Skip navigation

Funktionsweise optischer Messsysteme

Absolut-Messsysteme

Inkrementelle Messsysteme

RESOLUTE™

RESOLUTE kommuniziert bidirektional in rein seriellem Format und verwendet verschiedene industrieübliche Protokolle, in proprietärer als auch offener Ausführung. 

Optisches Prinzip des RESOLUTE™ Messsystems mit Anmerkungen

Der Prozess startet ...

Die Steuerung startet den Prozess durch Sendung einer Forderung an den Abtastkopf, die Absolutposition auf dem Maßband – linear oder rotativ – in diesem Augenblick zu erfassen. Der Abtastkopf reagiert durch Blinken einer Hochleistungs-LED, um das Maßband zu beleuchten. Die Leuchtzeit kann so kurz wie 100 ns sein, um eine Bildunschärfe bei sich bewegenden Achsen zu minimieren. Entscheidend ist, dass das Timing auf wenige Nanosekunden gesteuert wird, um die Beziehung zwischen der geforderten und der protokollierten Position aufrecht zu erhalten – ein wesentliches Merkmal, aufgrund dessen sich RESOLUTE ideal für Bewegungssysteme mit einer sehr hohen Spezifikation eignet. 

 

 

Einspuriges Maßband

Das einspurige Maßband besitzt Kontraststreifen über die volle Breite, die auf einer nominalen Teilungsperiode von 30 µm basieren. Das Nichtvorhandensein von mehreren parallelen Spuren verleiht dem System eine wichtige Immunität vor Gierwinkelfehlern und eine viel größere seitliche Toleranz.

Bildaufnahme

Das Maßband wird über eine asphärische Linse, die Verzerrungen minimiert, auf einem benutzerdefinierten Detektor-Array, das speziell für RESOLUTE konzipiert wurde, abgebildet. Die optische Anordnung, mit einem gefalteten Strahlengang aber direkter Abbildung, ist äußerst kompakt und gleichzeitig stabil und garantiert somit die extrem wichtige Genauigkeit für eine überragende Messtechnik.

Datendecodierung und -analyse

Sobald das Image über den Detektor erfasst ist, wird es durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) an einen leistungsstarken Digitalen Signalprozessor (DSP) übertragen. Speziell entwickelte Algorithmen erhalten dann eine absolute, aber relativ grobe Position von dem im Maßband eingebetteten Code. Dieser Prozess wird überprüft und Korrekturen durch weitere Algorithmen im DSP, der die Redundanz und bewusste Begrenzungen im Maßbandcode nutzt, durchgeführt. Unterdessen berechnen andere Routinen eine feine Position mit hoher Auflösung, die dann mit der groben Position kombiniert wird, um eine absolute Position mit einer sehr hohen Auflösung zu bieten.

Abschließende Kontrollen und Datenausgabe

Nach der abschließenden Fehlerprüfung wird diese Information im entsprechenden Protokoll in die Steuerung, als rein serielles Word, das eine Position innerhalb 1 nm darstellt, geladen. Schutz gegen elektrisches Rauschen wird durch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC – Cyclic Redundancy Check) geboten. Das gesamte Verfahren kann sogar nur wenige Mikrosekunden dauern und bis zu 25 000 Mal pro Sekunde wiederholt werden. Durch eine Vielzahl an Verfahren, einschließlich der Anpassung der Leuchtzeit-Dauer an die Achsengeschwindigkeit, wird diese Leistung mit bis zu 100 m/s erreicht, während gleichzeitig, und ganz entscheidend, das außergewöhnlich niedrige Positionsrauschen (Jitter) bei langsamer Betriebsgeschwindigkeit so bestehen bleibt.

Und hieraus ergibt sich...

Ein Messsystem mit großzügigen Installationstoleranzen: RESOLUTE erlaubt eine Nick-, Roll- und Gierwinkeltoleranz von ±0,5° und eine beeindruckende Toleranz des Abtastkopfabstandes von ±150 µm. Unterdessen erreichen das große optische Profil und die erweiterten Fehlerkorrektur-Verfahren eine hervorragende Unempfindlichkeit gegenüber optischen Verschmutzungen, sowohl in Bezug auf Partikelverschmutzung als auch fettige Schlieren. Und all dies bei gleichzeitiger Erhaltung der Auflösung von 1 nm bei 100 m/s: RESOLUTE ist die Antwort auf die größte Absolut-Herausforderung!

EVOLUTE™

Das EVOLUTE Messsystem kommuniziert bidirektional in rein seriellem Format und verwendet verschiedene industrieübliche Protokolle in proprietärer als auch offener Ausführung.

Optisches Prinzip des EVOLUTE™ Messsystems mit Anmerkungen

Der Prozess startet ...

