Technische Information

Offene Längenmessgeräte: dauerhaft stabile Messwerteund detaillierte Genauigkeitsangaben
Offene Längenmessgeräte kommen dort zum Einsatz, wo sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit des ermittelten Messwerts
gestellt werden. Dazu gehören zum Beispiel Fertigungs- und Messeinrichtungen in der Halbleiterindustrie, Bestückungsautomaten und
Messmaschinen. Damit die hohen Genauigkeiten dauerhaft über die gesamte Lebensdauer der Messgeräte gewährleistet sind, hat
HEIDENHAIN den Signal-Processing-ASIC HSP 1.0 entwickelt, der in offenen Längenmessgeräten mit inkrementaler Positionswerterfassungzum Einsatz kommt.
Der ASIC gleicht Schwankungen der Signalamplitude in Folge von Störungen nahezu vollständig aus. Die zugrundeliegende, deutlich verbesserte Signalstabilisierung ist vor allem bei Verschmutzungen der Maßverkörperung oder der Abtastplatte wirksam. Das Ergebnis ist
ein dauerhaft stabiles Messsignal nahezu ohne Verschlechterung der Interpolationsgenauigkeit und des Rauschanteils.
Für offene Längenmessgeräte führt HEIDENHAIN auch neue Genauigkeitsangaben ein. Der Konstrukteur kann dadurch bei der Auswahl
des passenden Messgeräts für seine Applikation auf detaillierte Informationen zurückgreifen. Zusätzlich zur Genauigkeitsklasse findet er
jetzt folgende Angaben:• Genauigkeit der Teilung über kurze Intervalle• Genauigkeit der Interpolation• Positionsrauschen

LIDA 400

LIF 400

LIP 6000Abbildung 1: Offene Längenmessgeräte mit dem HSP 1.0-ASIC

April 2016

Höhere Zuverlässigkeit durch stabile Messwerte
Konstant gutes Signal durch Anpassung der Beleuchtung

HEIDENHAIN-Messgeräte weisen grundsätzlich stabile Abtastsignale auf, die keine
Signalstabilisierung benötigen. Verschmutzungen auf der Maßverkörperung und auf
der Abtastplatte können diese Abtastsignale
jedoch beeinträchtigen. Da Verschmutzungenim Laufe der Zeit zunehmen, können sie –je nach Einsatzbereich des Messgeräts –früher oder später auch die Signalgüte
merklich beeinflussen.

MaßstabVerschmutzung

Zuverlässig gute Messsignale
Der HEIDENHAIN-Signal-Processing-ASIC
HSP 1.0 überwacht permanent das Abtastsignal. Wenn Verschmutzungen auf der
Maßverkörperung oder der Abtastplatte zu
Signaländerungen führen, gleicht der HSP 1.0
diese Abweichungen nahezu vollständig
aus.
Der intelligente ASIC sorgt auf diese Weise
dafür, dass das Abtastsignal trotz Verschmutzungen seine hohe Qualität und Stabilität
dauerhaft beibehält. Interpolationsfehler und
Positionsrauschen nehmen im üblichen Betrieb bei Verschmutzungen nicht zu.

Strukturierter
Detektor

Dauerhaft ein stabiles Signal
Bei der Positionsmessung mit einem offenen
Längenmessgerät, das mit HSP 1.0 ausgestattet ist, ergibt sich somit über den ganzen
Messweg – ungeachtet von überfahrenen
Verschmutzungen – ein sehr stabiles Abtastsignal. Die Signalamplitude liegt nahezu konstant bei 1 VSS (Abb. 3). Selbst wenn
die Regelgrenzen des ASICs wegen zunehmender, extrem starker Verschmutzungüberschritten würden, käme es nicht zu einem abrupten Signalabbruch. Stattdessen
würde die Signalamplitude nur langsam abnehmen.

mit Signal-Processing-ASIC HSP 1.0
ohne Signal-Processing-ASIC HSP 1.0

Abtastgitter
Lichtquelle LED

Abbildung 2: Die Einfeldabtastung mit großem Abtastfenster – hier am Beispiel LIDA 400 – sorgt in Kombination mit dem HEIDENHAIN Signal-ProcessingASIC HSP 1.0 für ein konstant gutes Abtastsignal auch bei Verschmutzungen auf Maßverkörperung und Abtastplatte.

