DD206424A1

DD206424A1 - DEVICE FOR MEASURING SHIFTS AND ROTATIONS OF A BODY

Info

Publication number: DD206424A1
Application number: DD23901382A
Authority: DD
Inventors: Franz Klapper; Stefan Heinemann; Andreas Hellwig; Volkmar Schultze
Original assignee: Franz Klapper; Stefan Heinemann; Andreas Hellwig; Volkmar Schultze
Priority date: 1982-04-15
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1984-01-25
Also published as: DE3308841A1

Abstract

DIE EINRICHTUNG ZUR MESSUNG VON VERSCHIEBUNGEN UND VERDREHUNGEN IST ZUM MESSEN VON LINEAREN VERSCHIEBUNGEN, ABER AUCH IN ZWEI DIMENSIONEN MIT HOHER AUFLOESUNG ANWENDBAR. AUFGABE DER ERFINDUNG IST EINE MASSVERKOERPERNDE INKREMENTALE AUFLOESUNG BEI GLEICHZEITIGER VERMEIDUNG SYSTEMATISCHER FEHLER IN DER MESSANORDNUNG, SENKUNG DES JUSTIERAUFWANDES UND VERMEIDUNG STOERENDER GEGENSEITIGER BEEINFLUSSUNG EINZELNER EMPFAENGERELEMENTE. DIE AUFGABE WIRD DURCH EINE EINRICHTUNG GELOEST, DIE EINEM KOERPER FEST ZUGEORDNETEN RASTERMASSSTAB UND ZU GRUPPEN ZUSAMMENGEFASSTE EMPFAENGERELEMENTE ENTHAELT, DIE DERART ANGEORDNET SIND, DASS DIE ZU EINER PHASENLAGE GEHOERENDEN GRUPPEN WEITESTGEHEND SYMMETRISCH ZU EINER MITTELLINIE DER EMPFAENGERANORDNUNG ANGEORDNET SIND UND DASS ZUR VERMEIDUNG VON AMPLITUDENUNTERSCHIEDEN ZWISCHEN SIGNALEN VERSCHIEDENER PHASENLAGE EINE SOLCHE ANORDNUNG GEWAEHLT WIRD, DASS DIE GRUPPEN FUER JEDE PHASENLAGE AEHNLICHE GEOMETRISCHE ENTFERNUNGEN VON DER MITTELLINIE AUFWEISEN. ZU DIESEM ZWECK SIND FUER JEDE PHASENLAGE WEITERE GRUPPEN HINZUGEFUEGT, DEREN GESAMTORDNUNG ZEILEN- ODER MATRIXFOERMIG ERFOLGEN KANN. DIE EINRICHTUNG WIRD DURCH EINE ELEKTRONISCHE AUSWERTEINHEIT ERGAENZT.THE DEVICE FOR MEASURING SHIFTS AND SPEEDS IS APPLICABLE FOR MEASURING LINEAR SHIFTS, BUT ALSO IN TWO DIMENSIONS HIGH RESOLUTIONS. OBJECT OF THE INVENTION IS A MASS SPHERICAL INCOMREMENTAL RESOLUTION AT THE SAME TIME AVOIDING SYSTEMATIC ERRORS IN THE MEASURING ARRANGEMENT, REDUCING ADJUSTMENT REQUIREMENTS AND AVOIDING INTERFERENCE TO EFFECTS OF INDIVIDUAL RECEIVER ELEMENTS. THE TASK IS BY A DEVICE SOLVED THAT ONE BODY FEST ASSOCIATED WITH GRID SCALE AND GROUPS OF CONDENSED EMPFAENGERELEMENTE CONTAINS THAT SUCH ORDERED ARE THAT TO A PHASE GEHOERENDEN GROUPS LARGELY BALANCED TO AN AXIS OF EMPFAENGERANORDNUNG ARRANGED AND THAT TO PREVENT AMPLITUDE FLUCTUATIONS BETWEEN SIGNALS DIFFERENT PHASE SITUATION, SUCH A SYSTEM IS SELECTED THAT THE GROUPS FOR EACH LIVE POSITION SHOULD HAVE SIMILAR GEOMETRIC DISTANCES FROM THE CENTER. FOR THAT PURPOSE, FURTHER GROUPS ARE ADDED FOR EACH LIVE SITUATION, WHICH MAY HAVE GROUPS OF LINE OR MATRIX FOLLOWING. THE EQUIPMENT IS ENVISAGED BY AN ELECTRONIC EVALUATION UNIT.

Description

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Einrichtung zur Messung von Verschieoungen und Verdrehungen eines KörpersDevice for measuring displacements and torsions of a body