Die Steuerung startet den Prozess durch Sendung einer Forderung an den Abtastkopf, die Absolutposition auf dem Maßband – linear – in diesem Augenblick zu erfassen. Der Abtastkopf reagiert durch Blinken einer Hochleistungs-LED, um das Maßband zu beleuchten. Die Leuchtzeit kann so kurz wie 100 ns sein, um eine Bildunschärfe bei sich bewegenden Achsen zu minimieren. Entscheidend ist, dass das Timing auf wenige Nanosekunden gesteuert wird, um die Beziehung zwischen der geforderten und der protokollierten Position aufrecht zu erhalten – aufgrund dessen eignet sich die EVOLUTE Baureihe ideal für Bewegungssysteme mit einer sehr hohen Spezifikation. 


Einspuriges Maßband

Das einspurige Maßband besitzt Kontraststreifen über die volle Breite, die auf einer nominalen Teilungsperiode von 50 µm basieren. Das Nichtvorhandensein von mehreren parallelen Spuren verleiht dem System eine wichtige Immunität vor Gierwinkelfehlern und eine größere seitliche Toleranz.

Bildaufnahme

Das Maßband wird über eine asphärische Linse, die Verzerrungen minimiert, auf einem benutzerdefinierten Detektor-Array abgebildet. Die optische Anordnung, mit einem gefalteten Strahlengang aber direkter Abbildung, ist äußerst kompakt und gleichzeitig stabil und garantiert somit die extrem wichtige Genauigkeit für eine überragende Messtechnik.

Datendecodierung und -analyse

Sobald das Image über den Detektor erfasst ist, wird es durch einen Analog-Digital-Wandler an einen leistungsstarken Digitalen Signalprozessor (DSP) übertragen. Speziell entwickelte Algorithmen erhalten dann eine absolute, aber relativ grobe Position von dem im Maßband eingebetteten Code. Dieser Prozess wird überprüft und Korrekturen durch weitere Algorithmen im DSP, der die Redundanz und bewusste Begrenzungen im Maßbandcode nutzt, durchgeführt. Unterdessen berechnen andere Routinen eine feine Position mit hoher Auflösung, die dann mit der groben Position kombiniert wird, um eine absolute Position mit einer sehr hohen Auflösung zu bieten.

Abschließende Kontrollen und Datenausgabe

Nach der abschließenden Fehlerprüfung werden die Positionsinformationen im entsprechenden Protokoll in die Steuerung, als rein serielles Word geladen. Schutz gegen elektrisches Rauschen wird durch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC – Cyclic Redundancy Check) geboten. Das gesamte Verfahren kann sogar nur wenige Mikrosekunden dauern und bis zu 25 000 Mal pro Sekunde wiederholt werden. Durch eine Vielzahl an Verfahren, einschließlich der Anpassung der Leuchtzeit-Dauer an die Achsengeschwindigkeit, kann diese Leistung mit bis zu 100 m/s erreicht werden, während gleichzeitig das außergewöhnlich niedrige Positionsrauschen (Jitter) bei langsamer Betriebsgeschwindigkeit so bestehen bleibt.

Und hieraus ergibt sich...

Das EVOLUTE Messsystem erlaubt großzügige Einstelltoleranzen von ±0,75°(Nickwinkel) und ±0,5° (Roll- und Gierwinkel) sowie eine beeindruckende Toleranz des Abtastkopfabstandes von ±250 µm. Darüber hinaus bieten das große optische Profil und die erweiterten Fehlerkorrektur-Verfahren eine hervorragende Unempfindlichkeit gegenüber optischen Verschmutzungen, sowohl in Bezug auf Partikelverschmutzung als auch fettige Schlieren, während gleichzeitig die Auflösung von 50 nm bei 100 m/s beibehalten wird.

QUANTiC™

QUANTiC Messsysteme verwenden die dritte Generation der einzigartigen Filteroptik von Renishaw, die den Durchschnitt vieler Teilungsperioden ermittelt und nicht-periodische Eigenschaften wie Schmutz herausfiltert. Ebenso wird die rechteckförmige Struktur der Teilungsperiode gefiltert, sodass ein reines Sinussignal auf dem Detektor abgebildet wird. Hier wird eine feine Struktur angewendet, um die Form von vier symmetrischen Phasensignalen darzustellen. Diese Verfahren werden kombiniert, um DC-Anteile zu entfernen und ein Sinus-/Kosinussignal mit höchster spektraler Reinheit und geringem Offset zu erzeugen.

Die vollintegrierte, erweiterte dynamische Signalverarbeitung, einschließlich Auto Gain Control, Auto Balance Control und Auto Offset Control, gewährleistet einen geringen zyklischen Fehler von typischerweise <±80 nm bei kleinen Winkelmesssystemen, <±150 nm bei großen Winkelmesssystemen und <±80 nm bei Wegmesssystemen.

