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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen und gegebenenfalls gesteuerten
Verändern der Relativlage ausgewählter Stellen, z. B. Kanten, Umrisslinien, Marken od. dgl., eines Gegenstandes gegenüber einer Bezugsgeraden, mit einem Sender zum Ausstrahlen eines gerichteten Strahlenbündels, einem gegenüber diesem ausgerichteten, einen lichtempfindlichen Detektor enthaltenden Empfänger mit einem
Signalausgang, einer zwischen Sender und Empfänger aufgestellten, mit der ausgewählten Stelle auf Bewegung verbundenen, mit dem Strahlenbündel zusammenwirkenden Blende sowie mit einem Anzeige- oder Registriergerät bzw. einer Vorschubeinrichtung für ein Werkzeug, die an den Ausgang des Empfängers angeschlossen und von dessen in Abhängigkeit mit der Relativlage der Blende gegenüber dem Strahlenbündel veränderlichen
Ausgangssignalen gesteuert sind.
Anders als bei Geräten, bei welchen das Auswandern des mit dem zu steuernden Werkzeuges verbundenen
Detektors, eines Empfängers, aus einem Bezugstrahlenbündel beobachtet wird (deutsche Offenlegungs- schrift 1484815, franz. Patentschrift Nr. 1. 591. 333, USA-Patentschrift Nr. 3, 069, 983), ist hier die Stellung der
Blende innerhalb des von ihr unabhängig errichteten Bezugssystems massgebend.
Bei einer Grabenziehmaschine mit selbsttätiger Tiefensteuerung (deutsche Offenlegungsschrift 1484667) wird ein mittels eines Senders und eines Empfängers festgelegtes Lichtstrahlenbündel parallel zur Sohle des herzustellenden Grabens orientiert. Eine mit der Grabenziehmaschine verbundene, jedoch auf- und abwärtsbewegbare Blende, die gegen die Grabensohle abgestützt ist, steht im Weg des Strahlenbündels und beeinflusst die Ausleuchtung des Empfängers in Abhängigkeit von Abweichungen zwischen Ist- und Sollverlauf der Grabensohle.
Mittels von dem Empfänger abgeleiteter Signale wird das Werkzeug der Grabmaschine gesteuert. Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zum Herstellen von Gräben, die selbsttätig auf einer vorbestimmten Tiefe gehalten wird (deutsche Offenlegungsschrift 1922794). An der Grabvorrichtung oder ihrem Traktor ist eine Blende angebracht, deren Kante bei richtiger Tiefe des Grabens den Querschnitt eines parallel zur Fallinie der
Grabensohle gerichteten, eigenen Strahlenbündels von oben berührt. Die Steuerung der Grabvorrichtung ist auf deren Absenken eingestellt und bewirkt ein Anhalten bzw. eine Bewegungsumkehr der Vorrichtung nur dann, wenn die Blende das Bündel unterbricht. Bei beiden bekannten Maschinen bzw. Vorrichtungen ist im Hinblick auf ihren Verwendungszweck eine besondere Genauigkeit der Steuerung weder angestrebt noch mit den vorgesehenen Mitteln erreichbar.
Der Querschnitt auch eines von einem Richtstrahler ausgehenden
Strahlenbündels steigt mit zunehmender Entfernung von dem Strahler an, so dass eine Blende je nach ihrem
Abstand von dem letzteren bei Verschiebung um jeweils gleiche Wege unterschiedlich grosse Teile des
Strahlenbündels ausblendet. Es kann daher nur ein mittig gelegener Längenabschnitt des Strahlenbündels als
Bezugsgerade ausgenutzt werden, wenn eine einigermassen gleiche Empfindlichkeit der Anzeige erforderlich ist.
