención. Ésta muestra la división de una
única marca de graduación 40 en el lado de la graduación de
exploración a lo largo de su dirección longitudinal en cuatro
secciones de marca de graduación 41.1 - 41.4, que poseen
respectivamente la longitud o altura h. Debido a ello se
proporcionan, perpendicularmente a la dirección de medición x de
forma adyacente sobre la correspondiente placa de exploración cuatro
pistas parciales con la altura h, en las que las marcas de
graduación presentan separaciones de desplazamiento determinadas
\DeltaV_{n} con respecto a sus posiciones nominales. Las
posiciones nominales se predefinen a su vez mediante la línea L,
que indica la posición central de las secciones individuales de
marca de graduación 41.1-41.4 sin
desplazamiento.
Para la determinación de las separaciones de
desplazamiento \DeltaV_{n} requeridas para la filtración de la
tercera y quinta onda armónica en las pistas parciales individuales
se tienen que hallar en primer lugar las respectivas separaciones
parciales de desplazamiento para k = 3 y k= 5 mediante la Ec. (1).
Éstas se obtienen como consecuencia a partir de
(Ec.
2.1)\Delta TV_{3} = (½ * 1/3 *
TP_{M}/2)
(Ec.
2.2).\Delta TV_{k} = (½ * 1/5 *
TP_{M}/2)
En las cuatro pistas parciales se prevé ahora
disponer con desplazamiento con respecto a sus posiciones nominales
las respectivas marcas de graduación o las secciones de marca de
graduación 41.1-41.4 las separaciones de
desplazamiento \DeltaV_{1}-\DeltaV_{4} que
se obtienen indicadas en la Figura 4, donde las posiciones
nominales se obtienen a su vez del periodo de graduación de
exploración TP_{A} predefinido. Las separaciones de
desplazamiento \DeltaV_{1}-\DeltaV_{4} que
se obtienen se deducen en este caso como se ilustra en la Figura 4
a partir de combinaciones lineales de las separaciones parciales de
desplazamiento \DeltaTV_{3} y \DeltaTV_{5}. A su vez se
proporcionan en pistas parciales adyacentes diferentes separaciones
de desplazamiento \DeltaV_{1}-\DeltaV_{4}
que se obtienen de las marcas de graduación o de las secciones de
marca de graduación 41.1-41.4.
La altura h de secciones individuales de marca
de graduación o pistas parciales individuales se selecciona
preferiblemente de tal manera que se puede conseguir un efecto de
filtro con el periodo más corto posible. Esto significa que también
en el caso de una posible torsión de moiré de la placa de
exploración con respecto a la escala, el efecto de filtro
esencialmente se conserva.
Una variante adicional de acuerdo con la
invención para la filtración de ondas armónicas que se basa en las
consideraciones de la anterior realización, se explica mediante la
Figura 5. En la misma se ilustra, de forma análoga a las dos
últimas figuras, la división de una única marca de graduación 50 en
varias pistas parciales, donde finalmente se tienen que volver a
eliminar la tercera y quinta onda armónica de la señal de
exploración. A diferencia del anterior ejemplo se proporciona ahora
una división de la marca de graduación 50 a lo largo de la
dirección longitudinal en nueve secciones en total de marca de
graduación 51.1 - 51.9 o en nueve pistas parciales, que presentan
respectivamente la altura h. Debido a ello se disponen adyacentes en
la dirección y, es decir, perpendicularmente con respecto a la
dirección de medición por, nueve pistas parciales con la altura h,
que poseen a su vez determinadas separaciones de desplazamiento
\DeltaV_{n} con respecto a sus posiciones nominales reales, con
n = 1....9 en este ejemplo.
Como en el anterior ejemplo se determinaron en
primer lugar las separaciones parciales de desplazamiento para la
filtración de la tercera y quinta onda armónica (k = 3, 5). Éstas
son idénticas a las dos magnitudes \DeltaTV_{3} y
\DeltaTV_{5} que se han indicado anteriormente en las ecuaciones
(2.1) y (2.2). Se prevé disponer en las nueve pistas parciales las
respectivas marcas de graduación o las secciones de marca de
graduación 51.1 - 51.9 desplazadas de sus posiciones nominales o de
la línea L las separaciones de desplazamiento
\DeltaV_{1}-\DeltaV_{9} que se obtienen
indicadas en la Figura 5, donde las posiciones nominales obtienen a
su vez a partir del periodo de graduación de exploración TP_{A}
predefinido. Las separaciones de desplazamiento que se obtienen
\DeltaV_{1} - \DeltaV_{5} se deducen a su vez, como se
ilustra en la Figura 5, de combinaciones lineales de las
separaciones parciales de desplazamiento \DeltaTV_{3} y
\DeltaTV_{5}. En pistas parciales adyacentes se proporcionan
diferentes separaciones de desplazamiento \DeltaV_{1} -
\DeltaV_{9} que se obtienen de las marcas de graduación o de las
secciones de marca de graduación 51.1 - 51.9.