Diese Entwicklung der Filteroptik liefert in Verbindung mit sorgfältig konzipierter Elektronik Inkrementalsignale mit großer Bandbreite, wodurch eine max. Geschwindigkeit von 8.800 min-1 für Winkelmesssysteme, 24 m/s für Wegmesssysteme, mit dem niedrigsten Positionsrauschen (Jitter) unter den Messsystemen seiner Klasse erreicht wird. Die Interpolation findet im Abtastkopf statt, wobei Versionen mit hoher Auflösung durch zusätzliche rauschreduzierende Elektronik weiter gestärkt werden, um einen Jitter von nur 2,73 nm RMS zu erzielen.

QUANTiC™ Optisches Prinzip mit Anmerkungen

Die IN-TRAC Referenzmarke ist voll in die inkrementelle Maßverkörperung integriert und wird von einem Fotodetektor im Abtastkopf erfasst. Diese einzigartige Anordnung profitiert außerdem von einer automatischen Kalibrierroutine, die die Referenzmarken elektronisch synchronisiert und die Inkrementsignale optimiert.

TONiC™

TONiC verwendet die dritte Generation der einzigartigen Filteroptik von Renishaw, die den Durchschnitt vieler Teilungsperioden ermittelt und nicht-periodische Eigenschaften wie Schmutz, Staub und andere Verunreinigungen herausfiltert. Ebenso wird die rechteckförmige Struktur der Teilungsperiode gefiltert, sodass ein reines Sinussignal auf dem Detektor abgebildet wird. Hier wird eine feine Struktur angewendet, um die Form von vier symmetrischen Phasensignalen darzustellen. Diese Verfahren werden kombiniert, um DC Anteile zu entfernen und ein Sinus-/Kosinussignal mit höchster spektraler Reinheit und geringem Offset zu erzeugen.

In Kombination gewährleisten die vollintegrierte, erweiterte dynamische Signalverarbeitung, Auto Gain Control, Auto Balance Control und Auto Offset Control einen extrem geringen zyklischen Fehler von <±30 nm.

Diese Entwicklung der Filteroptik liefert in Verbindung mit sorgfältig ausgesuchter Elektronik Inkrementalsignale mit großer Bandbreite, wodurch eine max. Geschwindigkeit von 10 m/s mit dem niedrigsten Positionsrauschen (Jitter) unter den Messsystemen seiner Klasse erreicht wird. Die Interpolation erfolgt durch CORDIC-Algorithmen innerhalb des TONiC Ti Interface, wobei Versionen mit höherer Auflösung durch zusätzliche rauschmindernde Elektronik weiter verstärkt werden, um einen Jitter von nur 0,5 nm RMS zu erzielen.

TONiC™ Optisches Prinzip mit Anmerkungen

Die IN-TRAC Referenzmarke ist voll in die inkrementelle Maßverkörperung integriert und wird von einem Split-Fotodetektor im Abtastkopf erfasst. Wie aus dem Schaubild hervorgeht, wurde der Referenzmarken-Split-Detektor direkt in die Mitte des linearen Inkrementalkanal-Fotodiodenarray eingebettet und garantiert damit eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Gierwinkel-Phasenverschiebung. Dadurch wird ein Referenzmarkensignal erzeugt, das entsprechend der Auflösung bei allen Geschwindigkeiten in beiden Richtungen wiederholgenau ist. Diese einzigartige Anordnung profitiert außerdem von einer automatischen Kalibrierroutine, welche die Referenzmarke elektronisch synchronisiert und die dynamische Signalverarbeitung optimiert.

VIONiC™

Die VIONiC Messsystem verwendet die dritte Generation der einzigartigen Filteroptik von Renishaw, die den Durchschnitt vieler Teilungsperioden ermittelt und nicht-periodische Eigenschaften wie Schmutz herausfiltert. Ebenso wird die rechteckförmige Struktur der Teilungsperiode gefiltert, sodass ein reines Sinussignal auf dem Detektor abgebildet wird. Hier wird eine feine Struktur angewendet, um die Form von vier symmetrischen Phasensignalen darzustellen. Diese Verfahren werden kombiniert, um DC Anteile zu entfernen und ein Sinus-/Kosinussignal mit höchster spektraler Reinheit und geringem Offset zu erzeugen.

In Kombination gewährleisten die vollintegrierte, erweiterte dynamische Signalverarbeitung, Auto Gain Control, Auto Balance Control und Auto Offset Control einen extrem geringen zyklischen Fehler von <±15 nm.