2

Kein Einfluss auf den Rauschanteil
Nimmt die Signalamplitude ab, regelt der
HSP 1.0 sie durch Anheben des LED-Stroms
nach. Durch die damit verbundene Erhöhung
der Lichtintensität der LED verschlechtert
sich selbst bei einem starken Eingriff der
Signalstabilisierung der Rauschanteil in den
Abtastsignalen kaum – ganz im Gegensatz
zu Systemen, bei denen die Verstärkung im
Signalpfad stattfindet, wodurch sich auchder Rauschanteil erhöht.
Verschmutzungen beeinflussen Interpolationsfehler in der Praxis nicht
Der Signal-Processing-ASIC HSP 1.0 stabilisiert aber nicht nur die Signalamplitude.
Er sorgt auch dafür, dass das Signal bei Verschmutzungen die ursprüngliche, ideale
Signalform beibehält. Dadurch hält er den
Interpolationsfehler bei verschmutzter
Maßverkörperung und Abtastplatte sehrklein.

Signal in VSS 

FingerabdruckOhne Verschmutzung ist Signalstabilisierung unnötig
Verantwortlich für das stabile Abtastsignal
der offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN ist unter anderem die große
Sensorfläche des strukturierten Detektors.
Dadurch haben Störungen nur geringe Auswirkungen auf die Signalabtastung insgesamt. Die Signalstabilisierung muss nicht
schnell und aggressiv arbeiten, womit beste
Voraussetzungen für ein stabiles Abtastsignal geschaffen sind. Gibt es, wie bei
neuen Geräten nach sorgfältiger Montage,
auf Maßverkörperung und Abtastplattekeine Verschmutzungen, tritt die Signalstabilisierung gar nicht erst in Funktion.

Öl1)

Draht

2)

Öl

1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0

Interpolationsabweichungund Rauschen in µm 

0

40

60

80

100
120
Position in mm 

1

0

–1
100 nm50 nm
0–50 nm–100 nmmit Signal-Processing-ASIC HSP 1.0
ohne Signal-Processing-ASIC HSP 1.0
1)2)1), 2) = Öltropfen  2 mm – Inkrementalspur halb bzw. ganz bedeckt.

Abbildung 3: Maßverkörperung mit Verschmutzungen und die dazugehörenden Signalamplituden
bei herkömmlicher Abtastung und Abtastung mit dem Signal-Processing-ASIC HSP 1.0

3

Detaillierte Genauigkeitsangaben
Genaue Informationen für eine bessere Geräteauswahl

HEIDENHAIN erweitert generell die Genauigkeitsangaben für offene Längenmessgeräte. Bisher beschrieben die Genauigkeitsklasse und die Positionsabweichunginnerhalb einer Signalperiode relativ pauschal
die messgerätespezifischen Abweichungen.
Zukünftig finden Anwender in den Unterlagen die folgenden detaillierten Angaben:• Genauigkeit der Maßverkörperung• Genauigkeit der Interpolation• Positionsrauschen
Die Aufteilung der Angaben in die Genauigkeit der Maßverkörperung, die Genauigkeit
der Interpolation und das Positionsrauschen
ermöglicht eine viel genauere Prognose zur
erreichbaren Genauigkeit in der jeweiligen
Applikation.
Damit können Konstrukteure das zu ihrer
jeweiligen Anwendung passende Messgerät
besser und einfacher auswählen.