Ya que para las dos ondas armónica a filtrar (k
= 3, 5) solamente hay cuatro separaciones de desplazamiento
\DeltaV_{1}-\DeltaV_{4} que se obtienen
diferentes, se proporcionan las tres separaciones de desplazamiento
\DeltaV_{2}, \DeltaV_{3} y \DeltaV_{4} dos veces a lo
largo de la longitud total, la separación de desplazamiento
\DeltaV_{1}, por el contrario, tres veces. Se proporciona en los
dos extremos respectivamente la misma separación de desplazamiento
\DeltaV_{1} para las secciones de marca de graduación 51.1 y
51.9 en las correspondientes pistas parciales. Debido a ello se
disponen las pistas parciales perpendicularmente con respecto a la
dirección de medición x con diferentes separaciones de
desplazamiento.
Mediante la división en todavía más pistas
parciales que en el ejemplo anterior se puede conseguir un efecto
de filtro nuevamente mejorado con una insensibilidad con respecto a
torsiones de moiré simultáneamente aumentada. Simultáneamente se
provoca mediante la disposición de secciones de graduación de marca
desplazadas idénticamente 51.1 y 51.9 en los dos extremos una
insensibilidad durante desplazamientos de la escala y la unidad de
exploración en dirección de la raya.
La configuración representada en la Figura 4 de
una marca de graduación representa, como consecuencia, la unidad
base de filtro para la eliminación de la tercera y quinta onda
armónica. La variante en la Figura 5 representa un
perfeccionamiento de la unidad base de filtro, que se corresponde
finalmente con una disposición múltiple de la unidad base en la
dirección y.
La Figura 6 muestra, en vista de planta, una
vista de una placa de exploración completa con una graduación de
exploración basada en las consideraciones explicadas mediante la
Figura 5. Se pueden reconocer claramente las en total nueve pistas
parciales 311.1-311.9 que se obtienen, que presentan
las separaciones de desplazamiento para la filtración de la tercera
y quinta onda armónica que se han analizado anteriormente.
Finalmente se explica mediante la Figura 7 una
variante adicional de un equipo de medición de la posición de
acuerdo con la invención, donde la Figura muestra una vista parcial
de una graduación de exploración usada para la filtración de ondas
armónicas junto con los elementos de detección utilizados la
exploración.
Las marcas de graduación de exploración 71, 72,
73 de este ejemplo de realización comprenden respectivamente tres
pistas parciales, que se disponen a su vez en dirección y de forma
adyacente entre sí. Se ilustran solamente de forma esquemática las
separaciones de desplazamiento en las pistas parciales individuales
entre las secciones de marca de graduación adyacentes 71.1 - 71.3,
72.1 - 72.3, 73.1 - 73.3. Para la selección de estas separaciones
de desplazamiento se puede recurrir a su vez a las consideraciones
que se han descrito en los ejemplos anteriores.
Asimismo indicada en la Figura 7 se representa
una parte del dispositivo de detección superpuesta a la graduación
de exploración en forma de dos elementos de detección individuales
75, 76. Mediante los elementos de detección 75, 76 que se emplazan,
dispuestos periódicamente, en el plano de detección, se explora como
se ha descrito el patrón de franjas que se produce en este caso.
