Verfahren zum Messen oder Einstellen der relativen Lage zweier Körper
Das Patent bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen oder Einstellen der relativen Lage zweier Körper und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist für verschiedene Geräte verwendbar, bei denen eine genaue Einstellung eines eine Linear- oder eine Schwenkbewegung vollführenden Elementes gewünscht wird.
So müssen z. B. bei einer Lehrenbohrmaschine, die für äusserst genaue Bearbeitungen benutzt wird, geradlinige Bewegungen des Tisches mit hoher Präzision durchgeführt werden können. Diese Bewegungen werden normalerweise von Hand gesteuert, oder es wird eine Handsteuerung mit mechanischer Hilfe angewendet, wobei Skalen mit feinen Teilungen und optischer Vergrösserung verwendet werden zwecks Erzielung des erforderlichen Genauigkeitsgrades.
Es sind mechanische Skalen verschiedener Art zum Messen oder zur Anzeige von Längen und Abständen im Gebrauch, deren Skalenteilungen aus Markierungen oder dergleichen bestehen.
Das Patent bezweckt, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zu schaffen, durch die eine äusserst genaue Messung durch Interpolation zwischen den Markierungen der Skala möglich ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist Mittel zum Erzeugen eines als Interpolationsskala verwendbaren Lichtmusters auf sowie lichtempfindliche Elemente zur Beobachtung dieses Lichtmusters zusammen mit mindestens einer Teilmarke der Hauptskala, Organe zur Umwandlung des beobachteten Lichtmusters in Impulsreihen, deren einzelne Impulse den Teilungen der Interpolationsskala entsprechen, und einen Zähler für die Impulse.
Die Hauptskalenteilung (grobe Skala) kann entweder in einem undurchsichtigen Bauelement eingeschnitten oder auf andere Weise gebildet werden, oder in Form von undurchsichtigen Markierungen auf einer durchsichtigen Skala angebracht sein.
Das Lichtmuster wird vorzugsweise durch optische Verkleinerung einer genau ausgeführten Interpolationsskala z. B. eines Gitters erhalten, das durch direkt auffallendes Licht oder durch Reflexion beleuchtet wird und mit undurchsichtigen oder lichtabsorbierenden Interpolationsteilungen versehen ist.
Die Erfindungen werden im folgenden beispielsweise näher erläutert.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige beispielsweise Ausführungsformen von Vorrichtungen nach der Erfindung dargestellt. Bei denselben ist ein mit einer sägezahnförmigen Zahnung versehener Stab vorhanden, der am beweglichen Tisch einer Lehrenbohrmaschine oder eines anderen Werkzeuges befestigt ist und einen Teil der Apparatur zum Messen des Abstandes bildet zwecks Erhaltung einer sehr genauen und gegebenenfalls selbsttätigen Einstellung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Lichtmuster und eine Impulsreihe, die zwei verschiedenen Zählungen entsprechen. Die Impulse sind zur Verdeutlichung genau unter den Elementen des Musters dargestellt. Bemerkt wird aber, dass das Muster als Funktion der Länge abgetragen ist, während die Impulsreihen auf einer Zeitskala abgetragen sind.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches die Lagen für verschiedene Zählungen darstellt, und
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Vorrichtung.
Auf dem nicht gezeichneten beweglichen Tisch einer Werkzeugmaschine und in der Längsrichtung dieses Tisches verlaufend ist eine Hauptskala (Fig. 1 und 2) mit einer sägezahnförmigen Kante befestigt.
Die senkrechten Zahnflanken V, Vn dienen als Skalenteilungen und liegen mit Genauigkeit in gegen seitigen Abständen von 2,5 mm. Bei Abwesenheit dieser Genauigkeit werden die Fehler der Lagen der senkrechten Zahnflanken gemessen, und es wird im Messsystem eine Korrektur angebracht.
Um die Lage des Tisches auf t/loo oder 1/looo der Hauptskaleneinteilung von 2,5 mm genau messen zu können, wird eine relativ zur Werkzeugmaschine feste, nicht dargestellte Interpolationsskala auf die mit dem Tisch bewegliche Hauptskala projiziert.
Diese Interpolationsskala, welche eine Länge von 10 bis 25 cm haben kann, ist undurchsichtig und weist 100 oder 1000 linear in gleichen Abständen angeordnete Marken in der Form von lichtdurchlässigen Öffnungen auf. Eine nicht dargestellte Linse hoher Qualität und mit einer numerischen Apertur, die für die erforderliche Auflösung hinreichend ist, erzeugt ein verkleinertes Bild der Interpolationsskala auf der Hauptskala. Die Verkleinerung ist derart, dass die Bilder von 100 oder 1000 Öffnungen genau zwischen zwei aufeinanderfolgende senkrechte Zahnflanken der Hauptskala fallen.
Bei der praktischen Anwendung sind mehr als 100 oder 1000 Öffnungen, z. B. 110 oder 1010, in der Skala vorhanden; die Verkleinerung wird aber derart sein, dass gerade 100 oder 1000 Öffnungen zwischen zwei Hauptskalenmarkierungen mit einem gegenseitigen Abstand von 2,5 mm fallen. Der Rest der Öffnungen spielt keine Rolle oder kann zum Messen des Fehlers des Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden senkrechten Flanken dienen.
Um die genaue Lage des Tisches auf der Maschine festzustellen, werden nun von einer senkrechten Zahnflanke der Hauptskala an die Bilder der Öffnungen der Interpolationsskala gezählt.
Für diese Zählung wird die Interpolationsskala von einem Lichtfleck abgetastet, der ebenso klein oder kleiner als die Öffnungen in der Skala ist. Der Lichtfleck bestreicht die Skala vorzugsweise mit gleichmässiger oder nahezu gleichmässiger Geschwindigkeit, und zwar bei jeder Abtastung immer in derselben Richtung. Das Abtasten erfolgt viele Male je Sekunde.
Das auf die sägezahnförmige Hauptskala fallende Licht wird hinter dieser Skala von einer Photozelle aufgefangen, die infolge des Abtastens eine aus unterbrochenen (durch die Zähne der Hauptskala unterbrochen) Impulsreihen bestehende Ausgangs spannung liefert.
