DE10031691A1

DE10031691A1 - Optoelektronisches Messsystem zur Bestimmung der Verschiebung zweier Objekte zueinander

Info

Publication number: DE10031691A1
Application number: DE10031691A
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Ortlepp
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2001-04-26

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell einsetzbare und einfach herzustellende Auflichtanordnung anzugeben, mit der sowohl relative Verschiebungen zweier Körper als auch Absolutpositionen ermittelt werden können, ohne dass bei Inbetriebnahme eine Initialisierungsfahrt zu einer Referenzmarke erforderlich ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, DOLLAR A - dass auf einer Abtastplatte mehrere parallele Referenzgitterspuren und auf einer Maßverkörperung mehrere zu den Referenzgitterspuren korrespondierende Maßstabsgitterspuren aus reflektierenden Elementen angeordnet sind, wobei alle Maßstabsgitterspuren jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen und jede Referenzgitterspur die gleiche Gitterkonstante wie die jeweils korrespondierende Maßstabsgitterspur aufweist und DOLLAR A - dass die Lichtquelle, die Lichtsensoren, die Referenzgitterspuren sowie eine Linse in einem Geberbauteil angeordnet sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messsystem zur Bestimmung der Verschiebung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle, einer Referenzgitterspur, einer Maßstabsgitterspur sowie einem Lichtsensorarray.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messsystem zur Bestimmung der Verschiebung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle, einer Referenzgitterspur, einer Maßstabsgitterspur sowie einem Lichtsensorarray.

Die Erfindung wird vorzugsweise zur Bestimmung der Absolutposition zweier translatorisch oder rotatorisch zueinander bewegter Objekte bei Verwendung eines Auflichtanordnung und einem als Maßverkörperung bezeichneten zweiten Objekt, welches mit Maßstabsgitterspuren versehen ist, angewendet.

Im Stand der Technik sind verschiedene Messsysteme zur Bestimmung der Verschiebung zweier Objekte zueinander bekannt.

Nach DE 195 27 287 A1 ist ein fotoelektrisches Weg- und Winkelmesssystem zum Messen der Verschiebung zweier Objekte zueinander bekannt, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Referenzgitter, einem Maßstabsgitter, einer Anordnung von Fotoempfängern und einer Auswerteschaltung bekannt, bei dem Fotoempfän ger in einer Fotoempfängermatrix angeordnet sind.

Nach DE 43 16 250 C2 ist eine lichtelektrische Längen- oder Winkelmesseinrich tung mit einem beleuchteten Maßteilungsträger, wenigstens einer Abtastplatte und Prismen zur Trennung von Strahlenbündeln sowie einer Linse bekannt, bei der die Prismen durch unterschiedlich geneigte Bereiche gebildet werden und quer zur Meßeinrichtung angeordnet sind.

Nachteilig bei diesen als Auflichtanordnung ausgebildeten Weg- und Winkelmess systemen ist, dass mit diesem Inkrementalsystem zunächst nur relative Verschie bungen zweier Körper ermittelt werden können und zur Bestimmung von Absolutpositionen bei Inbetriebnahme eine Initialisierungsfahrt zu einer Referenz marke erforderlich ist.

Weiterhin sind im Stand der Technik Durchlichtanordnungen bekannt, die mit Hilfe mehrerer binär codierter Spuren und deren zweifach- und vierfach-Abtastung nach V- und U-Prinzip die Verschiebungen zweier Körper ermitteln.

Nachteilig bei dieser Durchlichtanordnungen ist, dass sich Lichtquelle und Licht empfängeranordnung auf gegenüberliegenden Seiten der Maßverkörperung befin den, wodurch die Anwendbarkeit stark eingeschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell einsetzbare und einfach herzustellende Auflichtanordnung anzugeben, mit der sowohl relative Verschie bungen zweier Körper als auch Absolutpositionen ermittelt werden können, ohne dass bei Inbetriebnahme eine Initialisierungsfahrt zu einer Referenzmarke erforder lich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die Anordnung mehrerer paralleler Referenzgitterspuren an einer Abtastplatte und die Anordnung mehrerer zu den Referenzgitterspuren korrespondierender Maßstabsgitterspuren an einer Maßverkörperung und durch die Anordnung von Lichtquelle, Lichtsensoren, Referenzgitterspuren sowie einer Linse in einem Bauteil gelingt die Realisierung einer Auflichtanordnung, so dass zur Bestimmung von Absolutpositionen sowohl ein Verzicht auf eine Initialisierungsfahrt als auch eine nahezu uneingeschränkte Anwendbarkeit ermöglicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Dazu zeigen

Fig. 1 einen Systemschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung und