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ©ine Einrichtung zum Messen von linearen Verschiebungen und Drehungen eines Körpers sowie zweidimensionaler Verschiebungen eines Körpers auf einer Ebene mittels eines optischen, dem Körper fest zugeordneten linearen Rastermaßstabes bzw. einer radial geteilten oder einer über Kreuz geteilten Rasterscheibe« Die Einrichtung besteht aus einer photoelektrischen Abtasteinheit und einer elektronischen Auswerteeinheit. Die Abtasteinheit enthält eine £mpfangeranOrdnung aus einzelnen oder zu Gruppen zusammengefaßten Bnpfängerelementen. Die Einrichtung ist auf Grund der Möglichkeiten der Bnpfäng er an Ordnung insbesondere auch zur sehr hochauflösenden Messung der Verschiebung und Verdrehung geeignet.The invention relates to a device for measuring linear displacements and rotations of a body and two-dimensional displacements of a body on a plane by means of an optical, the body fixedly assigned linear grid scale or a radially divided or a cross-divided grid disk "The device consists of a photoelectric scanning unit and an electronic evaluation unit. The scanning unit includes a pickup array of individual or grouped pickup elements. The device is due to the possibilities of Bnpfäng he order suitable in particular for very high-resolution measurement of displacement and rotation.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Meßeinrichtungen dieser Art sind bekannt. Die Verschiebung des mit einem Körper starr verbundenen Eastermaßstabea wird mit einem. Abtastraster erfaßt. Dieses besitzt mehrere gegeneinander versetzte Gitterfelder, hinter denen sich je ein Photoempfänger befindet (Pat. DE-AS 120 8087). Diese und die vorgenannte Einrichtung haben den Nachteil, daß bei geringfügiger Verfälschung der Justierung von Abtastraster zum Maßstab Amplitude und Phase der Bnpfängersignale verfälscht werden. Aus diesen Gründen ist es mit großen Schwierigkeiten verbunden, solche signale elektronisch derart weiter zu verarbeiten, daß eine vielfache Unterteilung (Interpolation) einer Rasterteilung des Maßstaoes erreicht wird, um eine entsprechende AuflösungMeasuring devices of this type are known. The shift of rigidly connected to a body Easter scale is with a. Sampling grid detected. This has a plurality of mutually offset grating fields, behind each of which a photoreceiver is (Pat. DE-AS 120 8087). These and the aforementioned device have the disadvantage that with slight falsification of the adjustment of sampling pattern to the scale amplitude and phase of the Bnpfängersignale be falsified. For these reasons, it is associated with great difficulty to process such signals electronically such that a multiple subdivision (interpolation) of a raster division of Maßstaoes is achieved to a corresponding resolution

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zn ©rhalten_e keep it _e

Es ist weiter bekannt, daß der Erreichung einer hohen Auflö-.sung der Meßgröße durch eine feinere Ras t er t ei lung des Maßstabes wegen ungewollter ßmigungserscheinungen &_ei <3_βΓ ^iIdrealisierung de® Maßstabes auf die Abtasteinheit Grenzen gesetzi; -sind _β It is further known that the achievement of a high resolu-.sung the measured variable by a finer Ras t he t ei development of the scale because of unwanted ßmigungserscheinungen & _e i <3 ^ _βΓ iIdrealisierung DE® scale gesetzi on the scanning limits; -s are _β

Fehlereinflüsse, wie sie bei den genannten Einrichtungen bei geringfügigen BeJustierungen des Abtastrasters entstehen, werden ο ei der Lösung nach BE-OS 250 9932 dadurch vermieden, daß der Maßstab von einer mehrfachen Photozelle abgetastet wird, die aus einer Anzahl nebeneinander liegender linienföraiger Photodioden (180 Stück) aufgebaut ist, wobei jeweils 6 (im Ausführungsbeispiel) nebeneinander liegende Photodioden die Bildinformation einer Teilung des Meßrasters erfassen. Die Photodioden der Photozelle sind in 6 Gruppen unterteilt. Die Photodioden einer Gruppe sind dabei elektrisch verbunden.Error influences, such as occur in the devices mentioned in the case of slight adjustments of the scanning grid, are avoided in the solution according to BE-OS 250 9932 in that the scale is scanned by a multiple photocell consisting of a number of adjacent line-shaped photodiodes (180 pieces ), wherein in each case 6 (in the embodiment) adjacent photodiodes detect the image information of a division of the measuring grid. The photodiodes of the photocell are divided into 6 groups. The photodiodes of a group are electrically connected.

2ur elektronischen Weiterverarbeitung der Signale der 6 Gruppen werden jeweils 3 aufeinanderfolgende Gruppen aktiviert, wobei die Sammlung der 3 Gruppen stets um 1 Gruppe ;w©iterschreitet. Jedoch läßt sich bei dieser Lösung die Hasterteilung nicht bis zu der durch ßeugungserscheinungen bedingten Grenze verkleinern, da die sechs Photodioden, die eine Rasterteilung überdecken sollen, bei weitem nicht auf diese Größe zu verkleinern sind, schon geringfügig unterhalb der im Anwendungsbeispiel der oekannten Lösung angegebenen Größe für den gegenseitigen Diodenabstand von 10 um und 10 μΐη Diodenbreite treten gegenseitige Beeinflussungen der Dioden bzw. Übersprechen der signale der einzelnen Gruppen von Dioden auf· Das bedeutet, daß die Teilung des Maßstabes nicht wesentlich unter die beispielsweise angegebene Größe von 120« μια gebracht werden kann. Eine Auflösung der Meßgröße von z.B. 0,1 μΐη könnte nur t>ei einem bezüglich der Genauigkeit unvertretbar großen Interpolationsfaktor erreicht werden.For the further processing of the signals of the 6 groups, 3 consecutive groups are activated each time, whereby the collection of the 3 groups is always incremented by 1 group. However, in this solution, the hurrying can not be reduced to the limit caused by Ußugungserscheinungen because the six photodiodes, which are to cover a grid division, are far from being reduced to this size, already slightly below the size specified in the application of the above-mentioned solution for the mutual diode spacing of 10 .mu.m and 10 .mu.m diode width, mutual influencing of the diodes or crosstalk of the signals of the individual groups of diodes occurs. This means that the graduation of the scale can not be made significantly below the size of 120 .mu.m. , A resolution of the measurand of e.g. 0.1 μηη could only be achieved with an unreasonably large interpolation factor in terms of accuracy.

Zum'anderen werden bei der bekannten Lösung nur relativ wenig Gitterteilungen (30) des Maßstabes durch die Photozelle erfaßt, so daß die Mittelung über die Maßstabfehler demzufolge sehr gering ist.Zum'anderen only relatively few lattice pitches (30) of the scale are detected by the photocell in the known solution, so that the averaging over the scale error is therefore very low.