In den Fig. 1 bis 3 ist deutlichkeitshalber eine Interpolation mit 10 statt mit 100 oder 1000 dargestellt. In Fig. 1 sind die senkrechten Zahnflanken der mit dem Tisch beweglichen Hauptskala mit V, die festen Bilder der Öffnungen in der Interpolationsskala mit B bezeichnet. Es ist darin die Impulszahl zwischen der Flanke Vn, d. h. der letzten senkrechten Flanke V der Hauptskala und dem letzten Impuls der Abtastung (entsprechend dem Bild der letzten Öffnung der Interpolationsskala) ein Mass für die Unterteilung des Abstandes von 2,5 mm. Diese Zahl nimmt zu, wenn sich die Hauptskala nach links bewegt (da ja die Interpolationsskala fest ist, erscheinen dann nach der Flanke Vn mehr Bilder von Öffnungen).
In einem gegebenen Augenblick begegnet das Bild der Interpolationsskala der schrägen Flanke S der Hauptskala, und der gewünschte Teil der Impulsreihe wird unterbrochen. Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt. Um die Zählung trotzdem richtig vornehmen zu können, d. h. vom ersten Impuls nach der senkrechten Flanke (in Fig. 2 mit D bezeichnet) bis zum letzten Impuls der Abtastung E, wird die Interpolationsskala auch direkt mittels einer zweiten Photozelle beobachtet, deren Ausgangsspannung aus einer kontinuierlichen Impulsreihe besteht. Die beiden auftretenden Impulsreihen sind in Fig. 2 unten dargestellt für den Fall, dass der schrägen Flanke S während der Zählung begegnet wird.
Um in jedem Fall die richtige Zahl von Impulsen zu zählen, wird eine Zähleinrichtung verwendet, welche a) die Impulse der zweiten erwähnten Reihe (aus der direkten Beobachtung) zählt, b) zu zählen beginnt, wenn Impulse der beiden Reihen miteinander auftreten (Koinzidenz, kurz C), und c) auf null zurückgestellt wird, wenn Impulse miteinander auftreten (C), nachdem sie vorher nur in einer Reihe vorhanden waren (Antikoinzidenz, kurz A).
Diese Zähleinrichtung arbeitet nun wie folgt:
Im in Fig. 1 dargestellten Fall beginnt sie bei H zu zählen und zählt fortlaufend alle Impulse über J und K hinaus. Bei D wird sie auf null zurückgestellt, beginnt neu zu zählen und zeigt am Ende die Zahl der Impulse zwischen D und E.
Im in Fig. 2 dargestellten Fall beginnt sie die Zählung bei D und zählt weiter bis E.
In Fig. 3 und allgemein zeigt sie am Ende einer Abtastung die Zahl der Impulse zwischen dem letzten Beginn der Koinzidenz (C) (erster Impuls rechts von einer Flanke V in Fig. 3) und dem Ende der direkt beobachteten Reihe, in Fig. 3 also die rechts am Rand angegebenen Zahlen.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Blockschema der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Zähleinrichtung. Es werden photoelektrische Vervielfacher zur Beobachtung des optischen Bildes der Interpolationsskala verwendet. Die Einrichtungen 101 und 102 ergeben elektrische Impulse mit einer Amplitude von etwa 100 Volt. Diese Impulse werden in den Umkehreinrichtungen 103 und 104 umgekehrt, so dass eine Übertragung von Licht zu einem Impuls positiven Vorzeichens führt. Die Impulse werden der Koinzidenzschaltung 105 zugeführt, die eine einzige Röhre enthalten kann, die an zwei Gittern gesteuert wird. Eine Koinzidenz führt zu einem negativen Impuls, der der Einrichtung 107 zugeführt wird, die zwei stabile Betriebslagen hat.
An einer Anode ist ein verstärkter negativer Impuls für die Rückstellung verfügbar; das Auftreten des ersten Zusammenfallens wird durch die Lage der Einrichtung 107 aufgezeichnet.
In der Verzögerungseinrichtung 108 und einer Einrichtung 112, mittels deren die Impulsbreite geregelt wird, werden die Impulse P2 der kontinuierlichen Impulsreihe mit einer Zeit gleich ¸ der Impulsbreite verzögert, und ihre Länge wird auf die Hälfte der ursprünglichen reduziert. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein unerwünschtes Nichtzusammenfallen nicht aufgezeichnet wird, wenn ein Impuls der unterbrochenen Reihe P1 etwas ausser Phase mit einem P2-Impuls auftreten würde. Bei Nichtzusammenfallen wird mittels der Einrichtung 106 ein negatives Signal der anderen Röhre der bistabilen Einrichtung 107 zugeführt, so dass das Nichtzusammenfallen als neue Lage der bistabilen Einrichtung aufgezeichnet wird.
Die rechte Anode der bistabilen Einrichtung 107 ergibt eine positive rechtwinklige Welle, die mit der Unterbrechung der Reihe von Pl-Impulsen zusammenfällt; die ablaufende Flanke dieser rechtwinkligen Welle wird für die Rückstellung des Zählers 110 benutzt.
Der Zähler 110 wird von der kontinuierlichen Impulsreihe P2 gespeist und gibt die Zählung an eine Vergleichsvorrichtung 109 weiter, in der die Zählungen mit einer erforderlichen Abmessungszahl verglichen werden, die in einem Eingangsteil 111 eingestellt wird. Unterschiede, die positiv oder negativ sein können, ergeben positive oder negative Signale.
Diese Signale können an einen Indikator weitergegeben werden, der die Abweichung der Tischlage vom im Eingangsteil 111 eingestellten Sollwert anzeigt, oder sie können einem Servomechanismus zugeführt werden, welcher die Tischlage selbsttätig verändert, bis die Abweichung null ist.