Genauigkeit der Maßverkörperung
Die Genauigkeit der Maßverkörperung
beinhaltet im Wesentlichen:• die Homogenität und Periodenschärfe
der Teilung• die Ausrichtung der Teilung auf dem
Teilungsträger• die Stabilität des Teilungsträgers
Die Genauigkeit der Maßverkörperung wird
durch den unkorrigierten maximalen
Wert der Basisabweichung angegeben.
Sie wird unter idealen Bedingungen ermittelt,
indem mit einem Serien-Abtastkopf die
Positionsabweichungen gemessen werden.
Die Messpunkte entsprechen dem ganzzahligen Vielfachen der Signalperiode, dadurch haben Interpolationsabweichungenkeinen Einfluss (Abb. 4).
Die Genauigkeitsklasse a definiert die
Obergrenze der Basisabweichung innerhalb eines beliebigen, maximal 1 m langen
Abschnitts. Für besondere Messgeräte
wird zusätzlich eine Basisabweichung fürdefinierte Intervalle der Maßverkörperung
angegeben. So erhält der Anwender zusätzlich zur Angabe der Genauigkeitsklasse,
z.B. ±1 µm, jetzt auch die Information, dassdas infrage kommende Messgerät ineinem Intervall von 5 mm eine Genauigkeit
 ±0,125 µm erreicht (Tab. 1, Typ LIP 281).

Positionsabweichung 

BasisabweichungPosition

Signalpegel Positionsabweichung

Die Genauigkeit der Interpolation wird mit
einer Serienmaßverkörperung ermittelt unddurch einen typischen maximalen Wert u
der Interpolationsabweichung angegeben(Abb. 5). Geräte mit analoger Schnittstelle
werden mit einer HEIDENHAIN-Elektronik(z.B. EIB 741) geprüft. Die maximalen Werte beinhalten kein Positionsrauschen undwerden in den technischen Kennwerten
angegeben.
Die Interpolationsabweichung wirkt sich bei
sehr kleinen Verfahrgeschwindigkeiten undbei Wiederholmessungen aus. Außerdem
sorgt sie für einen erhöhten Motorstrom
und damit für eine zusätzliche Erwärmung
des Motors.

Genauigkeit der Interpolation

Genauigkeit der Maßverkörperung

Abbildung 4

Genauigkeit der Interpolation
Die Genauigkeit der Interpolation wird im
Wesentlichen bestimmt durch:• die Feinheit der Signalperiode• die Homogenität und Periodenschärfe
der Teilung• die Güte der Filterstrukturen der Abtastung• die Charakteristik der Sensoren• die Güte der Signalverarbeitung

InterpolationsabweichungSignalperiode
360 °el.

Position
Abbildung 5

4

Positionsrauschen
Als Positionsrauschen werden alle Zufallsprozesse bezeichnet, die zu nicht vorhersagbaren Positionsabweichungen führen.
Dabei gruppieren sich Positionswerte inForm einer Häufigkeitsverteilung um einen
Erwartungswert.
Das Positionsrauschen hängt von den zur
Bildung der Positionswerte erforderlichen
Bandbreiten in der Signalverarbeitung ab.
Es wird innerhalb eines definierten Zeitintervalls ermittelt und produktspezifisch als
RMS-Wert angegeben.

RMS

Positionsabweichung Positionsrauschen

Zeit 

Das Positionsrauschen ist maßgeblich für
die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen
und die Wiederholgenauigkeit eines Messgeräts verantwortlich. Im Geschwindigkeitsregelkreis beeinflusst das Positionsrauschen
das Gleichlaufverhalten bei niedrigen Verfahrgeschwindigkeiten.