Fig. 2 einen Systemschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Auflichtanordnung, die eine als Lichtquelle 1 dienende Infrarot-Leuchtdiode, eine Linse 2, eine Abtastplatte 3 und eine Empfängeranord nung 7 in einem gemeinsamen Bauteil vereinigt, bewegt sich normal zur darge stellten Schnittebene als Ganzes relativ zu einer Maßverkörperung 5 und dient der Bestimmung der Absolutposition entlang dieser Bewegungsrichtung. Die Linse 2 befindet sich zwischen der Abtastplatte 3 und der Empfängeranordnung 7 mit Lichtsensorarrays 8. Die Linsenhauptebenen 11 der Linse 2, die Empfängerebene 9 der Empfängeranordnung 7 und die Abtastplattenebene 12 der Abtastplatte 3 sind dabei parallel und entlang einer optischen Achse 13 angeordnet, wobei der Abstand der Empfängerebene 9 und der Abtastplattenebene 12 von den Linsen hauptebenen 11 jeweils gleich der doppelten Brennweite der Linse 2 ist. Die als Lichtquelle 1 dienende Infrarot-Leuchtdiode weist eine kompakte Form auf und ist in einem geringen Abstand von der optischen Achse 13 in der Brennebene 10 der Linse 2 angeordnet. Dieser Abstand ist gerade so groß, dass weder die Lichtquelle 1 noch deren Halterung an die optische Achse 13 heranreichen. Von der Licht quelle 1 divergent ausgehende Strahlen werden bei ihrem ersten Durchgang durch die Linse 2 zunächst in ein paralleles Bündel umgewandelt, durchlaufen die Abtastplatte 3, welche mit mehreren parallelen Referenzgitterspuren 4 belegt ist, werden an der Maßverkörperung 5, welche mit Maßstabsgitterspuren 6 belegt sind, reflektiert, durchlaufen nochmals die Abtastplatte 3, erreichen ein zweites Mal die Linse 2, bilden in der Brennebene 10 in einem freigehaltenen Bereich ein Spiegelbild der Lichtquelle 1, laufen weiter bis zu den Lichtsensorarrays 8 und bilden auf diesen Lichtsensorarrays 8 die Referenzgitterspuren 4 ab. Dabei ist entscheidend, dass die Güte dieser optischen Abbildung ausreichend für die Auflö sung der einzelnen Felder ist, die Gitterstrukturen innerhalb der Felder jedoch nicht aufgelöst werden müssen. Der von der Lichtquelle 1 gestrichelt dargestellt ausgehende Strahl stellt dar, dass auch bei gewisser Ausdehnung der Lichtquelle 1 die Abbildung der abgetasteten Bereiche ausreichend scharf bleibt. Da jede der parallelen Referenzgitterspuren 4 die gleiche Gitterkonstante wie die jeweils korrespondierende Maßstabsgitterspur 6 aufweist, wird beim Verschieben der Maßverkörperung 5 gegen die Abtastplatte 3 die Intensität des auf die Lichtsen sorarrays 8 auftreffenden Lichtes moduliert. Von den Lichtsensorarrays 8 wird die Intensität des auftreffenden Lichtes registriert. Die Informationen über die gemes sene Lichtintensität wird durch geeignete elektronische Mittel zu einer in Fig. 1 nicht dargestellten Auswerteeinheit 18 weitergeleitet. Von der ersten bis zur letzten der drei dargestellten Maßstabsgitterspuren 6 verdoppelt sich die Gitter konstante jeweils von Spur zu Spur. Im allgemeinen Fall mit n Maßstabsgitterspu ren 6, n Referenzgitterspuren 4 und n Lichtsensorarrays 8 können 2ⁿ Verschiebezustände bestimmt werden; im dargestellten Fall mit drei Maßstabsgit terspuren 6, drei Referenzgitterspuren 4 und drei Lichtsensorarrays 8 können somit 2³ = 8 Verschiebezustände bestimmt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsvariante stellt eine durch Umlenkung des Strahlenganges erzielte Verringerung der Abmessungen des gemeinsamen Bautei les, in welchem die Lichtquelle 1 die Lichtsensoren 8, die Referenzgitterspuren 4 sowie die Linse 2 entlang der optischen Achse 13 angeordnet sind, dar. Das darge stellte gemeinsame Bauteil bewegt sich ebenfalls normal zur dargestellten Schnit tebene relativ zu der Maßverkörperung 5 und dient der Bestimmung der Absolutposition entlang dieser Bewegungsrichtung. Die Linse 2 befindet sich zwischen der Abtastplatte 3 und der Empfängeranordnung 7 mit Lichtsensorarrays 8. Die Linsenhauptebenen 11 der Linse 2 stehen dabei rechtwinklig zu der Empfängerebene 9 der Empfängeranordnung 7 und rechtwinklig zu der Abtastplattenebene 12 der Abtastplatte 3. Die Empfängerebene 9 und die Abtastplattenebene 12 sind parallel, wobei die Abtastplatte 3 in eine Grundplatte 17 des gemeinsamen Bauteils eingesetzt ist und die Empfängeranordnung 7 an einer als Trägerplatte 17 dienenden Leiterplatte, an der auch Teile der Auswerte einheit 18 angeordnet sind, befestigt ist. Die Umlenkung des Stahlengangs im gemeinsamen Bauteil erfolgt durch einen zwischen der Abtastplatte 3 und der Linse 2 angeordneten ersten Spiegel 14 und einen zwischen der Linse 2 und der Empfängeranordnung 8 angeordneten zweiter Spiegel 15. Die Neigung dieser ebenen Spiegel 14, 15 zu den Ebenen 9, 11, 12 beträgt 45° so dass der Strahlengang um 90° umgelenkt wird und der Abstand zwischen der Empfängerebene 9 und der Abtastplattenebene 12 auf die doppelte Brennweite der Linse 2 halbiert ist. Die Befestigung der Spiegel 14, 15 erfolgt an Seitenteilen des gemeinsamen Bauteils. In der Ebene des im Brennpunkt der Linse 2 angeordneten zweiten Spiegels befindet sich die Lichtquelle 2 dicht neben dem Brennpunkt der Linse 2. Von den Teilen der Auswerteeinheit 18 ausgehende Signale werden über Kabel 19 aus dem gemeinsamen Bauteil einer weiteren Auswertung zugeleitet. Das gemeinsame Bauteil stellt eine Auflichtanordnung dar und ermöglicht eine absolute Auflicht-Positionsmessung durch binäre Maßstabs gitterspuren 6 auf der Maßverkörperung 5 mit den aus Durchlichtsystemen bekannten Prinzipien der zweifach- und vierfach V- und U-Abtastung und Inkrementalspureninterpolation.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Lichtquelle