Die beschriebene Ausführung ist bei rechteckigen oder trapezartigen Hauptskalenteilungen, wie bei S1 oder S2 (Fig. 1) angegeben, oder bei anderen Formen der Skalenteilung verwendbar; die Genauigkeit und die Gleichförmigkeit der Breiten oder der Profile sind von wenig Bedeutung, wenn nur die Bezugsflanken V genau gestaltet sind und in den richtigen gegenseitigen Abständen liegen. Die Ausführung kann auch mit geringer Änderung bei einer bogenförmigen oder kreisförmigen Sägezahnskala Anwendung finden, wenn Winkelbewegungen vollführt oder gesteuert werden müssen, z. B. bei Einrichtungen zum Richten von Geschützen.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform, die schematisch in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, erzeugt die Abtastvorrichtung zwei Lichtflecke, die im Falle einer waagrechten Skala beim Abtasten senkrecht übereinander gehalten werden. Die beiden Lichtflecke können gewünschtenfalls mittels einer senkrechten Lichtlinie erhalten werden, die über ein waagrechtes Muster bzw. eine Maske streicht, wie in Fig. 6 dargestellt. Ein Lichtfleck, durch einen kontinuierlichen Spalt T2 (Fig. 6) erzeugt, führt eine ununterbrochene Abtastung der Sägezahnskala aus. Der andere Lichtfleck, der zum Erzeugen von Impulsen benutzt werden soll, wird bei seiner Bewegung mit Intervallen von einer Maske T1 (Fig. 6) maskiert, so dass eine Interpolation zwischen senkrechten Flanken V der Skala möglich ist.
Beim Erzeugen eines verkleinerten Bildes des Abtastmusters wird aber nur der Lichtfleck zum Abtasten des Sägezahns verwendet, während der Impulse erzeugende Lichtfleck gegenüber dem verkleinernden Linsensystem durch einen Schirm oder Reflektor T3 abgeschirmt ist und von einer getrennten Photozelle überwacht wird.
Diese Photozelle ergibt daher eine Reihe von Impulsen, die während der Abtastung ununterbrochen läuft. Der Abtastfleck für den Sägezahn wird nur von der Sägezahnskala unterbrochen und die Ausgangsspannung der zugeordneten Photozelle ist im oberen Teil von Fig. 5 angegeben. Wenn der Lichtfleck hinter der senkrechten Flanke V hervor zum Vorschein kommt, so nimmt der Zellenstrom plötzlich zu, so dass die Ausgangsspannung abnimmt (Q); diese Änderung unterscheidet sich von der in positiver Richtung gehenden Änderung (R), die auftritt, wenn der Fleck hinter der schrägen Flanke S verschwindet. Der sich im negativen Sinne ändernde Teil o wird als Signal verwendet, welches das Zählen der Impulse einleitet, die im Ausgangskreis der Photozelle auftreten.
Die am Ende der Abtastung gezählte Anzahl ergibt die erforderliche Interpolation.
Eine Vorrichtung, die, wie an Hand der Fig. 5 und 6 erläutert, arbeitet, wird im nachfolgenden ausführlicher an Hand der Fig. 7 bis 70 beschrieben; die Vorrichtung kann beim waagrecht verschiebbaren Tisch einer Werkzeugmaschine Anwendung finden.
Bei dieser Vorrichtung ist die Hauptskala ein mit einem mit Schraubengewinde versehenes Element, wobei eine oder die beiden Flanken des Gewindes als Bezugsfläche dienen und wobei das Profil des Gewindes längs einer Tangentialebene belichtet wird.
Das Skalenorgan besitzt grobe Skalenteilungen von 2,5 mm, während die Interpolationsskala 100 Teilstriche aufweist, so dass eine Messung bis 0,025 mm möglich ist; es ist aber einleuchtend, dass diese Zahlen nur beispielsweise und zur Erleichterung der Erläuterung angenommen sind.
Nach Fig. 7 erzeugt eine feste Lichtquelle mit einem linearen Glühfaden 1 und einer Kondensorlinse 2 ein senkrechtes paralleles Lichtbündel, in dem sich ein Abtastorgan in Form eines Spiegels 3 unter 45o mit einer senkrechten Zylinderlinse 4 hin und her bewegt. Das Abtastorgan 3 wird von einem nicht dargestellten Wagen unterstützt, der durch passende Mittel hin und her bewegt wird, wobei die Bewegung in waagrechter Richtung erfolgt; der Spiegel bewegt sich daher im Bündel hin und her, wobei ein konstanter Bündelteil auf die Linse 4 geworfen wird. Letztere hat die Form eines geschliffenen und polierten Glasstabes mit einer Länge von 25 mm und einem Durchmesser von 12,5 mm.
Sie ist mit der Achse senkrecht angeordnet und erzeugt ein senkrechtes Linienbild des Glühfadens in einem Abstand von etwa 4 mm von der Oberfläche. Die Breite der Linie ist nach Verkleinerung mittels eines im nachfolgenden zu beschreibenden Objektivsystems etwa 0,005 mm.
Das optische System ist auf einer Grundplatte 8 befestigt. Eine Platte mit der Interpolationsskala 5, die später beschrieben wird und die im wesentlichen den Masken T1 und T2 (Fig. 6) entspricht, ist in der Nähe des Abtastorgans über einer waagrechten rechteckigen Öffnung im einen Ende einer lichtdichten Dose 9 befestigt. Eine waagrechte Teilungsplatte T3 entsprechend dem Schirm T3 in Fig. 6 teilt die Skala in einen oberen Teil und einen unteren Teil und ebenso die Dose 9. Ein Spiegel 10 reflektiert Licht vom oberen Teil der Skala nach einer Photovervielfachungszelle 12. Die Dose 9 mit dem Abtastorgan und der Lichtquelle sind auf einem nicht dargestellten Schlitten befestigt, der in geringem Abstand gegen über der Grundplatte 8 bewegt werden kann, so dass die Länge des Systems und auch der optische Verkleinerungsfaktor, der z. B. 40:1 beträgt, eingestellt werden können.
Eine zweite lichtdichte Dose 14 ist starr auf der Grundplatte 8 befestigt und mit der Dose 9 durch eine teleskopartige Verbindung 15 verbunden. Die Dose 14 enthält ein Mikroskop 17 mit einem 16-mm-Objektiv und besitzt ein mittels eines Zahnrades bewegtes Einstellorgan. Die mit Gewinde versehene grobe Skala ist mit 18 bezeichnet und ist mit ihrer Messfläche 19 dem Objektiv gegen über angeordnet, während eine Photovervielfachungszelle 22 an der anderen Seite angebracht ist.