HäufigkeitsdichteAbbildung 6

Tabelle 1

BasisabweichungLIP
für höchste Genauigkeit

Genauigkeitsklasse

im Intervall±0,5 µm

 ±0,075 µm/
5 mm

LIDA
für hohe Verfahrgeschwindigkeiten undgroße Messlängen

Messlänge

SchnittstelleTyp±0,01 nm

70 mm bis
270 mm TTL

LIP 372

 1 VSSLIP 382

0,128 µm

±1 µm
±3 µm

 ±0,125 µm/
5 mm

±1 nm

0,512 µm

20 mm bis
3 040 mm

 1 VSSLIP 281±0,5 µm±1 µm

 ±0,175 µm/
5 mm

±7 nm

2 µm

70 mm bis
420 mm TTL

LIP 471

 1 VSSLIP 481

 TTL

LIP 571

 1 VSSLIP 581

 TTL

LIF 471

 1 VSSLIF 481 TTL

LIDA 473

 1 VSS

LIDA 483

±1 µm

LIF
für hohe Genauigkeit

Interpolations- Signalabweichungperiode

±1 µm
±3 µm

±1 µm
±3 µm
±5 µm

 ±0,175 µm/
5 mm

 ±0,225 µm/
5 mm

 ±0,275 µm/
10 mm±12 nm±12 nm±45 nm

4 µm

4 µm

20 µm

70 mm bis
1 440 mm

70 mm bis
1 020 mm

240 mm bis
3 040 mm5

Detaillierte Genauigkeitsangaben
Ermittlung und Dokumentation der Daten

Ermittlung der Genauigkeit in einem
Intervall
Während die Genauigkeitsklasse für einen
Abschnitt von maximal 1 m bzw. bei kürzeren
Längenmessgeräten für die Gesamtlänge
angegeben wird und somit die Mindestgenauigkeit des Systems beschreibt, lässt
die Angabe zur Genauigkeit in einem Intervall
direkte Rückschlüsse auf die tatsächlicherreichbare Genauigkeit der Messwerte in
kleinen Intervallen zu.

Jedes bei HEIDENHAIN hergestellte offene
Längenmessgerät wird einzeln hinsichtlichseiner Qualität geprüft und zertifiziert. Bei
allen hochgenauen offenen Längenmessgeräten dokumentiert ein Qualitätsprüfzertifikat mit Messkurve und detailliertem
Messprotokoll (Abb. 7) die Ergebnisse derdurchgeführten Messungen. Allen anderen
offenen Längenmessgeräten liegt ein
Qualitätsprüfzertifikat bei, das die Einhaltung
der für dieses Messgerät festgelegten
Grenzwerte bestätigt.

Um die Genauigkeit in einem Intervall angeben zu können, legt HEIDENHAIN zunächst
die Intervallbreite fest, für die die Genauigkeit angegeben werden soll. Dies ist beispielsweise beim LIP 200 eine Intervallbreite von 5 mm. Dann wird der Maßstab
über seine ganze Messlänge kontinuierlichin definierten, sehr kleinen Messschritten
mit der gewählten Intervallbreite vermessen.
Die so für jeden Messschritt ermittelten
unkorrigierten Basisabweichungen über derIntervallbreite werden abschließend ausgewertet. Der schlechteste Wert, also die
größte über alle betrachteten Intervalle ermittelte Basisabweichung, wird schließlich
als Maximalwert ±FI angegeben.

Die Abbildung 8 zeigt beispielhaft ausgewählte Messschritte. Beim zweiten Messschritt erreicht die Basisabweichung innerhalb der gewählten Intervallbreite ihren
Maximalwert. Dieser wird dann in den Unterlagen als Genauigkeit der Maßverkörperung in einem Intervall angegeben.
Vorteile der Angabe einer Genauigkeit ineinem Intervall
In vielen Anwendungen ist nicht die Genauigkeit über den gesamten Messweg
entscheidend, sondern vielmehr die Genauigkeit in einem sehr eng begrenzten
Abschnitt. So kommt es beispielsweise bei
Bestückungsautomaten vor allem auf die
letzten Millimeter des Weges an, damit ein
Montageprozess hochgenau ablaufen kann.
Aus der Angabe der Genauigkeit in einem
definierten Intervall kann der Anwender insolchen Applikationen wesentlich genauere
Informationen über die zu erwartende Genauigkeit entnehmen als aus der Genauigkeitsklasse.