Wegen der notwendigen grossen Gesamtlänge des Strahlenbündels und dessen Querschnitt am Ort des Empfängers müssen starke und demnach viel Energie verbrauchende Lichtquellen sowie grosse Empfängerflächen angewendet werden, was einen Betrieb mit Batterien praktisch ausschliesst und der Mobilität socher Vorrichtungen keineswegs förderlich ist. Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen ist die Verwendung von Laserstrahlen vorgeschlagen worden, was allerdings andere Schwierigkeiten bedingt. Es darf nicht übersehen werden, dass Laser kostspielige und wenig robuste Instrumente sind, nur von geschulten Bedienungspersonen bedient und, wenn sie aus irgendeinem Grund ausfallen, an Ort und Stelle nicht wieder instandgesetzt, sondern höchstens in ihrer Gesamtheit ausgetauscht werden können.
Abgesehen davon ist das zufriedenstellende Arbeiten von Lasern nur in optisch streng homogenen Medien, am besten im Vakuum, gewährleistet und selbst dann die praktisch erzielbare Kohärenzlänge für die angestrebte Verwendung oft nicht ausreichend.
Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung, die alle diese Nachteile nicht aufweist, leichtgewichtig und leicht zu bedienen sowie transportabel ist und keinen grossen Energieaufwand bedingt. Dieses Ziel ist mit einer Vorrichtung des eingangs umrissenen Aufbaues erreichbar, bei welcher erfindungsgemäss der Sender als Richtstrahler mit einem rechteckigen Austrittsspalt und der Empfänger als Richtempfänger mit einem rechteckigen Eintrittsspalt ausgebildet ist, bei welcher die beiden Spalte parallel zueinander sowie zu einem geradlinigen Abschnitt der Begrenzungslinie der Blende orientiert sind und hinsichtlich ihrer Breite und/oder Länge übereinstimmen und bei welcher die Strahlungsquelle des Senders als Halbleiter-Photoemissionselement sowie der lichtempfindliche Detektor des Empfängers als Halbleiterphotodetektor ausgebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Richtelement des Senders und/oder des Empfängers als Platte aus für die Senderstrahlung durchsichtigem Material ausgebildet, die eine den Senderspalt bzw. Empfängerspalt festlegende Stirnfläche aufweist, in deren Mitte das Halbleiter-Photoemissionselement bzw. die Halbleiter-Photozelle eingebaut ist und die gegenüberliegende Stirnfläche der Platte ist als zylindrische bzw. rotationssymmetrische Hohlspiegelfläche mit kreis- oder parabelförmigem Querschnitt bzw. Meridian gestaltet und das Photoemissionselement bzw. die Halbleiter-Photozelle in die Brennebene des Spiegels verlegt.
Insbesondere wenn mit merklich schwankendem Störlicht zu rechnen ist, empfiehlt es sich, wenn der Empfänger eine ausserhalb des einfallenden Strahlenbündels vor der Halbleiter-Photozelle angeordnete, mit Gleichstrom gespeiste Photoemissionsdiode aufweist, die ein Strahlenbündel mit einem Öffnungswinkel Y erzeugt, innerhalb dessen die Photozelle liegt.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen und in diesen veranschaulichter
Ausführungsformen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 in schematisierter Darstellung die grundsätzliche Anordnung der wesentlichen Bestandteile einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 und 3 je eine Relativanordnung zwischen den Spalten und der Blende, Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit des von dem Empfänger abgegebenen Ausgangssignales von der Grösse der aus dem Messstrahlenbündel ausgeblendeten Zone hervorgeht, Fig. 5 eine Ausführungsform des Empfängers, Fig. 6 bzw. 7 in schaubildlicher
Wiedergabe je eine Ausführung eines im Einklang mit der Erfindung beschaffenen Richtempfängers bzw. -senders und Fig. 8 eine mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung gesteuerte Baumaschine.
Die aus Fig. l bis 3 entnehmbare Vorrichtung weist einen Richtsender-l--und einen Richtempfänger - auf, die mit Gestellen-13 bzw. 23-abgestützt sind. Der Richtsender ist zum Aussenden eines
Strahlenbündels mit dem Öffnungswinkel a, der Richtsempfänger zum Empfang einys Strahlenbündels mit dem öffnungswinkel ss eingerichtet. Der Sender ist mit dem Empfänger ausgerichtet, d. h. in dem jedenfalls anzustrebenden Idealfall fallen die Achsen der beiden Strahlenbündel zusammen. Ein geringer Abstand paralleler oder ein kleiner Winkel einander schneidender Achsen beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit der Anordnung nicht, bedingen aber eine gegebenenfalls tolerable Verringerung der Empfindlichkeit bzw. zulässigen Entfernung zwischen Sender und Empfänger.