Um einen wesentlichen Verlust an Auflösungsvermögen und eine Oberlastung der Photozelle zu vermeiden, muss beim Auffallen von Licht unter einem kleinen Winkel auf der unteren Fläche der Teilungsplatte T3 eine Reflexion vermieden werden, denn sonst wäre ein zweites unregelmässiges Bild der Lichtlinie im Mikroskopobjektiv sichtbar. Auch kann ein Spiegel sehr guter Qualität zum Verdoppeln der Länge der Lichtlinie benutzt werden, wie sie vom Objektiv wahrgenommen wird. Es ist auch von Bedeutung, dass Reflexionen durch die Wände der Dosen 9 und 14 vermieden werden.
Wie in Fig. 8 dargestellt, weist die Interpolationsskala 5 einen oberen Teil 5' mit undurchsichtigen Markierungen und einen unteren hellen Teil 5" auf.
Der Teil 5' der Interpolationsskala entsteht z. B. durch photographische Verkleinerung einer grossen Zeichnung in weiss und schwarz oder durch direktes Gravieren. Die in Fig. 8 dargestellte Ansicht ist eine Ansicht, deren Unterhälfte durch das Mikroskopobjektiv und deren Oberhälfte durch die Photozelle 12 gesehen würde, das vergrösserte rückprojizierte Bild der Hauptskala ist für die Erläuterung hinzugefügt. Die Hauptskala ist ein axialer Schnitt des Schraubengewindes und ist sägezahnförmig mit einer Messfläche 19 mit Sägezahnprofil, das schräge Seiten S und senkrechte Bezugsflanken V aufweist.
Die vom Abtastbündel erzeugte Lichtlinie ist bei 23 als aus zwei Teilen bestehend dargestellt, die von der Teilungsplatte T3 getrennt sind. Die Verwendung einer Lichtlinie bietet wesentliche Vorteile gegenüber kreisförmigen oder viereckigen Lichtflecken, wie sie mit der Vorrichtung nach Fig. 6 erzeugt werden. Abgesehen vom erzielbaren höheren Auslösungsvermögen und der grösseren Menge einfallenden Lichtes entsteht eine weitere Unterscheidung zwischen den Spannungsänderungen an der Photozelle 22 gegen über den entsprechenden Anderungen R und Q von Fig. 5.
Das Maskieren der Lichtlinie durch die schräge Flanke S erfolgt allmählich, so dass eine allmähliche Stromabnahme in der Zelle und eine entsprechende Spannungszunahme (R 1 in Fig. 8) auftritt, die sich leicht von der schnellen linderung Ql (infolge des Erscheinens des Bündels von hinter der Flanke V) unterscheiden lässt, ohne dass man sich auf den Polaritätsunterschied zu verlassen braucht. Diese Eigenschaft bewirkt, dass das elektrooptische System während des Rücklaufes der Wagenbewegung wirksam bleiben kann, ohne dass ein Schalten nötig ist, was nicht nur eine Verwicklung der Einrichtung herbeiführen würde, sondern auch Spannungsänderungen einleiten würde, die sich nicht direkt von der gewünschten Änderung Q1 unterscheiden lassen.
Die vom zurückkehrenden Bündel erzeugte Wellenform kann daher wie eine Fortsetzung der Wellenform Ql, Rl in Fig. 8 dargestellt werden und enthält entgegengesetzte Änderungen R2, Q2. Wenn die Lichtlinie hinter einer senkrechten Flanke V zum Vorschein kommt, so wird in der Photozelle 22 der scharf abfallende Wellenteil Q 1 entwickelt, während das Maskieren durch eine schräge Flanke 3 den langsam zunehmenden Wellenteil R1 ergibt. Das Maskieren durch eine senkrechte Flanke V beim Rückschlag ergibt einen scharf zunehmenden Wellenteil Q2, während die Erscheinung des Bündels von hinter einer schrägen Flanke S den langsam abnehmenden Wellenteil R2 ergibt.
Die hieraus durch Differenzierung erhaltene Wellenform ist in Fig. 10 dargestellt und enthält zwei scharfe Impulse A 1 und A2 mit grosser Amplitude und entgegengesetztem Vorzeichen sowie zwei Impulse mit viel geringerer Amplitude (z. B. dem zehnten Teil der ersteren) und längerer Dauer.
Hierbei ist einer der scharfen Impulse Ql deutlich von den anderen drei Signalen zu unterscheiden und wird als Steuerimpuls benutzt. Dieser Impuls öffnet ein Tor, durch das die übrigen von der Interpolationsskala erzeugten Impulse einem Zähler zugeführt werden. Die Zahl dieser Impulse ist ein Mass für den Abstand der Flanke V (Fig. 8) bis zum rechten Ende 6 der Interpolationsskala.
Die Interpolationsskala 5 besitzt mehr als 100 Teilstriche, z. B. 110, so dass sie etwas länger ist als der vergrösserte, rückprojizierte Abstand zweier senkrechter Flanken der Hauptskala, was einen allmählichen Übergang von einer Sägezahnflanke auf die nächste ermöglicht.
Fig. 9 zeigt ein Blockschema der Einrichtung zum Selektieren und zum. Zählen der von der Photozelle 12 herrührenden Impulse und zur Durchführung der entsprechenden Interpolationsmessung, und Fig. 10 zeigt verschiedene Wellenformen, die mit der Vorrichtung nach Fig. 9 erhalten werden.
Die Einrichtung enthält folgende Elemente: a) eine von Hand zu betätigende Eingangseinheit 26 mit Steuerschaltern 27 und 28 zur Einstellung der gewünschten Tischlage in Viertel- und Vierzigstelteilen eines Millimeters. Jeder Schalter besitzt einen Bedienungsknopf und weiter angegebene Knöpfe 29 dienen für die Grobeinstellung des Tisches auf dem nächsten vierten Teil eines Zentimeters von der Interpolation, b) einen Detektor 30 zum Erzeugen eines Impulses 63 (Fig. 9 und 10), der das Tor 32 am Ende jeder Vorwärtsabtastung schliesst, c) eine Einrichtung 31 zum Differentiieren der Wellenform Ql, R1, R2, Q2 (Fig.