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Die Nachteile dieser Lösung werden durch die im WP GO 1 D/ 21 1310 bereits vorgeschlagene Lösung in oeaug auf eine dort angegebene liapfängeranOrdnung teilweise beseitigt. Kirstens können Teilungen des Maßstabes bis zu der durch Beugungserscheinungen Degrenzten Größe mit der Bnpfängeran Ordnung aogetastet werden.The disadvantages of this solution are partially eliminated by the solution already proposed in WP GO 1 D / 21 1310 in oeaug on a liapfängeranOrdnung specified there. Kirstens graduations of the scale up to the limited by diffraction phenomena size with the Bnpfängeran order.

Zweit en-s werden etwa die gleiche Zahl von Rasterteilungen des Maßstabes durch die BapfängeranOrdnung abgetastet, wie Photo— dioden auf ihr enthalten sind, so daß eine große fehlerermittlung der Maßstabfehler zustande kommt,, Diese EmpfängeranOrdnung hat aber den Nachteil, daß bei geringer Dejustierung der ßnpfängeranordnung zum Maßstab bzw. durch eine der BapfängeranOrdnung nicht exakt angepaßte Bildgröße des Maßstabes die Amplituden der signale ungleiche Höhe bekommen und sich daraus bei der weiteren elektronischen Verarbeitung Meßfehler ergeben. Desweiteren wirken sich bei diesem Empfänger Inhomogenitäten in der Beleuchtungsstärke über die BapfängeranOrdnung relativ stark auf den Meßfehler aus«Secondarily, approximately the same number of raster graduations of the scale are scanned by the BapfängeranOrdnung as photodiodes are contained on it, so that a large error determination of the scale error is achieved ,, This EmpfängeranOrdung but has the disadvantage that at low misalignment of the ßnpfängeranordnung to scale or by a BapfängeranOrdnung not exactly matched image size of the scale get the amplitudes of the signals unequal height and resulting in the further electronic processing measurement errors. Furthermore, with this receiver, inhomogeneities in the illumination intensity via the baffle arrangement have a relatively strong effect on the measurement error. "

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden und eine Einrichtung zu schaffen, die sowohl von der Photoempfängeranordnung als auch von der elektronischen Auswerteeinheit Möglichkeiten oietet, höchstes Auflösungsvermögen verbunden mit hoher Genauigkeit bei relativ geringen Anforderungen an die Justierung zu erreichen.It is therefore an object of the invention to overcome these drawbacks and to provide a device which rents out possibilities of both the photoreceiver assembly and the electronic evaluation unit to achieve the highest resolving power associated with high accuracy at relatively low adjustment requirements.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung der linearen Verschiebung· und Drehung eines Körpers mit dem Ziel zu schaffen, eine hohe maßverkörpernde inkrementale Auflösung zu erreichen, wobei durch die spezielle Art der Abtastung der relativen Lage des Rastermaßstabes zur Abtasteinheit alle möglicherweise auftretenden systematischen fehler in der Meßanordnung, die beispielsweise durch solche Faktoren wie Verkippungen bzw. Verdrehungen der Empfang er an Ordnung gegenüber dem Maßstab oder das Bild des Maßstabes wird mit einem vom Sollwert abweichenden Abbildungsmaßstab auf die Abtasteinheit übertragen bzw. zur Bildübertragung des Maßstabes auf die Abtast-The invention has for its object to provide a device for measuring the linear displacement and rotation of a body with the aim of achieving a high Maßverkörpernde incremental resolution, with the special type of scanning the relative position of the grid scale to the scanning all possibly occurring systematic errors in the measuring arrangement, for example, by such factors as tilting or rotation of the reception he order on the scale or the image of the scale is transmitted with a deviating from the nominal magnification on the scanning unit or for image transmission of the scale on the sampling

einheit durch Schattenwurf wird nicht völlig paralleles Licht verwendet sowie durch nicht völlig homogene Ausleuchtung des Meßstabs bzw. der Abtasteinheit hervorgerufen werden können, weitgehend eliminiert werden©unit by shadow casting is not used completely parallel light and can be caused by not completely homogeneous illumination of the dipstick or the scanning unit, are largely eliminated ©

Bas dient auch dem Ziel, den Justieraufwand für die Positionierung der Abtasteinheit wesentlich zu verringern, ozw, die Einrichtung ic ihrer Genauigkeit weitgehend unempfindlich gegen ungewollte Abweichungen vom eingestellten Justierzustand zu machen, die sich während des Betriebes einer solchen Einrichtung ergeben können·Bas also serves the purpose of substantially reducing the adjustment effort for the positioning of the scanning unit, or to render the device ic its accuracy largely insensitive to unwanted deviations from the adjusted state of adjustment that may arise during the operation of such a device.

Weiter liegt die Aufgabe zugrunde, den Maßstab direkt mit dem von einer Lichtquelle ausgehenden divergenten strahlenquelle ohne Kondensorlinse im Schattenwurf auf die Abtasteinheit abzubilden»It is also the object of the scale directly with the emanating from a light source divergent radiation source without condenser lens in the shadow cast on the scanning unit »

Desweiteren liegt die Aufgabe zugrunde, die störende gegenseitige Beeinflussung einzelner Empfängerelemente der Abtasteinheit, wie sie beispielsweise durch photoelektrisches Übersprechen hervorgerufen wird, weitgehend auszuschließen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, welche mit nur einer Abtasteinheit die Messung der Verschiebung eines Körpers auf einer Ebene erlaubt·Furthermore, it is the object of the disturbing mutual interference of individual receiver elements of the scanning unit, as it is caused for example by photoelectric crosstalk, largely exclude. A further object of the invention is to provide a device which permits the measurement of the displacement of a body on a plane with only one scanning unit.

