Messprinzip - digitale Maßstäbe

Was ist ein Maßstab?

Maßstäbe sind Längenmessgeräte, die als Positionsmesssysteme für Werkzeugmaschinen, zur Abnahme und Kontrolle von Werkstücken dienen.

Viele kennen einen Maßstab als Lineal oder als Zollstock zur Längenbestimmung.

Die Maßstäbe von WayCon sind digitale Maßstäbe, ausgerichtet auf die Automatisierung nach den Industrie 4.0 Anforderungen. Wir unterscheiden zwischen offenen Maßstäben wie den LIP und geschlossenen Maßstäben wie dem DMO und dem LS.

Offene Längenmessgeräte besitzen kein Gehäuse, welches das Messsystem schützt, während geschlossene Längenmessgeräte gegenüber der Umgebung durch ein Gehäuse abgeschirmt sind. Geschlossene Messgeräte sind immer zu empfehlen, wenn die Umgebung rau, staubig oder verschmutzt ist.

Inkrementales Messverfahren

Ein Messprinzip von Maßstäben ist das inkrementale Messverfahren, welches beim digitalen Maßstab LS angewendet wird.

Eine homogene Gitterstruktur wird auf ein Trägermedium (z. B. Glas- oder Stahlsubstrate) aufgetragen. Diese ergibt eine Vielzahl von Messschritten auf dem Medium, welche für die Positionsbestimmung gezählt wird. Es muss dabei ein Startpunkt, der sogenannte Nullpunkt definiert werden, bei dem die Zählung bzw. die Messung der Länge beginnt. Für die richtige Bestimmung der Position auf dem Medium wird ein absoluter Bezug benötigt, daher verfügen Maßstäbe oder Maßbänder über eine weitere Spur, die eine Referenzmarke trägt. Eine absolute Position auf dem Maßstab wird über diese Referenzmarke festgelegt und ist einer Signalperiode zugeordnet.

Beim Überfahren der Referenzmarke kann somit ein absoluter Bezug auf dem Maßstab hergestellt werden und dient meist als Nullpunkt. Bei besonders großen Längen werden für dieses Messprinzip mehrere Referenzmarken auf einer Spur mit festen Abständen definiert. Hier kann durch das Überfahren von zwei benachbarten Referenzmarken der absolute Bezug hergestellt werden.

Fotoelektrische Abtastung

Das Messprinzip der fotoelektrischen Abtastung arbeitet – vereinfacht dargestellt – mit schattenoptischer Signalerzeugung und ist ein inkrementales Messverfahren, welches beim LS zum Einsatz kommt.

Zwei Strichgitter mit gleicher oder ähnlicher Teilungsperiode bewegen sich zueinander. Die fixierte Seite wird als Maßverkörperung bezeichnet und die sich bewegende Seite als Abtastplatte. Das Trägermaterial der Abtastplatte muss lichtdurchlässig sein, während die Teilung der Maßverkörperung auf lichtdurchlässigem oder auf reflektierendem Material aufgebracht sein kann. Dabei fällt das Licht parallel durch eine Gitterstruktur und es werden in einem bestimmten Abstand Hell/Dunkel-Felder abgebildet. Hier befindet sich ein Gegengitter. Das durchfallende Licht wird bei einer Relativbewegung der beiden Gitter zueinander moduliert: Stehen die Lücken übereinander, kommt Licht durch, befinden sich die Striche über den Lücken, existiert Schatten. Diese Lichtänderungen werden durch ein Fotoelemente-Array in elektrische Signale umgewandelt. Die speziell strukturierte Teilung der Abtastplatte filtert dabei den Lichtstrom, sodass annähernd sinusförmige Ausgangssignale entstehen. Je kleiner die Teilungsperiode der Gitterstruktur, umso geringer und enger toleriert ist der Abstand zwischen Abtastplatte und Maßstab.

Interferentielles Messprinzip

Eine Bewegung ermittelt das interferentielle Messprinzip durch die Nutzung der Beugung und der Interferenz des Lichts an fein geteilten Gittern, welche ein Signal erzeugen.

Als Maßverkörperung dient ein Stufengitter: Auf einer ebenen, reflektierenden Oberfläche sind reflektierende Striche mit 0,2 μm Höhe aufgebracht. Davor befindet sich als Abtastplatte ein lichtdurchlässiges Phasengitter mit der gleichen Teilungsperiode wie der Maßstab.

Fällt eine ebene Lichtwelle auf die Abtastplatte, wird sie durch Beugung in drei Teilwellen der 1., 0. und -1. Ordnung mit annähernd gleicher Lichtintensität aufgespalten. Sie werden auf dem Phasengitter-Maßstab so gebeugt, dass der Großteil der Lichtintensität in der reflektierten 1. und -1. Beugungsordnung steckt. Diese Teilwellen treffen am Phasengitter der Abtastplatte wieder aufeinander, werden erneut gebeugt und interferieren. Dabei entstehen im Wesentlichen drei Wellenzüge, welche die Abtastplatte unter verschiedenen Winkeln verlassen. Fotoelemente wandeln diese Lichtintensitäten in elektrische Signale um.

Bei einer Relativbewegung zwischen Maßstab und Abtastplatte erfahren die gebeugten Wellenfronten eine Phasenverschiebung: Die Bewegung um eine Teilungsperiode verschiebt die Wellenfront der 1. Beugungsordnung um eine Wellenlänge nach Plus, die Wellenfront der -1. Beugungsordnung um eine Wellenlänge nach Minus. Da diese beiden Wellen am Austritt aus dem Phasengitter miteinander interferieren, verschieben sich diese Wellen zueinander um zwei Wellenlängen. Man erhält also zwei Signalperioden bei einer Relativbewegung um eine Teilungsperiode.

Interferentielle Messgeräte arbeiten mit Teilungsperioden von z. B. 8 μm, 4 μm oder feiner. Ihre Abtastsignale sind weitgehend frei von Oberwellen und können hoch interpoliert werden. Sie eignen sich daher besonders für hohe Messschritte und hohe Genauigkeit. Trotzdem zeichnen sie sich durch praxisgerechte Anbautoleranzen aus.

 
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