DE102005029553A1 - Positionsmesseinrichtung und Verfahren zur Kontrolle von Abtastsignalen der Positionsmesseinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Positionsmesseinrichtung ist zur Kontrolle der Abtastsignale (S1-S6) während des Messbetriebs eine Kontrollvorrichtung vorgesehen, die die Amplitude (A) der Abtastsignale (S1-S6) mit einem vorgegebenen Fehlerniveau (V) vergleicht. Um diese Kontrollvorrichtung (11) auch zur Kontrolle der Grundeinstellung der Positionsmesseinrichtung verwenden zu können, wird die Amplitude (A) durch Einbringen eines Lichtfilters (20) in den Lichtstrahlengang (L) verringert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Kontrolle von Abtastsignalen der Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
• Die Kontrolle der positionsabhängigen Abtastsignale einer Positionsmesseinrichtung ist insbesondere nach erfolgter Montage der Positionsmesseinrichtung erforderlich, um einen möglichst langen Messbetrieb zu gewährleisten. Die Signalqualität und Messgenauigkeit ist erheblich von der exakten Justierung des Abtastkopfes relativ zum Maßstab abhängig. Um bei inkrementalen Positionsmesseinrichtungen eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, sollen die vom Abtastkopf erzeugten Abtastsignale eine hohe und gleiche Amplitude sowie einen gegenseitigen Phasenversatz ϕ von 90° aufweisen. Die Amplitude wird vom Abstand zwischen Abtastkopf und Maßstab und der Phasenversatz von der Verkippung des Abtastkopfes relativ zur Messrichtung beeinflusst.
• Diese Parameter der analogen Abtastsignale können mit einem Oszilloskop sehr gut dargestellt werden. Hierzu werden die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignale den beiden Kanälen eines Zweistrahl-Oszilloskops zugeführt, so dass am Bildschirm eine Lissajous-Figur erzeugt wird. Der Radius der Lissajous-Figur ist ein Maß für die Amplituden sowie die Phasenbeziehung beider Abtastsignale.
• Um die Prüfung von positionsabhängigen Abtastsignalen zu vereinfachen, wurde in der EP 0 514 081 B1 eine Positionsmesseinrichtung vorgeschlagen, die zur Kontrolle der Amplitude von analogen Abtastsignalen eingerichtet ist. Die Positionsmesseinrichtung enthält eine erste Kontrollvorrichtung, die unterscheidet, ob die Amplitude oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Niveaus liegt, wobei das Niveau einem Fehlerniveau entspricht, unterhalb von welchem das Abtastsignal unzuverlässig ist, aber oberhalb von welchem das Abtastsignal zuverlässig und zur Positionsmessung verwendbar ist. Es wurde erkannt, dass mit diesem Fehlerniveau die Kontrolle des korrekten Anbaus nicht möglich ist. Deshalb wurde für die Kontrolle des korrekten Anbaus ein Niveau zum Vergleich mit der Amplitude des Abtastsignals verwendet, die erheblich größer ist als das Fehlerniveau, um bei dem Vergleich mit diesem Niveau einen Hinweis zu generieren, der zur Anbaukontrolle geeignet ist. Hierzu ist eine zweite Kontrollvorrichtung vorgesehen. Zur Kontrolle der Amplitude der Abtastsignale nach dem Anbau des Abtastkopfes relativ zum Maßstab, also der Kontrolle der Grundeinstellung, und während des späteren Messbetriebs sind somit zwei Kontrollvorrichtungen erforderlich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle zumindest eines positionsabhängigen Abtastsignals anzugeben, mit der/dem die Amplitude des Abtastsignals mit einfachen Mitteln realisierbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.
• Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass mit einer einzigen Kontrollvorrichtung der Anbau sowie der Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung optimal kontrolliert werden kann. Die Nachrüstung von handelsüblichen Positionsmesseinrichtungen ist leicht möglich.
• Die Erfindung ermöglicht in einer ersten Betriebsweise die Kontrolle der Abtastsignale im laufenden Messbetrieb durch Vergleich der momentanen Amplitude mit einem Fehlerniveau. Das Fehlerniveau definiert die unterste Grenze der Amplitude, bei der eine Positionsmessung noch zuverlässig ist. Da der Messbetrieb über einen möglichst großen Zeitraum ohne eine Fehlermeldung gewährleistet sein soll, ist der Abstand zwischen einer Amplitude nach erfolgter Inbetriebnahme – also nach erfolgter Montage – und dem Fehlerniveau möglichst groß zu wählen. Um nun auch die Amplitude nach der Grundeinstellung optimal kontrollieren zu können, ist eine zweite Betriebsweise vorgesehen. Durch Einbringen eines Beeinflussungsmittels in den Lichtstrahlengang wird dabei die Amplitude erheblich verringert, so dass das vorgegebene Fehlerniveau zum Vergleich verwendet werden kann. Wenn die Amplitude in diesem Zustand nicht unter das Fehlerniveau fällt, ist sichergestellt, dass die Abtastsignale nach dem Entfernen des Beeinflussungsmittels die erforderliche optimale Amplitude mit ausreichendem Sicherheitsabstand zum Fehlerniveau für den laufenden Messbetrieb aufweisen. Somit wird eine optimale Grundeinstellung erreicht. Eine Einstellung bzw. Montage mit möglichst großen Amplituden wird gewährleistet und eine für den Messbetrieb ausreichend große Toleranz geschaffen. Trotz des Vergleichs mit dem Fehlerniveau wird vermieden, dass bereits nach kurzem Messbetrieb die Amplituden das Fehlerniveau erreichen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt, es zeigt:
• 1 eine erste erfindungsgemäß ausgestaltete Positionsmesseinrichtung,
• 2 eine zweite erfindungsgemäß ausgestaltete Positionsmesseinrichtung und
• 3 Abtastsignale der Positionsmesseinrichtung.
• Die in 1 dargestellte lichtelektrische Positionsmessvorrichtung besteht aus einem Maßstab 1 sowie einem Abtastkopf 2. Der Maßstab 1 ist beispielsweise ein Maßband aus Stahl, das an seiner Oberfläche eine Teilung 3, bestehend aus abwechselnd reflektierenden Bereichen 3.2 und nicht reflektierenden Bereichen 3.1 aufweist. Der Abtastkopf 2 tastet die Teilung 3 des Maßstabs 1 in Messrichtung X ab, indem ein Lichtstrahlenbündel L von einer Lichtquelle 4 ausgehend auf den Maßstab 1 gerichtet wird, dieses Lichtstrahlenbündel L an der Teilung 3 positionsabhängig moduliert wird und auf einen Detektor 5 gerichtet wird. Der Detektor 5 besteht aus mehreren Detektorelementen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, die derart dimensioniert und angeordnet sind, dass in bekannter Weise mehrere um 90° gegeneinander phasenverschobene periodische analoge Abtastsignale S1 bis S4 erzeugt werden. Zur Generierung der gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignale S1 bis S4 kann auch eine nicht dargestellte Abtastplatte mit einem Abtastgitter im Lichtstrahlengang L beitragen.
• Die analogen Abtastsignale S1 bis S4 werden einer Schaltung 6 zur Vorverarbeitung zugeführt. Diese Schaltung 6 generiert offsetfreie Abtastsignale S5 und S6, indem jeweils die Differenz von zwei um 180° gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignalen gebildet wird: S5 = S1 – S3 S6 = S2 – S4mit