Weiter liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Abtasteinheit erhaltener; signale mit EiIfe einer elektronischen Auswerteeinheit in eine digitale Angabe der Meßgröße umzuwandeln und zur Anzeige zu bringen bzw. zur weiteren Verarbeitung der Meßgröße, ζ·Β, zur MG-Steuerung, in einem geeigneten Code bereitzustellen*It is also the object of the invention obtained by the scanning unit; to convert signals with an electronic evaluation unit into a digital indication of the measurand and to display them or to provide them in a suitable code for further processing of the measurand, ζ · Β, for MG control *

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Einrichtung zum Messen von Verschiebungen und Drehungen eines Körpers mittels eines optischen, dem Körper feat zugeordneten Rastermaßstabes, die eine lichtelektrische Abtasteinheit und eine elektronische Auswerteeinheit aus einer einzelne \ oder zu Gruppen zusammengefaßte impf anger elemente enthaltenden Empfängeranordnung zur Gewinnung unterschiedlicher, hinsichtlich der geometrischen Position zürn Maßstab phasen verschob en er Signale und einer zweiten zur Kompensation von durch fehlerhafte Justierung der Abtasteinheit zum Maßstab hervorgerufenenThe solution of this object is achieved with a device for measuring displacements and rotations of a body by means of an optical, body feat associated raster scale, the summarized a photoelectric scanning unit and an electronic evaluation unit from a single \ or groups vaccination anger elements containing receiver arrangement for obtaining different , with respect to the geometric position at scale phases, he shifted signals and a second to compensate for caused by incorrect adjustment of the scanning unit to the scale

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Phasenfehler vorgesehenen zweiten, der ersten identischen BnpfängeranOrdnung, jeaoch mit umgekehrter Reihenfolge der einzelnen länpfäng er elemente bsw_e Gruppen von ©apfängerelementen besteht und die einander in der Phasenlage entsprechenden Empfänger elemente bzw. Gruppen von Bnpfängereleinenten beider Anordnungen paarweise zusammengeschaltet sind erfindungsgeiuäß dadurch, daß die lichtelektrische Abtasteinheit zur Kompensation von Amplitudenfehlern aus zwei weiteren EmpfangeranOrdnungen mit einzelnen Bnpfängerelementen, bzw. Gruppen von Elementen besteht, daß die Elemente jeder Empfangeranordnungj deren Lage zum Maßstab einander entsprechen, zu jeweils einem Block zusammengeschart et sind, wobei die Reihenfolge der Einzelelemente, bzw. Gruppen in, den vier Binpfängeranordnungen unterschiedlich ist· Die Gruppen können in der lichtelektrischen Abtasteinheitj zeilen- oder matrixförmig angeordnet sein und es können zur Vermeidung von Übersprecherscheinungen die Abstände zwischen den Gruppen ganzzahlige Vielfache der Rasterkon-r stante des Maßstabes darstellen,,Phase error provided second, the first identical BnpfängeranOrdnung, but still with the reverse order of the individual länpfäng he elements bsw _e groups of © apfängerelementen and the mutually corresponding in the phase position receiver elements or groups of Bnpfängereleinenten both arrangements are interconnected in pairs erfindungsgeiuäß by the fact that the photoelectric Scanning unit for compensating for amplitude errors from two further receiver arrangements with individual receiver elements, or groups of elements, consists in that the elements of each receiver arrangement whose position corresponds to the scale correspond to one block each, the order of the individual elements or groups in The four Binpfängeranordnungen is different · The groups can be arranged in the photoelectric scanning unit line or matrix-shaped and it can to avoid crosstalk phenomena the Abstä between the groups represent integer multiples of the raster constant of the scale ,,

Vorteilhafterweise werden die Gruppen jedes Blockes zu einer gemeinsamen Mittellinie weitgehend symmetrisch zugeordnet.Advantageously, the groups of each block are assigned to a common centerline largely symmetrical.

Die Möglichkeit der direkten Messung von Koordinaten bei einer verschiebung ineiner Ebene ist erfindungsgemäß dadurch garantiert, daß zwei lichtelektrische Abtasteinheiten derart miteinander verbunden sind, daß ihre Mittellinien senkrecht aufeinander stehen,.The possibility of direct measurement of co-ordinates with a shift in a plane is guaranteed according to the invention in that two photoelectric scanning units are connected to each other such that their center lines are perpendicular to each other.

Die elektronische Auswerteeinheit enthält erfingungsgemäß zur Abtrennung der Oberwellen von einem Meßsignal am Ausgang eines Modulators ein Filter und zur Gewinnung der Meßgröße zwei Zählketten. Weiterhin ist ein Ringzähler mit dem Modulator und zur Gewinnung eines Referenzsignals mit den Zählketten vorgesehen·According to the invention, the electronic evaluation unit contains a filter for separating the harmonics from a measuring signal at the output of a modulator and two counting chains for obtaining the measured variable. Furthermore, a ring counter is provided with the modulator and for obtaining a reference signal with the counting chains.