Sowohl die Austrittsöffnung des Senders als auch die Eintrittsöffnung des Empfängers sind als rechteckiger Spalte-111 bzw. 211--gestaltet, wobei die Länge b jedes Spaltes dessen Breite a vorzugsweise erheblich übertrifft. Die beiden Spalte sind zueinander parallel orientiert, so dass ihre Längskanten und ihre Schmalkanten untereinander parallel verlaufen. Überdies sind die Längen oder die Breiten oder am besten die Längen und die Breiten beider Spalte gleich. Zufolge dieser Massnahmen wird aus dem Strahlenbündel, das aus dem Spalt --111-- des Senders --1-- austritt, ein Bündel von Strahlen, das Messstrahlenbündel--1121--ausgesondert, dessen Querschnitt rechteckig und bei gleich gestalteten Spalten über seine gesamte Längserstreckung praktisch unveränderlich ist.
Stimmen lediglich die Längen oder die Breiten des Austritts- bzw. Eintrittsspaltes überein, dann ist der Querschnitt des Messstrahlenbündels ebenfalls rechteckig, aber das Bündel verläuft innerhalb eines Prismas mit zwei einander gegenüberliegenden, parallelen Flächen.
Zwischen Sender-l-und Empfänger-2--ist eine Blende --31-- angeordnet, deren Begrenzungslinie --311-- geradlinig verläuft oder zumindest einen geradlinigen Abschnitt enthält. Die Begrenzungslinie oder dieser Abschnitt ist in eine zu den Ebenen des Aus-bzw. Eintrittsspaltes--111 bzw.
211--parallele Ebene verlegt, zu den Längsseiten der Spalte parallel oder normal ausgerichtet, wie Fig. 2 bzw.
Fig. 3 erkennen lässt. Wenn die Begrenzungslinie --311-- in das Messstrahlenbündel-1121-normal zu dessen Achse eintritt (Pfeil x) blendet sie aus diesem ein Teilbündel aus. Weil die Begrenzungslinie wegen ihrer Orientierung gegenüber der Ein- und der Austrittsöffnung auch zu jeweils einem der beiden Paare paralleler Kanten des Messbündelquerschnittes parallel ist, ergibt sich eine zu der Eindringtiefe der Begrenzungslinie in das Messstrahlenbündel proportionale Querschnittsfläche des ausgeblendeten Teilbündels.
In dem Diagramm der Fig. 4 sind als Abszissen die von einem ausserhalb des Messstrahlenbündels gelegenen Nullpunkt gemessenen Vorschubwege x der Begrenzungslinie--311--und als Ordinaten die
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seinem Maximalwert, 100%, und fällt bei weiterem Vorschub der Begrenzungslinie linear bis auf den Wert 0 ab, der bei völliger Ausblendung des Bündels erreicht wird. Die Kurven k bzw. m entsprechen den Anordnungen nach den Fig. 2 bzw. 3. Die abfallenden Kurventeile erstrecken sich über die Wege a bzw. b und wegen a < b ist der abfallende Teil der Kurve k steiler. Die strichlierte Kurve n entspricht einer Anordnung, bei welcher die Begrenzungslinie --311-- der Blende --31-- nicht genau parallel zu den Spalten--111, 211--orientiert ist.
Auch in diesem Fall ist der abfallende Kurventeil sehr annähernd linear, insbesondere in seinem mittleren Bereich. Die Parallelität zwischen den Spalten und der Begrenzungslinie ist daher eine Bedingung, die nicht sehr streng eingehalten werden muss, sie kann von ihr vielmehr sogar absichtlich innerhalb gewisser Grenzen abweichen, um das Intervall c, in dem die Kurve n abfällt, grösser zu machen als dem Wegmass a entspricht. Gegebenenfalls können die Spalte--111, 211-und damit die Dicke des Messstrahlenbündels--1121-sehr klein gemacht werden. Die Kurve o veranschaulicht die Verhältnisse bei Spalten, deren Breite in die Nähe der Wellenlänge der von dem Sender ausgesandten Strahlung kommt. Der Abfall der Kurve, die das Auftreten von Beugungserscheinungen erkennen lässt, ist dann sehr steil.