S1

= Asin ωt

S2

= Acos ωt

S3

= –Asin ωt

S4

= –Acos ωt

• Diese analogen Abtastsignale S5, S6 werden einer Digitalisiereinheit 7 zugeführt, in der sie interpoliert werden, um einen Positionsmesswert zu erhalten, dessen Auflösung besser ist als eine Teilungsperiode der inkremen talen Teilung 3. Am Ausgang der Digitalisiereinheit 7 stehen zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Rechtecksignale D5, D6 an, welche einer Folgeelektronik, beispielsweise einem Zähler oder einer numerischen Steuerung zugeführt werden.
• Aus den analogen Abtastsignalen S1 bis S4 oder S5 und S6 wird in einem Baustein 8 ein amplitudenproportionales Signale A gebildet. Hierzu beinhaltet der Baustein 8 bekannte Gleichrichterschaltungen. Die Amplitude A kann im Baustein 8 auch rechnerisch ermittelt werden, indem A = S5² + S6² gebildet wird oder durch eine Maximalwertbestimmung der Abtastsignale S5, S6, indem beim Nulldurchgang eines der Abtastsignale S5 der Momentanwert des um 90° dazu phasenverschobenen Abtastsignals S6 als Amplitude A übernommen wird. Dieses amplitudenproportionale Abtastsignal A wird nachfolgend nur als Amplitude A bezeichnet.
• In einer Kontrollvorrichtung 11 wird die Amplitude A auf korrekte Größe überprüft. In der Kontrollvorrichtung 11 wird die Amplitude A mit einem vorgegebenen Niveau V verglichen. Dieses Niveau V entspricht einem Fehlerniveau, unterhalb von welchem die Abtastsignale S1 bis S6 unzuverlässig sind, aber oberhalb von welchen die Abtastsignale S1 bis S6 zuverlässig und zur laufenden Positionsmessung verwendbar sind. Wird festgestellt, dass die momentane Amplitude A betragsmäßig unterhalb des vorgegebenen Niveaus V liegt, wird ein Fehlersignal F generiert, das nach außen weitergeleitet werden kann, oder das einer Warneinrichtung 13 am Abtastkopf 2 zugeführt ist, um einen Hinweis zu generieren und auszugeben, der den Bediener darauf aufmerksam macht, dass die Amplitude A für den korrekten Messbetrieb einen unzulässigen Wert erreicht hat, also einen Wert, bei dem die Positionsmessung unzuverlässig sein kann. Im dargestellten Beispiel ist die Warneinrichtung 43 eine Lichtquelle.
• Um nun eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Positionsmesseinrichtung auch zur Kontrolle des korrekten Anbaus bzw. der Grundeinstellung und damit der Einstellung des Abtastabstandes D verwenden zu können, ist erfindungsgemäß im Lichtstrahlengang L ein Beeinflussungs mittel 20 einbringbar. Zur Kontrolle des korrekten Anbaus wird in dieser Betriebsweise durch Einbringen des Beeinflussungsmittels 20 in den Lichtstrahlengang L die Amplitude A der Abtastsignale S1 bis S6 verringert. Diese verringerte Amplitude A' wird ebenfalls mit dem vorgegebenen Niveau V verglichen, um einen Hinweis zu generieren, der zur Kontrolle des erfolgten Anbaus des Abtastkopfes 2 relativ zum Maßstab 1 geeignet ist. Die Verringerung der Amplitude A erfolgt insbesondere um mindestens 50%, so dass A' ≤ 0,5A ist.
• Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass mit der gleichen Kontrollvorrichtung 11 und dem gleichen vorgegebenen Niveau V in einer ersten Betriebsweise der korrekte Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung geprüft werden kann und in einer zweiten Betriebsweise die Grundeinstellung vor dem eigentlichen Messbetrieb kontrolliert werden kann.
• Hat die Amplitude A im normalen Messbetrieb – ohne Beeinflussungsmittel 20 im Lichtstrahlengang L – eine Höhe von 100%, z.B. 0,5 Volt, und wird eine Reduzierung um 60% als zulässig vorgegeben, um den korrekten Messbetrieb zu gewährleisten, wird das vorgegebene Niveau V auf etwa 0,2 Volt gelegt. Fällt die Amplitude A unter 0,2 Volt wird ein Hinweis generiert, der anzeigt, dass die Abtastsignale S1 bis S6 zur Positionsmessung unzuverlässig sind.
• Zur Kontrolle der korrekten Montage der Positionsmesseinrichtung wird das Beeinflussungsmittel 20 in den Lichtstrahlengang L eingebracht. Dieses dämpft das Licht um etwa 50% und reduziert somit die Amplitude A um 50%. Bei korrektem Anbau ist die Soll-Amplitude A = 0,5 Volt ohne Dämpfung und A' = 0,25 Volt mit Dämpfung. Ist diese verringerte Amplitude A' kleiner 0,2 Volt, wird ein Hinweis generiert, der auf den falschen Anbau hinweist. Für den Anbau ist somit eine Toleranz von 20% zulässig. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Amplitude A für den Betrieb in einem Bereich von 0,4 Volt bis 0,5 Volt eingestellt ist, also erheblich über der untersten Grenze von 0,2 Volt als vorgegebenes Niveau V. Auf einfache Weise wird somit mit der Kontrolle in der zweiten Betriebsweise ein großer Sicherheits abstand der Amplitude A für die erste Betriebsweise (Kontrolle des laufenden Messbetriebs) garantiert.
• Das Beeinflussungsmittel 20 ist gemäß 1 ein Lichtfilter, der das von der Lichtquelle 4 ausgehende und auf den Detektor 5 auftreffende Licht L dämpft. Der Lichtfilter 20 ist zwischen dem Abtastkopf 2 und dem Maßstab 1 entfernbar eingebracht, wozu gemäß 1 am Abtastkopf 2 eine Schiebeführung 9 vorgesehen ist oder gemäß 2 der Lichtfilter 20 auf der Oberfläche des Maßstabs 1 entfernbar angeordnet ist.
• Zur Verringerung der Amplitude A kann der Lichtstrahlengang L auch partiell abgedeckt werden, indem Schrauben oder ähnliche Blendenelemente einbringbar, z.B. einschiebbar, eindrehbar oder einschwenkbar sind.
• Der Lichtfilter 20 zwischen dem Abtastkopf 2 und dem Maßstab 1 kann auch gleichzeitig die Funktion eines Abstandselementes zur Einstellung des Abtastabstandes D haben, indem er die Dicke D aufweist.
• Die Erfindung ist bei Längen- und Winkelmesseinrichtungen einsetzbar.