Durch elektrische Verbindung der einzelnen Elemente eines Blockes werden dann bei der erfindungsgemäßen AbtasteinheitBy electrical connection of the individual elements of a block are then in the scanning unit according to the invention

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aus den Einzeisigaalen summensignale erhalten, bei denen zusätzlich zur weitestgehencien Eliminierung von Phasenfehlern auöh Unterschiede in der Amplitude weitgehend ausgeglichen werden«obtained from the single-line sigma signals, which in addition to the far-reaching elimination of phase errors, are largely compensated for differences in amplitude. "

Zur Erreichung eines höheren Signalpegels und zur Mittelung statistischer Lagefe.b-4.er der Elemente des Rastermaßstabes können erf indungemäJ^ 'statt eines zu einem Block gehörenden lünpfängerelementes eine Gruppe von η eben ein and er lieg en den elektrisch verbundenen Bnpfangerelement en angeordnet werden» Die erfind ungs ge mäße Abtasteinheit besteht dann aus einzelnen Blöcke von Gruppen elektrisch verbundener streif enförmiger Dnpfangerelemente ι die innerhalb einer Gruppe mit der gleichen Wiederholperiode angeordnet sind wie die einzelnen Elemente des Maßstabes. Die lanpfän^erelemente jeder Gruppe eines Blockes haoen dabei gleiche phasenmäßige Zuordnung zu den Elementen des MaßstaDes· Die Empfängere lernen te von Gruppen unterachieJlicher Blöcke sind entsprechend der geforderten Phasenlagen der Signale der einzelnen Blöcke untereinander versetzt angeordnet» soll beispielsweise die erfindungsgemäße Abtasteinheit η Signale mit aquidistanten Phasendifferenzen A ψ liefern, so müssen die Bnpfänöerelemente der Gruppen des i-ten Blockes gegenüber den (i + 1)-ten Blockes eine Versetzung von g./n aufweisen, um dann bei relativer Verschiebung von Maßstab und Abtasteinheit als Funktion vom Ort χ die η Signale mit den PhasenlagenIn order to achieve a higher signal level and to average the positional elements of the grid scale, a group of η may be placed just above the electrically connected receiver element instead of a receiver element belonging to a block. The inventive measuring device then consists of individual blocks of groups of electrically connected strip-shaped receiving elements which are arranged within a group having the same repetition period as the individual elements of the scale. The slant elements of each group of a block have the same phase assignment to the elements of the measure. The receivers learn of groups below the blocks are arranged offset one another according to the required phase positions of the signals of the individual blocks, for example if the sampling unit according to the invention is to have signals with equidistant signals Phase differences A ψ , the Bnpfänöerelemente the groups of the i-th block against the (i + 1) -th block must have an offset of g./n, and then at relative displacement of scale and sampling unit as a function of the place χ η signals with the phase positions

mit i = 1 ... η zu erhalten, wobei g die Rasterkonstante des Maßstabes ist.with i = 1 ... η, where g is the raster constant of the scale.

Die Anordnung der einzelnen Bnpfängerelemente in Gruppen hat gegenüber bekannten Lösungen,wo benachbarte Bapfängerelemente zu verschiedenen Blöcken gehören, den Vorteil, daß beispielsweise bei gegenseitiger Beeinflussung der Elemente bzw. Übersprechen von Signalen auf benachbarte Bmpfängerelemente keine gegenseitige Verfälschung der signale auftreten kann, dabei der Anordnung in Gruppen alle Elemente innerhalb einer Gruppe Signale gleicher PhasenpositionThe arrangement of the individual Bnpfängerelemente in groups has over known solutions, where adjacent Bapfängerelemente belong to different blocks, the advantage that, for example, mutual interference of the elements or crosstalk of signals on adjacent Bmpfängerelemente no mutual falsification of the signals may occur, the arrangement in Groups all elements within a group Signals of the same phase position

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bilden · Befind ungsgexnäß ist es deshalb zur Erhöhung des inkrementalen Auflösungsvermögens möglich, daß die w&äerholperiode der Ejnpfängerelemente bei der erfindungsgemäßen AO-tasteinheit zur Abtastung von Maßstäben entsprechender Easterkonstanten g beliebig klein gemacht werden kann, soweit das die Herstellungstechnologie für Maßstab und Abtasteinheit : erlaubt und zum anderen die Informationsübertragung von Maßstab auf die Empfängeranordnucg noch zu realisieren ist. Tritt beispielsweise zwischen benachbarten Gruppen, die zu verschiedenen Blöcken gehören, eine gegenseitige Beeinflussung dieser Gruppen dzw. ein Übersprechen deren signale auf, dann können, um dies zu'verhindern, erfindungsgemäß die einzelnen Gruppen auseinander gerückt werden. Die Ab stands vergrößerung muß dabei einem ganzzahligen Vielfachen von g entsprecbep.Therefore, to increase the incremental resolving power, it is possible to make the repetition period of the receiver elements in the AO scanning unit according to the invention for scanning scales of corresponding Easter constants g as small as possible, as far as the production technology for scale and scanning unit: allows and another is the information transfer from scale to the Empfängeranordnucg still to realize. Occurs, for example, between adjacent groups that belong to different blocks, a mutual influence of these groups dzw. crosstalk their signals, then, to prevent this, according to the invention, the individual groups are moved apart. The increase in size must correspond to an integer multiple of g.

Bei Einsatz zweier erfindungsgemäßer Abtasteinheiten, die so nebeneinander oder bezüglich der Gruppen ineinander verschachtelt angeordnet sind, daß deren jeweilige Mittellinien senkrecht aufeinander stehen, ist es möglich, mit der entstandenen Abtaäteinheit die Messung der Verschiebung eines Körpers auf einer übene zu realisieren. Voraussetzung dazu ist, daß der Körper fest mit einem flächenhaft ausgedehnten Kreuzraster verbunden ist.When using two scanning units according to the invention, which are arranged next to one another or with respect to the groups in such a way that their respective center lines are perpendicular to one another, it is possible to use the resulting scanning unit to measure the displacement of a body on a plane. The prerequisite for this is that the body is firmly connected to a two-dimensionally extended cross grid.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abtastung von Linear-, Kadial- und Kreuzrastern gibt wegen ihrer Eigenschaften bezüglich der inneren Peelerreinigung der Signale gegenüber bekannten AbtasteiDheiten die Möglichkeit, relativ große Abweichungen des auf der Abtasteinheit erscheinenden Bildes des Maßstabes zuzulassen. Das bietet bei Meßsystemen, bei denen der Maßstab über ein optisches Abbildungssystem auf die Abtasteinheit projiziert wird, den Vorteil, daß die Notwendigkeit entfällt, die Bildgröße mit sehr hoher Genauigkeit einzustellen. Zum anderen bietet aber diese Tatsache bei Abtastung des Maßstabes auf den Bnpfanger über Schattenwurfprojektion die Möglichkeit, statt der bekannten Beleuchtungseinheit mit Kondensor eine Beleuchtungseinheit zu verwenden, die außer der Lichtquelle keine weiteren Bauteile enthält.The inventive arrangement for scanning linear, Kadial- and cross grids are because of their properties with respect to the internal Peelerreinigung the signals over known AbtasteiDheiten the possibility of allowing relatively large deviations of appearing on the scanning unit image of the scale. This offers the advantage in measurement systems in which the scale is projected onto the scanning unit via an optical imaging system, eliminating the need to adjust the image size with very high accuracy. On the other hand, however, this fact offers, when scanning the scale on the grabber via shadow projection, the possibility of using a lighting unit instead of the known lighting unit with condenser, which contains no other components besides the light source.