2

Linse

3

Abtastplatte

4

Referenzgitterspuren

5

Maßverkörperung

6

Maßstabsgitterspuren

7

Empfängeranordnung

8

Lichtsensorarrays

9

Empfängerebene

10

Brennebene

11

Linsenhauptebenen

12

Abtastplattenebene

13

optische Achse

14

erster Spiegel

15

zweiter Spiegel

16

Grundplatte

17

Trägerplatte

18

Auswertungseinheit

19

Kabel

Claims

1. Optoelektronisches Messsystem zur Bestimmung der Verschiebung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einer Referenzgitterspur (4), einer Maßstabsgitterspur (6) sowie einem Lichtsensorarray (8), dadurch gekennzeichnet,

- dass auf einer Abtastplatte (3) mehrere parallele Referenzgitterspuren (4) und auf einer Maßverkörperung (5) mehrere zu den Referenzgitterspuren (4) korrespon dierende Maßstabsgitterspuren (6) aus reflektierenden Elementen angeordnet sind, wobei alle Maßstabsgitterspuren (6) jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen und jede Referenzgitterspur (4) die gleiche Gitterkonstante wie die jeweils korrespondierende Maßstabsgitterspur (6) aufweist und
- dass die Lichtquelle (1), die Lichtsensoren (8), die Referenzgitterspuren (4) sowie eine Linse (2) in einem Geberbauteil angeordnet sind.

2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) zwischen einer Empfängeranordnung (7) mit den Lichtsensorarrays (8), welche in einer Empfängerebene (9) angeordnet ist, und der Abtastplatte (3), welche sich in einer Abtastplattenebene (12) befindet, angeordnet ist.

3. Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Lichtsensorarrays (8) gleich der Anzahl der Maßstabsgitterspuren (6) und gleich der Anzahl der Referenzgitterspuren (4) ist.

4. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Linsenhauptebenen (11), die Empfängerebene (9) und die Abtastplattenebene (12) parallel angeordnet sind und der Abstand der Ebenen (9, 11, 12) jeweils gleich der doppelten Brennweite der Linse (2) ist.

5. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lichtquelle (1) kompakt ausgebildet und dicht neben der optischer Achse (13) der Linse (2) angeordnet ist.

6. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass sich die Gitterkonstante von der ersten bis zur letzten Maßstabsgit terspur (6) von Spur zu Spur jeweils verdoppelt.

7. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die mit den Maßstabsgitterspuren (6) versehene Maßverkörperung (5) eine reflektierenden Oberfläche aufweist.

8. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die mit den parallelen Referenzgitterspuren (4) versehene Abtastplatte (3) lichtdurchlässig ist.

9. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abtastplatte (3) an einer Grundplatte (16) des Geberbauteils angeordnet ist.

10. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Auswerteeinheit (18) zur Auswertung der durch die Empfän geranordnung (7) aufgenommenen Informationen und zur Ermittlung der Absolutposition der Maßverkörperung (5) nach den Prinzipien der zweifach- und vierfach- V- und U-Abtastung und einer Inkrementalspurinterpolation angeordnet ist, wobei bei vierfach-Abtastung eine Verringerung der Spurenanzahl möglich ist.

11. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Empfängeranordnung (7) sowie Teile der Auswerteeinheit (18) auf einer Trägerplatte (17) des Bauteils nach Anspruch 1 angeordnet sind.

12. Messsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger platte (17) eine Leiterplatte ist.

13. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Messsignale über ein Kabel (19) weitergeleitet werden.

14. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abtastplatte (3) und der Linse (2) ein erster Spiegel (14) und zwischen der Linse (2) und der Empfängeranordnung (8) ein zweiter Spiegel (15) angeordnet ist.