Claims (8)

1. Positionsmesseinrichtung mit – einem Maßstab (1), welcher eine lichtelektrisch abtastbare Teilung (3) aufweist; – einem Abtastkopf (2) mit einer Lichtquelle (4) und einem Detektor (5), wobei der Maßstab (1) im Lichtstrahlengang (L) zwischen der Lichtquelle (4) und dem Detektor (5) angeordnet ist und der Detektor (5) zumindest ein Abtastsignal (S1–S6) generiert; – einer Kontrollvorrichtung (11) zum Vergleich der Amplitude (A) des Abtastsignals (S1–S6) mit einem vorgegebenen Niveau (V), wobei die Kontrollvorrichtung (11) derart ausgebildet ist, dass sie unterscheidet, ob die Amplitude (A) oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Niveaus (V) liegt, gekennzeichnet durch – ein Beeinflussungsmittel (20) im Lichtstrahlengang (L) um die Amplitude (A) des Abtastsignals (S1–S6) zu verringern, um bei dem Vergleich mit dem vorgegebenen Niveau (V) einen Hinweis zu generieren, der zur Kontrolle der Grundeinstellung des Abtastkopfes (2) relativ zum Maßstab (1) geeignet ist.
2. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussungsmittel ein Lichtfilter (20) zur Dämpfung des Lichtes (L) ist.
3. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfilter (20) entfernbar am Abtastkopf (2) angeordnet ist.
4. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfilter (20) entfernbar auf der Oberfläche des Maßstabs (1) angeordnet ist.
5. Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussungsmittel (20) als Lehre zur Einstellung eines Abtastabstandes (D) zwischen dem Abtastkopf (2) und dem Maßstab (1) ausgebildet ist.
6. Verfahren zur Kontrolle von zumindest einem Abtastsignal (S1–S6) einer lichtelektrischen Positionsmesseinrichtung, bei dem in einer ersten Betriebsweise das Abtastsignal (S1–S6) einer Kontrollvorrichtung (11) zugeführt wird, die die Amplitude (A) des Abtastsignals (S1–S6) mit einem vorgegebenen Niveau (V) vergleicht und unterscheidet, ob die Amplitude (A) oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Niveaus (V) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Betriebsweise die Amplitude (A) des Abtastsignals (S1–S6) durch Beeinflussung des Lichtes innerhalb des Lichtstrahlengangs (L) verringert wird und die verringerte Amplitude (A') mit dem vorgegebenen Niveau (V) verglichen wird und ein Hinweis generiert wird, der zur Kontrolle der Grundeinstellung des Abtastkopfes (2) relativ zum Maßstab (1) geeignet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) in der zweiten Betriebsweise um mindestens 50% verringert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) verringert wird, indem ein Lichtfilter (20) in den Lichtstrahlengang (L) eingebracht wird.