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Das schattenwurfbild des Maßstabes erscheint dann durch die von der Lichtquelle ausgehende divergente Strahlung in vergrößertem Maßstab. Um diese Bildvergrößerung in Grenzen zu halten, ist. es möglich, die BnpfängeranOrdnung sehr nahe hinter dem Maßstab anzuordnen· Das ist aoer wegen der sich daraus erg eo enden geringen jja standst oleranzen unvorteilhaft. Leshalo wird erfindungsgemäß die Abtasteinheit in der widerholperiode der Eoapfängerelemente dem Bild des Maßstabes in einer solchen Entfernung vom Maßstab angepaßt, wo dieses noch einen ausreichenden Kontrast zeigt. Dadurch wird es mit eiper solchen Abtasteinheit möglich, das Bild des Maßstabes nahezu in gleicher Entfernung abzutasten wie oei Urzeugung des Schattenwurfbildes durch paralleles Licht, Der der Abtasteinheit zugrunde liegende geometrische Aufbau bleibt nicht auf lichtelektrische Abtastung beschränkt, es ist z.B. auch für magnetische/ induktive, kapazitive Abtastung anwendbar_p Im Ausführungsbeispiel wird jedoch allein auf das lichtelektrische Prinzip eingegangen.The shadowed appearance of the scale then appears on an enlarged scale due to the divergent radiation emanating from the light source. To limit this image magnification is. It is possible to arrange the pickup order very close to the scale. This is disadvantageous, however, because of the resulting low jja standstill. Leshalo invention, the scanning unit in the repeating period of Eoapfängerelemente the image of the scale at such a distance from the scale adapted, where this still shows a sufficient contrast. This makes it possible with eiper such scanning unit to scan the image of the scale almost the same distance as oei spontaneous generation of the shadow image by parallel light, The underlying the scanning unit geometrical structure is not limited to photoelectric scanning, it is also for magnetic / inductive, Capacitive sampling applicable _p However, in the embodiment, only the photoelectric principle is discussed.

Ausführungsbeispiel ' . !'ΓEmbodiment '. ! 'Γ

Die Erfindung soll anhand folgender in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden: . \The invention will be explained in more detail with reference to the following in the drawing schematically illustrated embodiments:. \

Bs zeigen:Bs show:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen photoelektrischen Abtasteinheit zur Bestimmung der linearen Verschiebung eines Körpers,1 is a schematic representation of a photoelectric scanning unit according to the invention for determining the linear displacement of a body,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen phot ©elektrischen. Abtastanordnung zur Bestimmung der Verschiebung eines Körpers auf einer Flache,Fig. 2 is a schematic representation of a phot © electrical according to the invention. Scanning arrangement for determining the displacement of a body on a surface,

Fig. 2 zwei verschiedene Äusführungsformen eines gekreuzten Rast ermaß st ab es, der mit dem Körper starr verbunden ist, dessen Verschiebung auf einer Biene nach der Erfindung bestimmt werden soll,Fig. 2 shows two different Äusführungsformen a crossed catch ermaß st from it, which is rigidly connected to the body, whose displacement is to be determined on a bee according to the invention,

Fig. 4 eiJDe Einrichtung nach der Erfindung zur Messung der Verschiebung auf einer Fläche,4 shows a device according to the invention for measuring the displacement on a surface,

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Fig, 5 Θ3.0 Blockschaltbild der erf indutgs gemäß en elektronischen Auswerteeißheit der EmpfängeranOrdnung5 is a block diagram of the invention in accordance with the electronic evaluation accuracy of the receiver arrangement