8 und 10) und zum Erhalten des Impulses 62, der das Tor öffnet, d) ein Tor 32, das von Impulsen 62 und 63 derart betätigt wird, dass nur der wirksame Teil 66 jeder von der Photozelle 12 abgeleiteten Impulsreihe durchgelassen wird, e) einen Zähler 34 zum Zählen des durch das Tor 32 passierenden Teiles jeder Impulsreihe, wobei die Anfangslage des Zählers durch die Schalter 27 und 28 eingestellt wird, mit denen er durch die Leitung 33 verbunden ist, f) ein Register 36, nach dem die aufeinanderfolgenden Zählungen des Zählers 34 parallel, über das Übertragungsrelais 35, weitergegeben werden, g) einen Übertragungs-Impulsgenerator 37, der einen Ubertragungsimpuls 64 (Fig.
9 und 10) ergibt, der aus dem Impuls 63 abgeleitet wird und dient, um sämtliche Relais 35 für eine regelbare tZbertra- gungszeit gleichzeitig zu schliessen, h) eine Einrichtung 39 zum Erzeugen eines Wiederherstellungsimpulses 65 (Fig. 9 und 10), der nach einer durch die Verzögerungseinrichtung 38 bedingten Zeitverzögerung aus dem Impuls 64 abgeleitet wird. Der Wiederherstellungsimpuls 65 dient für die Rückstellung des Zählers über den Schalter der von Hand betätigten Eingangseinheit, i) eine Einrichtung 40, durch die aus dem Register die Grösse und der Sinn der Abweichung der Tischlage von der eingestellten Sollage abgeleitet werden, j) ein Messinstrument 41 zur Anzeige dieser Abweichung in der Lage sowohl hinsichtlich der Grösse (wie Abweichung von einer Nullage) als auch hinsichtlich des Sinns (links oder rechts von der Nulllage).
Jeder Arbeitszyklus der Vorrichtung umfasst kurzweg folgende Phasen: a) die durchgelassene Impulsreihe, die eine Messung darstellt, wird vom Zähler 34 empfangen und von der Zahl abgezogen, die bereits früher durch die Schalter 27, 28 der Eingangseinheit in ihm erzeugt wurde, b) die Übertragungsrelais 35 werden unter der Wirkung der Einrichtungen 30, 37, momentan geschlossen, so dass: c) der Unterschied, d. h. der Fehler, der im Zäh ]er festgehalten wird, parallel nach dem Register 36 und von dort nach dem Messgerät 41 weitergegeben wird, cl) die Obertragungsrelais 35 werden wieder durch die Einrichtungen 30 und 37 geöffnet, e) es wird von der Einrichtung 38 eine Verzögerung eingeleitet, um die Phase d) zu ermöglichen;
diese Verzögerung ist notwendig, weil die Relais beim Offnen träge sind, ss der Zähler 34 wird von der Einrichtung 39 über den Schalter 27, 28 zurückgeführt, so dass er die nächste Impulsreihe empfangen und zählen kann.
Die Phasen a) und b) treten während der Vorwärtsabtastung und die Phasen c) bis f) während der unbenutzten Rückkehr auf. Die Wirkungsweise des Systems wird im nachfolgenden ausführlicher beschrieben:
Die vier Knöpfe der von Hand betätigten Eingangseinheit 26 werden derart eingestellt, dass sie die gewünschte Tischlage der Maschine ergeben (z. B.
60,425 mm). Der Tisch wird nun zuerst durch nicht dargestellte Mittel in die richtige 2,5-mm-Teilung der Hauptskala gebracht (z. B. auf 60,575 mm eingestellt). Der Sollabstand von der letzten senkrechten Flanke der Hauptskala ist an den Knöpfen 27 und 28 in Viertelmillimetern (im Beispiel: ein Viertelmillimeter) bzw. Vierzigstelmillimetern (im Beispiel: 17 Vierzigstelmillimeter) eingestellt. Der tatsächliche Abstand in Vierzigstelmillimetern (im Beispiel: 23 Vierzigstelmillimeter) ergibt sich bei jeder Abtastung aus der Zahl der durchgelassenen Impulse 66.
Die beiden Zahlen (17 Vierzigstelmillimeter und 23 Vierzigstelmillimeter) werden im Zähler 34 miteinander verglichen, und die Grösse und das Vorzeichen des Unterschiedes werden der Bedienungsperson durch das Messinstrument 41 angezeigt, so dass sie den Tisch der Maschine verschieben kann, bis in jeder Impulsreihe gerade 17 Impulse vorhanden sind. Wenn diese Lage erreicht ist, so steht das Messinstrument 41 auf Null, und der Tisch hat eine Lage, die der Einstellung der Eingangseinheit entspricht. Jede Abtastung und der resultierende Unterschied in Abmessung ist unabhängig von der vorhergehenden Abtastung und dem zugehörigen Unterschied, so dass eine unabhängige Schätzung des Feh- lers in der Tischlage bei jeder Abtastung vorhanden ist.
Der Zähler 34 enthält zwei Dekadenteile, die je aus vier bistabilen Paaren bestehen und in Reihe geschaltet sind, so dass der Zähler nur bis 100 zählen kann. Der Umstand, dass der Zähler nur bis 100 zählen kann, wird dazu benutzt, einer allmählichen Übertragung von einer Flanke des Sägezahns auf die anderen zu erreichen, wobei es nicht notwendig ist, sehr genaue Grenzen für die Abtastlänge und die Lage zu - bestimmen, die, wie bereits erwähnt, sich etwas ändern können, falls mehr als 100 Teilungen abgetastet werden.
Der Zähler 34 ist derart eingerichtet, dass beim Empfang aufeinanderfolgender Impulse die Zählung, wie sie durch die Lage der bistabilen Paare im Zähler dargestellt wird, für jeden Impuls um eins vermindert wird. Beispielsweise wird angenommen, dass der Zähler 56 anzeigt und eine Reihe von 100 Impulsen zugeführt wird. Der Zähler durchläuft dann folgenden Zyklus:
56, 55, 54, 53 . . .3, 2, 1, 0, 99, 98, 97, 96...
59, 58, 57, 56.