Als Folge der zwischen den beiden Spalten und der Begrenzungslinie der Blende eingehaltenen Orientierungen sind die aus Fig. 4 entnehmbaren Kurven praktisch unabhängig davon, an welche Stelle zwischen Sender und Empfänger die Blende gestellt ist.
Im Einklang mit der Erfindung ist die Strahlungsquelle des Senders als Halbleiter-Photoemissionselement --14-- und der lichtempfindliche Detektor des Empfängers als Halbleiter-Photodetektor--25--ausgebildet (Fig. 7 bzw. 6). Wie bereits erwähnt, ist ein möglichst niedriger Energieverbrauch angestrebt und dieser Forderung entsprechen Halbleiter-Photoemissionselemente in hohem Mass.
Ihr Verbrauch ist um Zehnerpotenzen kleiner als der von Glühlampen oder auch von Lasern. Überdies gestatten sie eine Modulation der ausgesandten Strahlung auf wesentlich einfachere Weise als es bei Glühlampen oder Lasern möglich ist und der Spektralbereich der Strahlung ist verhältnismässig eng.
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dem Empfängerspalt--212--zugehörigen Strahlenbündels, verlegt und darauf der Querbalken in ein Niveau gebracht, dessen Abstand von dem Planum der Dicke des aufzubringenden und abzugleichenden Fahrbahnbelages entspricht. Das untere Strahlenbündel ist bei dieser Stellung der horizontalen Blende nicht ausgeblendet. Die
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B.- auftrifft.
In den Empfänger-2-ist ein Signalsender eingebaut, der an eine Antenne-28- angeschlossen ist und zwei Folgen von Signalen abgibt, die mit den relativen Energiewerten s korrespondieren, die jeweils für die Stellung der einen bzw. der andern Blende repräsentativ sind. Das untere Strahlenbündel dient als Vergleichsbündel, zur von der Aussenbeleuchtung unabhängigen Ermittlung der Relativwerte s. Wenn die
Begrenzungslinien der beiden Blenden in die Mitten der zugehörigen Strahlenbündel eingestellt sind, was zwar nicht zwingend aber sehr vorteilhaft ist, arbeitet die Vorrichtung in der s = 50% entsprechenden Mitte der linearen Abschnitte der Kurven nach Fig. 4.
An der Maschine --5-- ist ein Steuergerät --51-- samt einer Empfangsantenne--518--für die von der Sendeantenne--28--ausgestrahlten Signale angeordnet. Von diesem Steuergerät ist der zum Verschwenken der Längsholme dienende Antrieb--55--sowie der Antrieb - zum Verstellen der vertikalen Blende--32--gesteuert, d. h., die aus ihrer mittigen Sollstellung verlagerten Blenden werden in diese Sollstellung selbsttätig zurückgeführt.
Die Verlagerung der vertikalen Blende gegenüber dem Maschinengestell ist an einem an das Steuergerät - -51-- angeschlossenen Anzeigeinstrument --53-- ablesbar, das vor dem Sitz für den Bedienungsmann der
Maschine angebracht ist, damit dieser die Maschine in die richtige Fahrtrichtung zurücklenkt, bei der das
Anzeigeinstrument auf Null zeigt. Ein solches Steuergerät reicht aus, um die Maschine längs einer geraden
Fahrbahn in einer parallel zu den Strahlenbündeln verlaufenden Richtung und den Querbalken in der vorgeschriebenen Höhe zu erhalten.