En el ejemplo de la Figura 7 se puede observar
claramente ahora particularmente que la anchura total b_{TOT} que
se obtiene de las pistas parciales individuales de la graduación de
exploración usada para la filtración de ondas armónicas se
selecciona mayor que la longitud l de un elemento de detección
individual 75, 76 en su dirección longitudinal. Mediante esta
medida se garantiza una insensibilidad adicional en relación a la
posición relativa de los elementos de detección con respecto a -en
este ejemplo- las marcas de graduación de exploración filtrantes en
la dirección y, lo que repercute, a modo de ejemplo, en un esfuerzo
de ajuste disminuido durante el montaje. La longitud l de un
elemento de detección individual se selecciona en este caso de modo
que su longitud l se corresponde con un múltiplo entero (i = 1, 2,
3...) de la anchura que se obtiene b_{min} de las pistas
parciales, que se necesita al menos para la obtención del efecto de
filtro deseado. En el presente ejemplo de la Figura 7, la longitud
l del elemento de detección 75, 76 se corresponde con la anchura
que se obtiene b_{min} de dos pistas parciales (i=1). Debido a
ello, en este ejemplo se necesitan al menos dos pistas parciales
para la filtración.
De forma análoga, esto significaría en el
ejemplo de la Figura 5 que se ha explicado anteriormente que el
elemento de detección correspondiente posee una longitud l que se
corresponde con la anchura b_{min} de cuatro pistas parciales, ya
que en este caso para la filtración de la tercera y quinta onda
armónica se necesitan al menos cuatro pistas parciales con
correspondientes separaciones de desplazamiento, etc.
Mediante una selección de este tipo de la
longitud l del elemento de detección se asegura que durante el
montaje así como durante el funcionamiento de medición existe una
cierta tolerancia en vista a la orientación de la correspondiente
marca de graduación con respecto a los elementos de detección,
donde, sin embargo, simultáneamente permanece garantizado el efecto
de filtro pretendido.
Por supuesto, con esta variante de un equipo de
medición de la posición configurado de acuerdo con la invención se
puede combinar asimismo en su totalidad la pluralidad de las medidas
individuales que se han explicado anteriormente.
Por lo demás existe una serie de realizaciones
alternativas adicionales y posibilidades de configuración basándose
en los principios de acuerdo con la invención que se han descrito
anteriormente.
De este modo es posible, por ejemplo, junto con
una trayectoria de rayo de exploración de acuerdo con la Figura 1,
configurar el dispositivo de detección y la graduación de
exploración como una única unidad de detección. Con esto, entonces,
la graduación de exploración se dispondría directamente sobre un
elemento de detección optoelectrónico plano.
Además, es ventajoso durante una filtración en
el lado de la escala, ajustar entre sí las longitudes de las
correspondientes marcas de graduación de exploración y la anchura de
las marcas de graduación de escala filtrantes de forma análoga a
las consideraciones, que se han explicado mediante la Figura 7.
Debido a ello, para conseguir en este caso una correspondiente
tolerancia de montaje entre la escala y la unidad de exploración, se
tendría que seleccionar la longitud de una marca de graduación
sobre la placa de exploración de forma análoga a las
consideraciones en relación con los elementos de detección; es
decir, por un lado, menor que la anchura total de las pistas
parciales usadas para la filtración y, por otro lado, al menos tan
grande para que esta longitud se corresponda con la anchura de
pistas parciales o un múltiplo entero (i = 1, 2, 3...) de la misma,
que se necesita como mínimo para la filtración.
Además se menciona que se pueden configurar de
acuerdo con la invención equipos de medición de la posición tanto
lineares como rotatorios. En el caso que se ha mencionado en último
lugar, se podría aplicar entonces una geometría de elementos de
detección que se desvía de la forma rectangular que se ha analizado
anteriormente.
Asimismo hay diferentes posibilidades de
realización en relación con las estructuras de graduación
utilizadas. De este modo, éstas se pueden configurar como red tanto
de amplitud como de fase.
Además, en el marco de la presente invención hay
posibilidades adicionales de configuración de equipos de medición de
la posición correspondientes.