Die letzte Zahl des Zyklus ist gleich der ersten, so dass eine Reihe von 100 Impulsen, hinsichtlich des Ergebnisses, nicht von einer Reihe von null Impulsen unterscheidbar ist. Wenn wieder angenommen wird, dass die Zählung 56 anzeigt, nachdem 24 Impulse zugeführt wurden, so durchläuft der Zähler die Reihe:
56, 55, 54, 53... 35, 34, 33, 32. Er steht dann auf 32, das ist der Unterschied zwischen 56 und 24.
In sämtlichen Fällen wird die Eingangseinheit zum Wählen der Lage (in diesem Falle 56) benutzt, von der die abnehmende Zählung ausgeht; auf diese Weise ergibt sich die erhaltene Subtraktion der Impulsreihe von der Anfangs einstellung.
Wenn die erforderliche Tischlage (und daher die Handeinstellung der Eingangseinheit) in Wert erhöht wird, so wird die Flanke V (Fig. 8) nach links bewegt.
Bei einer Einstellung zwischen 80 und 90 Vierzigsteln eines Millimeters wird die nächste senkrechte Flanke V' (Fig. 8) von der Abtastung getroffen und ein zweiter Öffnungsimpuls 63 für das Tor wird während der Vorwärtsabtastung erzeugt. Dies bleibt wirkungslos, da das Tor 32 bereits geöffnet ist. Bei einer Einstellung von 100 Vierzigsteln (oder Null) werden bei jeder Abtastung 100 Impulse der Interpolationsskala 5' erhalten. Von dieser Einstellung bis zu einer Einstellung von 10 bis 20 ist die erhaltene Impulszahl gleich der Handeinstellung, zuzüglich 100, und diese Zahl erscheint dem Zähler wie die der Handeinstellung allein.
In einem bestimmten Augenblick wird die Flanke V nicht mehr von der Abtastung getroffen und zum Öffnen des Tors 32 wird nur ein Impuls erzeugt, nämlich derjenige durch die Flanke V'. Die Impulszählung kann dann sein: 113, 114, 115, 16, 17, 18 usw. infolge des Umstandes, dass die Flanken V und Vt genau um 100 Impulse voneinander entfernt sind.
Es tritt daher keine Unterbrechung auf, wenn die Zählung von einer Flanke auf die andere übergeht.
Die Übertragung der Einstellung der Eingangseinheit auf den Zähler erfolgt in Parallelschaltung auf folgende Weise: Im Augenblick, in dem der Zähler auf die Eingangsablesung eingestellt werden muss, wird ein einziger Rückstellimpuls erzeugt. Er wird gleichzeitig über Schalter 27, 28 un sein, um auf elektrischem Wege die wirkliche Lage des Tisches mit einer gewünschten Einstellung (z. B. in Zentimeter oder in Millimeter) zu vergleichen, die mittels der Knöpfe 29 bewirkt wird.
Ein solches System kann auf einem getrennten Messgerät mit seinem Nullpunkt in der Mitte oder mit Hilfe eines ähnlichen Geräts eine Anzeige ergeben; die Einrichtung kann auch derart sein, dass die von der Einrichtung 9 dem Messgerät 41 zugeführten Signale zunichte gemacht werden und der Zeiger des Messgerätes rechts oder links gehalten wird, bis der Tisch bis auf einen Abstand von 0,125 mm von der gewünschten Endlage geführt ist; in dieser Lage geht die Steuerung selbsttätig auf das der Einrichtung 40 entnommene Signal für die Feineinstellung über, so dass die Bedienungsperson eine völlig unzweideutige Anzeige erhält.
Die Übertragungsrelais können elektromagnetische Relais oder Torkreise mit Dioden sein. Ferner kann die Genauigkeit des Systems von 0,25 mm bis auf 0,025 mm vergrössert werden, indem auf der Interpolationsskala 5' eine Teilung in Tausendstel angebracht wird und der Eingangseinheit 26 ein weiterer Schalter mit Skala zugefügt wird, wobei unter anderem gleichzeitig ein dritter Teil im Zähler 34 zum Zählen von gewünschten Teilen eines Millimeters angebracht werden muss.
Obzwar der Tisch von einer Bedienungsperson mittels der Anzeige des Messgerätes 41 von Hand eingestellt werden kann, können diese Anzeigen auch zur Steuerung eines den Tisch selbsttätig einstellenden Servosystems verwendet werden. Im letzteren Falle ist die Anordnung vorzugsweise derart, dass die Amplitude des Fehlers durch den Abstand zwischen dem Zeiger und der Mitte der Skala bis auf eine bestimmte Maximalamplitude bedingt wird, grössere Fehler ergeben Anzeigen mit konstanter oder nahezu konstanter Amplitude.
Method for measuring or adjusting the relative position of two bodies
The patent relates to a method for measuring or adjusting the relative position of two bodies and to a device for carrying out the method.
The device according to the invention can be used for various devices in which an exact setting of an element performing a linear or a pivoting movement is desired.
So z. B. in a jig drilling machine, which is used for extremely precise machining, rectilinear movements of the table can be carried out with high precision. These movements are usually hand-controlled, or manual control with mechanical assistance is used, using scales with fine graduations and optical magnification to achieve the required degree of accuracy.
There are mechanical scales of various types for measuring or displaying lengths and distances in use, the scale divisions of which consist of markings or the like.
The aim of the patent is to create a measuring method and a measuring device by means of which an extremely precise measurement is possible through interpolation between the markings on the scale.
The device according to the invention has means for generating a light pattern that can be used as an interpolation scale, as well as light-sensitive elements for observing this light pattern together with at least one sub-mark of the main scale, organs for converting the observed light pattern into pulse series whose individual pulses correspond to the divisions of the interpolation scale, and a Counter for the pulses.
The main graduation (rough scale) can either be cut into an opaque component or formed in some other way, or it can be applied in the form of opaque markings on a transparent scale.
The light pattern is preferably obtained by optically reducing a precisely executed interpolation scale, e.g. B. obtained a grating which is illuminated by directly incident light or by reflection and is provided with opaque or light-absorbing interpolation graduations.
The inventions are explained in more detail below, for example.
In the accompanying drawing some exemplary embodiments of devices according to the invention are shown. The same is provided with a sawtooth-shaped rod which is attached to the movable table of a jig drill or other tool and forms part of the apparatus for measuring the distance in order to maintain a very precise and possibly automatic setting.