Diese Entwicklung der Filteroptik liefert in Verbindung mit sorgfältig ausgesuchter Elektronik Inkrementalsignale mit großer Bandbreite, wodurch eine max. Geschwindigkeit von 12 m/s mit dem niedrigsten Positionsrauschen (Jitter) unter den Messsystemen seiner Klasse erreicht wird. Die Interpolation findet im Abtastkopf statt, wobei Versionen mit hoher Auflösung durch zusätzliche rauschreduzierende Elektronik weiter gestärkt werden, um einen Jitter von nur 1,6 nm RMS zu erreichen.

TONiC™ Optisches Prinzip mit Anmerkungen

Die IN-TRAC™ Referenzmarke ist voll in die inkrementelle Maßverkörperung integriert und wird von einem Split-Fotodetektor im Abtastkopf erfasst. Wie aus dem Schaubild hervorgeht, wurde der Referenzmarken-Split-Detektor direkt in die Mitte des linearen Inkrementalkanal-Fotodiodenarray eingebettet und garantiert damit eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Gierwinkel-Phasenverschiebung. Diese einzigartige Anordnung profitiert außerdem von einer automatischen Kalibrierroutine, die die Referenzmarken elektronisch synchronisiert und die Inkrementsignale optimiert.

ATOM DX™

Das ATOM DX Messsystem verwendet die bewährte Filteroptik, die in inkrementellen Renishaw Messsystemen wie TONiC und VIONiC eingesetzt wird. ATOM DX verwendet eine nicht kollimierte LED, die mittig zwischen dem Inkrementalsensor und dem Referenzmarkensensor angeordnet ist: Diese hochdivergente LED besitzt eine geringe Bauhöhe mit einer im Vergleich zur LED sehr viel größeren Ausleuchtzone auf der Maßverkörperung, wodurch sie die Beleuchtung des Inkremental- und Referenzmarkenbereiches ermöglicht. Die inkohärente LED erzeugt ein Signal von hoher harmonischer Reinheit, wodurch eine Interpolation mit hoher Auflösung möglich ist. Durch effiziente Fotometrie wird außerdem ein rauscharmes Ausgangssignal erzeugt. Ein besonderer Vorteil dieses Filteroptiksystems ist, dass ATOM DX keine Messfehler infolge einer Welligkeit oder Verschmutzung der Maßverkörperung entstehen lässt.


In Kombination gewährleisten die vollintegrierten, erweiterten dynamischen Signalverarbeitungsverfahren, die Auto Gain Control, Auto Balance Control und Auto Offset Control, einen extrem geringen zyklischen Fehler von < ±15 nm.


Diese Filteroptik in Verbindung mit sorgfältig ausgesuchter Elektronik erzeugt inkrementelle Positionsmesssignale mit großer Bandbreite, wodurch eine max. Geschwindigkeit von 12 m/s mit dem niedrigsten Positionsrauschen (Jitter) unter den Messsystemen seiner Klasse erreicht wird. Das digitale Interpolationssignal wird im Abtastkopf erzeugt, wobei Versionen mit hoher Auflösung durch zusätzliche rauschreduzierende Elektronik weiter gestärkt werden, um einen Jitter von nur 1,6 nm RMS zu erreichen.


ATOM DX Messsysteme verwenden eine große, einfache, optische Referenzmarke neben der Spur zur Gewährleistung einer guten Verschmutzungstoleranz. Der Phasenabgleich der Referenzmarke erfolgt durch die gleiche einfache, intuitive automatische Kalibrierroutine wie bei den QUANTiC™ und VIONiC™ Messsystemen.

ATOM™ Optisches Prinzip mit Anmerkungen

ATOM™

ATOM verwendet eine nicht kollimierte LED, die mittig zwischen dem Inkrementalsensor und dem Referenzmarkensensor angeordnet ist. Diese hochdivergente LED besitzt eine geringe Bauhöhe mit einer im Vergleich zur LED sehr viel größeren Ausleuchtzone auf der Maßverkörperung, wodurch sie die Beleuchtung des Inkremental- und Referenzmarkenbereiches ermöglicht.

ATOM verwendet dasselbe Filteroptiksystem, das in allen inkrementellen Messsystemen von Renishaw eingesetzt wird. Die inkohärente LED erzeugt ein Signal von hoher harmonischer Reinheit, wodurch eine Interpolation mit hoher Auflösung möglich ist. Durch effiziente Fotometrie wird außerdem ein rauscharmes Signal erzeugt. Ein weiterer Vorteil des Filteroptiksystems ist, dass ATOM keine Messfehler infolge einer Verschmutzung oder Welligkeit der Maßverkörperung entstehen lässt.

ATOM verwendet eine große, einfache, optische Referenzmarke neben der Spur zur Gewährleistung einer guten Verschmutzungsunempfindlichkeit. Der Phasenabgleich der Referenzmarke lässt sich so leicht wie bei TONiC durchführen.

ATOM™ Optisches Prinzip mit Anmerkungen