Claims (12)
1. Equipo óptico de medición de la posición,
compuesto por
- una escala con una graduación de escala con
marcas de graduación de escala, que se disponen periódicamente en
una dirección de medición (x) con un periodo de graduación de escala
(TP_{M}),
- una unidad de exploración móvil con respecto a
la escala en al menos una dirección de medición (x) con
- -
- una fuente de luz
- -
- al menos una graduación de exploración periódica compuesta por marcas de graduación de exploración, que se disponen periódicamente a lo largo de la dirección de medición (x) con un periodo de graduación de exploración TP_{A}, donde el periodo de graduación de escala TP_{M} y el periodo de graduación de exploración TP_{A} se diferencian entre sí y
- -
- un dispositivo de detección, mediante el que, en el caso del movimiento relativo de la escala y la unidad de exploración, se puede detectar al menos una señal de exploración periódica, que se obtiene a partir de la exploración de un patrón de franjas de Vernier con el periodo de patrón de franjas P en un plano de detección del dispositivo de detección,
caracterizado por que
la graduación de escala (10.1) o la graduación
de exploración (23.1) comprende respectivamente más de dos pistas
parciales adyacentes (311.1,....311.9) perpendiculares con respecto
a la dirección de medición (x) y las marcas de graduación en cada
pista parcial (311.1,....311.9) poseen respectivamente una
separación de desplazamiento definida y constante (\DeltaV_{n})
de sus posiciones nominales, donde las separaciones de
desplazamiento (\DeltaV_{n}) de pistas parciales adyacentes
(311.1,....311.9) se diferencian entre sí, de modo que mediante las
separaciones de desplazamiento (\DeltaV_{n}) seleccionadas se
produce una filtración de la señal de exploración de fracciones
indeseadas de ondas armónicas y se selecciona la separación parcial
de desplazamiento \DeltaTV_{k} para la filtración de la
k-ava onda armónica de acuerdo con
\Delta TV_{k}
= +/- (½ * 1/k *
TP_{M}/2)
con k = 2, 3, 5,
7.
2. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la
disposición de los elementos individuales de la unidad de
exploración (20) es de tal modo que los haces de rayos emitidos por
la fuente de luz (21) inciden en primer lugar sobre la graduación de
escala (10.1), después alcanzan la graduación de exploración
(23.1), de modo que después de la interacción de los haces de luz
con la graduación de exploración (23.1) se produce el patrón de
franjas de Vernier periódico en el plano de detección.
3. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la
disposición de los elementos individuales de la unidad de
exploración (200) es de tal modo, que los haces de rayos emitidos
por la fuente de luz (221) inciden en primer lugar sobre la
graduación de exploración (223.1), después alcanzan la graduación
de escala (100.1), de modo que después de la interacción de los
haces de luz con la graduación de escala (100.1) se produce el
patrón de franjas de Vernier periódico en el plano de detección.
4. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado por que
el dispositivo de detección (24; 224) está compuesto por una
pluralidad de elementos de detección rectangulares (75, 76), que se
disponen en la dirección de medición (x) adyacentes entre sí, donde
respectivamente los elementos de detección (75, 76) que suministran
señales de exploración equifásicas están conectados entre sí
eléctricamente.
5. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que a lo
largo de la dirección de medición (x) se disponen siempre tres o
cuatro elementos de detección (75, 76) dentro de un periodo de
patrón de franjas del patrón de franjas de Vernier explorado.
6. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado por que en las pistas parciales se proporcionan
respectivamente separaciones de desplazamiento que se obtienen
(\DeltaV_{n}), que se producen por la combinación lineal de al
menos dos separaciones parciales de desplazamiento
(\DeltaTV_{k}).
7. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que las
pistas parciales se disponen de manera múltiple perpendicularmente
con respecto a la dirección de medición (x) con diferentes
separaciones de desplazamiento (\DeltaV_{n}).
8. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que la
anchura total (b_{TOT}) que se obtienen de las pistas parciales
de la graduación de exploración usada para la filtración de ondas
armónicas perpendicularmente con respecto a la dirección de medición
(x) se selecciona mayor que la longitud (l) de los elementos de
detección perpendiculares a la dirección de medición (x).
9. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que la
longitud (l) de un elemento de detección se corresponde con la
anchura que se obtiene (b_{min}) de pistas parciales o con un
múltiplo entero (i = 1, 2,....) de la misma, que se necesitan al
menos para la obtención del efecto de filtro deseado.
10. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la
graduación de escala comprende varias pistas parciales, que
presentan separaciones adecuadas de desplazamiento de las marcas de
graduación para la filtración de ondas armónicas y en el que la
longitud de una marca de graduación de exploración es menor que la
anchura total de las pistas parciales sobre la escala usadas para la
filtración.
11. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que en
la graduación de escala la longitud de una marca de graduación de
exploración se corresponde con la anchura de las pistas parciales,
que se necesitan al menos para la obtención del efecto de filtro
deseado o con un múltiplo entero (i = 1, 2, 3,.....) de la
misma.
12. Equipo óptico de medición de la posición de
acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que el
dispositivo de detección y la graduación de escala se configuran en
forma de una única unidad de detección, en la que la graduación de
exploración se dispone directamente sobre un elemento de detección
optoelectrónico plano.
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