Figures 1 and 2 show a light pattern and pulse train which correspond to two different counts. The impulses are shown exactly below the elements of the pattern for clarity. It is noted, however, that the pattern is plotted as a function of length, while the pulse series is plotted on a time scale.
Fig. 3 shows a diagram showing the locations for various counts, and
Fig. 4 shows a block diagram of the device.
A main scale (FIGS. 1 and 2) with a sawtooth-shaped edge is attached to the movable table (not shown) of a machine tool and running in the longitudinal direction of this table.
The vertical tooth flanks V, Vn are used as scale divisions and are precisely spaced 2.5 mm apart. In the absence of this accuracy, the errors in the positions of the vertical tooth flanks are measured and a correction is made in the measuring system.
In order to be able to measure the position of the table accurately to t / loo or 1 / loo of the main scale graduation of 2.5 mm, an interpolation scale, which is fixed relative to the machine tool and not shown, is projected onto the main scale that moves with the table.
This interpolation scale, which can have a length of 10 to 25 cm, is opaque and has 100 or 1000 linearly equally spaced marks in the form of transparent openings. A high quality lens, not shown, having a numerical aperture sufficient for the required resolution produces a reduced image of the interpolation scale on the main scale. The reduction is such that the images of 100 or 1000 openings fall exactly between two consecutive vertical tooth flanks of the main scale.
In practical use, more than 100 or 1000 openings, e.g. B. 110 or 1010, present in the scale; however, the reduction will be such that just 100 or 1000 openings fall between two main scale markings with a mutual distance of 2.5 mm. The rest of the openings are irrelevant or can be used to measure the error in the distance between two consecutive vertical flanks.
In order to determine the exact position of the table on the machine, the images of the openings on the interpolation scale are now counted from a vertical tooth flank of the main scale.
For this count, the interpolation scale is scanned by a light spot that is just as small or smaller than the openings in the scale. The light spot sweeps the scale preferably at a uniform or almost uniform speed, and always in the same direction for each scan. The scanning is done many times per second.
The light falling on the sawtooth-shaped main scale is picked up behind this scale by a photocell which, as a result of the scanning, supplies an output voltage consisting of interrupted (interrupted by the teeth of the main scale) pulse series.
1 to 3 show an interpolation with 10 instead of 100 or 1000 for the sake of clarity. In Fig. 1, the vertical tooth flanks of the main scale movable with the table are designated with V, the fixed images of the openings in the interpolation scale with B. It is the number of pulses between the edge Vn, i.e. H. the last vertical edge V of the main scale and the last pulse of the scan (corresponding to the image of the last opening of the interpolation scale) a measure for the division of the distance of 2.5 mm. This number increases when the main scale moves to the left (since the interpolation scale is fixed, more images of openings then appear after the edge Vn).
At a given moment the image of the interpolation scale meets the sloping edge S of the main scale and the desired part of the pulse train is interrupted. This case is shown in FIG. In order to still be able to make the count correctly, i. H. from the first pulse after the vertical edge (denoted by D in Fig. 2) to the last pulse of the scan E, the interpolation scale is also observed directly by means of a second photocell, the output voltage of which consists of a continuous series of pulses. The two pulse series that occur are shown at the bottom of FIG. 2 for the case that the inclined edge S is encountered during the count.
In order to always count the correct number of pulses, a counter is used which a) counts the pulses of the second series mentioned (from direct observation), b) starts counting when pulses of the two series occur together (coincidence, briefly C), and c) is reset to zero when pulses occur together (C) after they were previously only present in one row (anticoincidence, briefly A).
This counter now works as follows:
In the case shown in FIG. 1, it begins to count at H and continuously counts all pulses beyond J and K. At D it is reset to zero, starts counting again and at the end shows the number of pulses between D and E.
In the case shown in Fig. 2, it starts counting at D and continues to count until E.
In Fig. 3 and generally, at the end of a scan, it shows the number of pulses between the last start of the coincidence (C) (first pulse to the right of an edge V in Fig. 3) and the end of the series directly observed, in Fig. 3 that is, the numbers given in the margin on the right.
4 shows a schematic block diagram of the counting device used in this exemplary embodiment. Photoelectric multipliers are used to observe the optical image of the interpolation scale. The devices 101 and 102 produce electrical pulses with an amplitude of about 100 volts. These pulses are reversed in the reversing devices 103 and 104 so that a transmission of light results in a pulse of positive sign. The pulses are fed to the coincidence circuit 105, which may include a single tube controlled on two grids. A coincidence leads to a negative pulse which is fed to the device 107, which has two stable operating positions.
An amplified negative pulse is available at an anode for reset; the occurrence of the first coincidence is recorded by the location of device 107.
In the delay device 108 and a device 112 by means of which the pulse width is regulated, the pulses P2 of the continuous pulse train are delayed with a time equal to ¸ the pulse width, and their length is reduced to half the original. In this way it is achieved that an undesired non-coincidence is not recorded if a pulse of the interrupted series P1 would occur somewhat out of phase with a P2 pulse. If they do not coincide, a negative signal is fed to the other tube of the bistable device 107 by means of the device 106, so that the non-coincidence is recorded as a new position of the bistable device.
The right anode of the bistable device 107 gives a positive rectangular wave which coincides with the interruption of the series of PI pulses; the trailing edge of this right-angled wave is used to reset the counter 110.
The counter 110 is fed by the continuous pulse series P2 and forwards the count to a comparison device 109, in which the counts are compared with a required number of dimensions which is set in an input part 111. Differences, which can be positive or negative, result in positive or negative signals.
These signals can be passed on to an indicator which shows the deviation of the table position from the setpoint value set in the input part 111, or they can be fed to a servomechanism which changes the table position automatically until the deviation is zero.
The embodiment described can be used with rectangular or trapezoidal main scale divisions, as indicated in S1 or S2 (FIG. 1), or with other forms of scale division; the accuracy and uniformity of the widths or the profiles are of little importance if only the reference flanks V are designed precisely and are at the correct mutual distances. The design can also be used with little change in an arcuate or circular sawtooth scale when angular movements must be made or controlled, e.g. B. in equipment for aiming guns.