Das Steuergerät kann aber auch vervollkommnet werden, um eine Bewegung der Maschine in einer
Richtung zu ermöglichen, die mit den Strahlenbündeln sowohl einen Höhen- als auch einen Seitenwinkel einschliesst, wobei diese Winkel in Abhängigkeit vom Weg variieren können, den die Maschine von einem
Ausgangspunkt an zurückgelegt hat. In diesem Fall ist der Höhenabstand zwischen einer ortsfesten Stelle des
Maschinengestelles und den beiden übereinander liegenden Bündeln sowie der Marke am Maschinengestell und dem seitlichen Strahlenbündel bei Sollage der beiden Blenden nicht mehr konstant, sondern nimmt beispielsweise zu, falls eine gekrümmte Fahrbahnrampe hergestellt werden soll.
Zwischen dem Weg der ordnungsgemäss also bei in Sollstellung der Blenden arbeitenden Maschine und den
Strahlenbündeln besteht eine systematische Abweichung, die in einem Programm in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Weg aufgezeichnet werden kann. Dieses Programm ist in ein zusätzliches Steuergerät--52-- eingespeist, an das ein Pegelgeber--56--für den Höhenabstand angeschlossen ist. Von diesem Zusatzgerät werden die Antriebe--55 bzw. 42--nach Massgabe des Programmes gesteuert und diese systematische
Steuerung ist der die Fehler ausgleichenden Steuerung überlagert. Vor dem Sitz der Bedienungsperson ist ein Pult - mit die ordnungsgemässe Arbeit der Maschine anzeigenden Geräten vorgesehen.
Die elektrische
Schaltung des Empfängers --2-- bzw. die Maschinensteuerung kann derart ausgebildet sein, dass bei völliger oder bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erfolgender Ausblendung eines der Strahlenbündel ein Stoppsignal abgegeben wird, denn eine derartige Ausblendung zeigt ein im Bereich der Fahrbahn vorhandenes Hindernis an.
Ein weiteres Anwendungsbebiet für erfindungsgemässe Vorrichtungen ergibt sich bei insbesondere zur Bearbeitung von grossen und schweren Werkstücken bestimmten Werkzeugmaschinen, wie Horizontalbohrmaschinen, Drehbänken usw., wenn damit gerechnet werden muss, dass sich Maschinenbestandteile, z. B. vorkragende Spindeln, Maschinenbette oder auch das Werkstück selbst unter dem Einfluss des Gewichtes oder aus der Bearbeitung resultierenden Kräften stärker durchbiegen als im Hinblick auf die zulässigen Bearbeitungstoleranzen zulässig oder wünschenswert ist.
Wird in solchen Fällen das Werkstück als Blende und eine seiner Umrisskanten als deren Begrenzungslinie einer erfindungsgemässen Vorrichtung gewählt, so können Abweichungen dieser Begrenzungslinie gegenüber dem unabhängig von belasteten Maschinenteilen festgelegten Messstrahlenbündel sehr genau ermittelt und die mit den Abweichungen korrespondierenden Signale zum Nachstellen des Werkzeuges oder zu einer Korrektur der Werkstückhalterung ausgenutzt werden.
Die an Hand der Fig. 8 erörterte mehrfache Verwendung erfindungsgemässer Vorrichtung ist nicht auf die dort beschriebene Relativanordnung der Messstrahlenbündel oder Blendenbewegungen beschränkt. Zwei oder mehrere Messstrahlenbündel müssen keineswegs parallel verlaufen, sie können einander auch unter vorgegebenen Winkeln schneiden oder kreuzen. Auch die Blenden bzw. ihre Begrenzungslinien müssen bei ihrer Einstellbewegung nicht zwingend normal zur Richtung des Strahlenbündels verschiebbar sein, auf das ihre Sollage bezogen ist, sondern können verschwenkbar oder längs einer andern vorbestimmten Bahn in das Bündel einführbar sein. Bei der Maschine nach Fig. 8 sind die Blenden entlang des Strahlenbündels bewegbar und diese Bewegung ist mittels eines Programmes festgelegt, dass einen Parameter enthält ; bei diesem Ausführungsbeispiel den Abstand von einem Nullpunkt.
Es versteht sich, dass je nach der ins Auge gefassten Anwendung auch andere Parameter, z. B. die Zeit, in Betracht kommen können.