Iq Pig» 1 iat beispielsweise eine EmpfängeranOrdnung 1 dargestellt, die oei relativer Verschiebung aüm Maßstab'vi^r Signale I^ - I^ geben soll, die in ihren Ortsfunktionen eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° haben sollen. Die Signale werden von den auf der Empfängeran Ordnung erfindungsgemäß verteilten Gruppen I - IV von Bnpfangerelementen gebildet, wobei Gruppen gleicher Bezeichnung elektrisch miteinander verbunden sind. Die Bnpfängerelemente sind streifenförmig ausgebildet und liegen parallel zur Mittellinie Sie sind durch nichtempfindliche Streifen der gleichen Brei-· te getrennt und innerhalb einer Gruppe elektrisch verbunden. Die Wiederholperiode der ]ünp fang er elemente innerhalb der Gruppen ist gleich der Wiederholperiode der Hasterelementje des am Ort der Abtasteinheit vorliegenden Maßstabbildes. Die Gruppen von Bnpfängerelementen mit gleicher Bezeichnung haben zum Maßstabbild die gleiche Phasenbeziehung. Zwischen in richtiger Reihenfolge liegenden Gruppen sind Versetzungen von 1/4 eines Raster element ea des Maßstabbildes eingebaut. Diese Versetzungen können erfindungsgemäß um eine ganzzahlige Anzahl von Rastexelementen des Maßstabbildes vergrößert werden, um ein photoelektrisches Übersprechen der Signale verschiedener Gruppen zu vermeiden.For example, Iq Pig1 represents a receiver order 1, which, in relative displacement, is supposed to give signals I ^ - I ^ which are supposed to have a mutual phase shift of 90 ° in their position functions. The signals are formed by the groups I-IV of receiver elements distributed on the receiver according to the invention, groups of the same designation being electrically connected to one another. The receiver elements are strip-shaped and lie parallel to the center line. They are separated by non-sensitive strips of the same width and are electrically connected within a group. The repetition period of the perturbation elements within the groups is equal to the repetition period of the hysteresis element of the scale image present at the location of the scanning unit. The groups of receiver elements having the same designation have the same phase relation to the scale image. Between groups lying in the correct order are displacements of 1/4 of a grid element ea of the scale image. According to the invention, these dislocations can be increased by an integer number of locking elements of the scale image in order to avoid photoelectric crosstalk of the signals of different groups.

In einem Amvendungsoeispiel betrug die Größe eines Rasterelementes des Maßstabes 50 pm. Die Versetzungen zwischen den einzelnen Gruppen wurden um je ein Raaterelement vergrößert.In one application example, the size of a raster element of the scale was 50 pm. The dislocations between the individual groups were increased by one Raaterelement.

Die Größe der Sapfängeranordnung betrug ca. 4x4 mm · Jede Gruppe enthielt 15 Bapfangerelemente.The size of the Sapfängeranordnung was about 4x4 mm · Each group contained 15 Bapfangerelemente.

In einem anderen Anwendungsbeispiel betrug die Größe eines Rast er elements des Maßstabes 5 μπι. Hier wurden die Versetzungen' zwischen den einzelnen Gruppen um je 10 Rasterelemente vergrößert.In another application example, the size of a catch he was elements of the scale 5 μπι. Here the dislocations between the individual groups were increased by 10 grid elements each.

In jig. 2 ist eine Abtasteinheit 3 dargestellt, die erfindungs gemäß aus zwei der in pig. Igezeigten Abt ast einheit en zusammengesetzt ist. Damit kann in Verbindung mit einem in Pig« 3 dargestellten Maßstabraster 4 bzw. 5 die VerschiebungIn jig. 2, a scanning unit 3 is shown, the fiction, from two of the pig. The abbreviation unit shown is composed. Thus, in conjunction with a scale grid shown in Pig «3 4 or 5, the shift

ι j y u ι 3 4 ι j yu ι 3 4

eines Körpers auf einer Fläche in zwei Koordinaten direkt bestimmt werden·of a body on a surface can be determined directly in two coordinates ·

Bei dieser Abtasteinheit stehen die Snpfängerelemente der Gruppen I - IV und I - IV senkrecht aufeinander.In this scanning unit, the sniffer elements of groups I-IV and I-IV are perpendicular to each other.

Die ABwendungsoeispiele für die EmpfängeranOrdnung 1 gelten auch für die Empfän^eranOrdnung 3·The application examples for the receiver order 1 also apply to the receiver order 3 ·

In Fig. 4- ist beispielsweise eine einrichtung zur Messung der Verschiebung eines Körpers auf einer Fläche dargestellt· Bas von einer Halbleiter-Lichtquelle 6 ausgehende Licht projiziert im Schattenwurf das Maßstabraster 4 bzw. 5 ^al*f die BnpfängeranOrdnung 3.In Fig. 4, for example, a device for measuring the displacement of a body is shown on a surface · Bas emanating from a semiconductor light source 6 light projected in the shadow of the Maßababraster 4 and 5 ^al * f the BnpfängeranOrdnung third

Der Abstand von der Lichtquelle 6 bis zum Maßstabraster beträgt beispielsweise 10 mm. Der Abstand zwischen Maßstabraster und Oberfläche der Empfängeranordnung beträgt etwa 200 μπι bei einem Maßstab mit einer Rasterkonstanten von 50 um. Die Größe der Wiederholperiode der Abtasteinheit beträgt 51 μια·The distance from the light source 6 to the scale grid is for example 10 mm. The distance between scale grid and surface of the receiver array is about 200 μπι at a scale with a grid constant of 50 microns. The size of the repetition period of the scanning unit is 51 μια ·

In Fig. 5 ist das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Auswerteeinheit dargestellt. Die von einem {Taktgenerator 8 gelieferten Impulse steuern einen Ringzähler 9 an· Nach jedem Umlauf gibt der Ringzähler ein Referenzsignal 13 ab. Die vom Ringzähler in zeitlicher Aufeinanderfolge gelieferten Impulse werden von den Signalen der Abtasteinheit 1? in einem Vierfachmodulator 11 moduliert und addiert. Das so entstandene zeitfrequente Signal hat bezüglich seiner Grundwelle die FrequenzFIG. 5 shows the block diagram of an electronic evaluation unit according to the invention. The pulses delivered by a clock generator 8 drive a ring counter 9. After each revolution, the ring counter outputs a reference signal 13. The pulses delivered by the ring counter in temporal succession are from the signals of the scanning unit 1? modulated in a quadruple modulator 11 and added. The resulting time-frequency signal has the frequency with respect to its fundamental wave