BasisabweichungIntervallbreite

Qualitätsprüf-Zertiﬁkat

Quality Inspection Certiﬁcate

DIN 55 350-18-4.2.2

DIN 55 350-18-4.2.2

LIP 201 R
ID 631000-13
SN 44408260

Messschritt

Max FI

Positionsabweichung F [μm]Position error F [µm]Messposition PosE [mm] / Measured position PosE [mm]Die Messkurve zeigt die Mittelwerte der Positionsabweichungen
aus Vorwärts- und Rückwärtsmessung.

The error curve shows the mean values of the position errors frommeasurements in forward and backward direction.

Positionsabweichung F des Maßstab: F = PosM – PosE
PosM = Messposition der Messmaschine
PosE = Messposition des Maßstab

Position error F of the scale: F = PosM – PosE
PosM = position measured by the measuring machine
PosE = position measured by the scale

Maximale Positionsabweichung der Messkurve
innerhalb 670 mm

Maximum position error of the error curve± 0,30 μm

Unsicherheit der Messmaschine

within 670 mm± 0.30 µm

Uncertainty of measuring machine–6–6

U95% = 0,040 μm + 0,400 ·10 · L (L = Länge des Messintervalls)

U95% = 0.040 µm + 0.400 ·10 · L (L = measurement interval length)

Messparameter

Measurement parameters

Messschritt

1000 μm

Measurement step

1000 µm

Erster Referenzimpuls bei Messposition

335,0 mmFirst reference pulse at measured position

335.0 mm

Relative Luftfeuchtigkeit

max. 50 %Relative humidity

max. 50 %Dieser Maßstab wurde unter den strengen
HEIDENHAIN-Qualitätsnormen hergestellt und geprüft.
Die Positionsabweichung liegt bei einer Bezugstemperatur
von 20 °C innerhalb der Genauigkeitsklasse ± 1,0 μm.

This scale has been manufactured and inspected in accordance withthe stringent quality standards of HEIDENHAIN.
The position error at a reference temperature of 20 °C lies within
the accuracy grade ± 1.0 µm.

Kalibriernormale

Kalibrierzeichen

Calibration standards

Calibration references

Jod-stabilisierter He-Ne Laser
Wasser-Tripelpunktzelle
Gallium-Schmelzpunktzelle
Barometer
Luftfeuchtemessgerät

40151 PTB 11
61 PTB 10
62 PTB 10
A6590 D-K-15092-01-00 2012-120230 DKD-K-30601 2012-11

Iodine-stabilized He-Ne Laser
Water triple point cell
Gallium melting point cellPressure gauge
Hygrometer

40151 PTB 11
61 PTB 10
62 PTB 10
A6590 D-K-15092-01-00 2012-120230 DKD-K-30601 2012-11= einzelnes Intervall= Intervall mit maximaler Basisabweichung Max FI
Abbildung 8: Schematische Darstellung zur Ermittlung der Genauigkeit ineinem Intervall

28.01.2014
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH · 83301 Traunreut, Germany · www.heidenhain.de · Telefon: +49 8669 31-0 · Fax: +49 8669 5061

Abbildung 7

6

Prüfer/Inspected by

K. Sommerauer

Abbildung 9: Für jeden Maßstab eines offenen Längenmessgeräts ermittelt HEIDENHAIN mit Hilfe einer speziellen Messmaschine die Basisabweichungin einem definierten Intervall.

Abbildung 10: Auf einem speziellen Messplatz wird bei jedem offenen Längenmessgerät die Interpolationsabweichung durch Vermessen des Abtastkopfes
ermittelt.

7Offene Längenmessgeräte

Die offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN sind optimiert für den Einsatz
an präzisen und schnellen Maschinen, wie
sie in der Elektronik-Industrie und Automatisierungstechnik gefordert sind. Trotz der
offenen Bauform weisen sie eine geringe
Verschmutzungsempfindlichkeit auf, gewährleisten hohe Langzeitstabilität und sindschnell und einfach zu montieren.

LIF 400

LIP 6000

LIDA 400

Weitere Informationen:• Katalog Offene Längenmessgeräte
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 8669 31-0
| +49 8669 32-5061
E-mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de1172234-10 · 1 · 4/2016 · H · Printed in Germany