f ~ f - ^v ""⁰S V/ob ei f_Q die Umlauf frequenz des Ringzählers ist und v. die relative Verschiebegeschwindigkeit zwischen Maßstab 7 und impf anger an Ordnung 1. Da Λξ positiv und negativ gerichtet sein kann, umfaßt das zeitfrequente Sigüal entsprechend der Verschiebegeschwindigkeit eine bestimmte Bandbreite· Durch ein der Bandbreite angepaßtes Filter 12 werden aus dem zeitfrequenten Signal mit der Grundwelle der Frequenz f die Oberwellen herausgefiltert. Die Anwendung des Filters gewährleistet gegenüber*¹*bekannten Lösungen, daß das entstandene Signal in seiner Phase eine strenge Proportionalität zum Verschiebeweg zeigt und demzufolge noch eine hohef ~ f - ^v "" ⁰ SV / if e f _{Q is} the circulating frequency of the ring counter and v. since Λξ can be positive and negative, the time-frequency signal includes a certain bandwidth according to the shift speed. Filter 12 adapted by the bandwidth is converted from the time-frequency signal to the fundamental frequency f filtered out the harmonics. The application of the filter guarantees * ¹ * known solutions that the resulting signal in its phase shows a strict proportionality to the displacement and therefore a high

23901 3 423901 3 4

Genauigkeit bei entsprechend großer Unterteilung des Verschieb eweges gewährleistet» Am Ausgang des Filters wird dieses Signal digitalisiert. Bas so entstandene Meßsignal 14 und das Referenzsignal 13 werden je einer Zählkette zugeführt» Der Zähliahalt der Kette muß größer sein als die maximale Anzahl der Gitterleitungen auf dem Maßstab. Die Zeitdifferenz zwischen dem Übertragen entspricht der Größe der relativen Verschiebung zwischen Maßstab und Bapfängeranordnung. Biese Zeitdifferenz kann mit einem Zeitzähler 15 bestimmt v/erden. Bie Größe der Unterteilung (Interpolation) einer Teilung des Maßstabes ist abhängig vom Zähltakt, der auch vom !Taktgenerator 8 abgeleitet werden kann. (In dem Anwendungsbeispiel betrug der Interpolationsfaktor 500).Accuracy is ensured with a correspondingly large subdivision of the displacement path »This signal is digitized at the output of the filter. Bas so formed measuring signal 14 and the reference signal 13 are each supplied to a counting chain »The Zähliahalt the chain must be greater than the maximum number of grid lines on the scale. The time difference between the transmission corresponds to the magnitude of the relative displacement between scale and Bapfängeranordnung. The time difference can be determined with a time counter 15. The size of the division (interpolation) of a division of the scale is dependent on the counting clock, which can also be derived from the clock generator 8. (In the application example, the interpolation factor was 500).

Zur schnellen Auswertung des Meßergebnisses wird die Phase zwischen den Signalen 12 und 14 gemessen und die aktuelle Differenz zwischen den beiden Zählerketten 10 geoildet.For rapid evaluation of the measurement result, the phase between the signals 12 and 14 is measured and the actual difference between the two counter chains 10 geoildet.

Gegenüber bekannten Verfahren ist es bei dieser Lösung nicht erforderlich, dem Ringzähler Rucksteil impulse zuzuführen, die nach Teilung aus den Taktimpuls en erhalten werden, sondern die Signale 13 werden direkt dem Ringzähler entnommen, Bas verringert den Schaltungsaufwand und erhöht die Zuverlässigkeit· Gegenüber bekannten Verfahren ermöglicht diese Methode der Meßwertgewinnung eine hohe Unterteilung (Interpolation) eines Rasterelements des Maßstabes bei geringem achaItungstechnischem Aufwand.Compared with known methods, it is not necessary in this solution to supply pulses to the ring counter, which are obtained after division of the clock pulses, but the signals 13 are taken directly from the ring counter Bas reduces the circuitry and increases reliability · Compared with known methods allows This method of data acquisition a high subdivision (interpolation) of a raster element of the scale with little achaItungtechnischem effort.

Claims

233013 4

i & rfindungsansprueh

The invention relates to displacements and rotations of a body by means of a photoelectric scanning unit and an electronic evaluation unit _9, wherein the photoelectric scanning unit consists of an optically fixed body graduation scale and a receiver arrangement consisting of receiver elements for obtaining partially different light sources the geometric position to the scale of phase-shifted signals is constructed so that the belonging to a phase of the measurement signal Ecip fange re e ment e combined into two groups and the groups are arranged so that for the greatest possible elimination of phase errors belonging to a phase position groups as far as possible symmetrical to a common line of the phasing line of the receiver arrangement, which is arranged parallel to the raster elements of the scale in the case of linear grids, in the radial direction in the case of radial arrays, characterized in that the groups of receiver elements in addition to the achieved elimination of the phase errors to avoid amplitude differences between the signals of different phase position are as follows: be arranged so that the groups for each phase as possible similar geometric distances from the Liittellinie have ¹ , which is achieved in particular by adding further groups for each phase.

2. Device neich point 1, characterized in that the groups of receiver elements ,, consisting of one or more receiver elements, in the photoelectric scanning unit line or matrix are arranged »

3. The device according to item 2, characterized in that to avoid Übersprecherscheinungen the distances between the groups by integer multiples of the grid

constant of the scale can be increased.

Device for measuring displacements in two dimensions according to point 3, characterized in that two photoelectric scanning units are provided whose center lines are perpendicular to each other.

1 3 4

5 »Sinrichtung after point I _1, characterized in that the electrical Ausv / erteeinheit for separating the harmonics of a keßsignal at the output of a modulator contains a filter.

6 * device according to point 5, characterized in that provided for obtaining the measured quantities two counting chains

are.

7. Device according to item 6, characterized in that a ring counter is connected to the modulator and for obtaining a xieferenzsignals with the counting chains.

Dazu.2 ...... pages drawings