In a modified embodiment, which is shown schematically in FIGS. 5 and 6, the scanning device generates two light spots which, in the case of a horizontal scale, are held vertically one above the other during scanning. If desired, the two light spots can be obtained by means of a vertical line of light which sweeps over a horizontal pattern or mask, as shown in FIG. A light spot generated by a continuous gap T2 (Fig. 6) carries out a continuous scan of the sawtooth scale. The other light spot, which is to be used to generate pulses, is masked during its movement at intervals by a mask T1 (FIG. 6), so that interpolation between vertical edges V of the scale is possible.
When generating a reduced image of the scanning pattern, however, only the light spot is used to scan the sawtooth, while the light spot generating pulses is shielded from the reducing lens system by a screen or reflector T3 and monitored by a separate photocell.
This photocell therefore gives a series of pulses that run continuously during the scan. The scanning spot for the sawtooth is only interrupted by the sawtooth scale and the output voltage of the associated photocell is indicated in the upper part of FIG. When the light spot emerges from behind the vertical edge V, the cell current suddenly increases, so that the output voltage decreases (Q); this change differs from the positive change (R) that occurs when the spot behind the sloping flank S disappears. The part o, which changes in the negative sense, is used as a signal that initiates the counting of the pulses that occur in the output circuit of the photocell.
The number counted at the end of the scan gives the required interpolation.
A device which operates as explained with reference to FIGS. 5 and 6 is described in more detail below with reference to FIGS. 7 to 70; the device can be used in the horizontally displaceable table of a machine tool.
In this device the main scale is an element provided with a screw thread, one or both flanks of the thread serving as a reference surface and the profile of the thread being exposed along a tangential plane.
The scale organ has coarse graduations of 2.5 mm, while the interpolation scale has 100 graduation marks, so that a measurement of up to 0.025 mm is possible; however, it is evident that these figures are only assumed as examples and for ease of explanation.
According to FIG. 7, a fixed light source with a linear filament 1 and a condenser lens 2 generates a perpendicular, parallel light beam in which a scanning element in the form of a mirror 3 moves back and forth at 45o with a vertical cylindrical lens 4. The scanning element 3 is supported by a carriage, not shown, which is moved back and forth by suitable means, the movement taking place in the horizontal direction; the mirror therefore moves back and forth in the beam, a constant portion of the beam being thrown onto the lens 4. The latter has the shape of a ground and polished glass rod with a length of 25 mm and a diameter of 12.5 mm.
It is arranged with the axis perpendicular and creates a perpendicular line image of the filament at a distance of about 4 mm from the surface. The width of the line is about 0.005 mm after being reduced by means of an objective system to be described below.
The optical system is attached to a base plate 8. A plate with the interpolation scale 5, which will be described later and which corresponds essentially to the masks T1 and T2 (FIG. 6), is fastened in the vicinity of the scanning element over a horizontal rectangular opening in one end of a light-tight box 9. A horizontal dividing plate T3 corresponding to the screen T3 in Fig. 6 divides the scale into an upper part and a lower part and also the box 9. A mirror 10 reflects light from the upper part of the scale to a photomultiplier cell 12. The box 9 with the scanning element and the light source are mounted on a carriage, not shown, which can be moved at a small distance from the base plate 8, so that the length of the system and also the optical reduction factor, the z. B. 40: 1 can be set.
A second light-tight box 14 is rigidly attached to the base plate 8 and connected to the box 9 by a telescopic connection 15. The box 14 contains a microscope 17 with a 16 mm objective and has an adjusting member which is moved by means of a gearwheel. The threaded coarse scale is designated by 18 and is arranged with its measuring surface 19 opposite the lens, while a photomultiplier cell 22 is attached to the other side.
In order to avoid a significant loss of resolution and overloading of the photocell, if light falls at a small angle on the lower surface of the dividing plate T3, a reflection must be avoided, otherwise a second irregular image of the light line would be visible in the microscope objective. Also, a very good quality mirror can be used to double the length of the line of light as seen by the lens. It is also important that reflections from the walls of cans 9 and 14 are avoided.
As shown in FIG. 8, the interpolation scale 5 has an upper part 5 'with opaque markings and a lower light part 5 ".
The part 5 'of the interpolation scale arises z. B. by photographic reduction of a large drawing in white and black or by direct engraving. The view shown in Fig. 8 is a view the lower half of which would be seen through the microscope objective and the upper half of which would be seen through the photocell 12, the enlarged back-projected image of the main scale being added for explanation. The main scale is an axial section of the screw thread and is sawtooth-shaped with a measuring surface 19 with a sawtooth profile, which has inclined sides S and vertical reference flanks V.
The light line generated by the scanning beam is shown at 23 as consisting of two parts which are separated from the dividing plate T3. The use of a line of light offers significant advantages over circular or square light spots such as those generated with the device according to FIG. Apart from the achievable higher triggering capacity and the larger amount of incident light, there is a further differentiation between the voltage changes at the photocell 22 compared to the corresponding changes R and Q of FIG. 5.
The masking of the line of light by the sloping edge S takes place gradually, so that a gradual decrease in current in the cell and a corresponding increase in voltage (R 1 in FIG. 8) occur, which are slightly different from the rapid relief Ql (due to the appearance of the beam from behind the edge V) can be distinguished without having to rely on the difference in polarity. This property has the effect that the electro-optical system can remain active during the return of the carriage movement without the need for switching, which would not only entangle the device, but would also introduce voltage changes that do not differ directly from the desired change Q1 to let.
The waveform generated by the returning beam can therefore be represented as a continuation of the waveform Ql, Rl in FIG. 8 and contains opposite changes R2, Q2. When the line of light appears behind a vertical flank V, the sharply sloping wave part Q 1 is developed in the photocell 22, while the masking by a sloping flank 3 results in the slowly increasing wave part R1. The masking by a vertical flank V at the setback results in a sharply increasing wave part Q2, while the appearance of the bundle behind a sloping edge S results in the slowly decreasing wave part R2.
The waveform obtained therefrom by differentiation is shown in FIG. 10 and contains two sharp pulses A 1 and A2 of large amplitude and opposite sign and two pulses of much smaller amplitude (e.g. the tenth part of the former) and longer duration.
One of the sharp impulses Ql can be clearly distinguished from the other three signals and is used as a control impulse. This pulse opens a gate through which the remaining pulses generated by the interpolation scale are fed to a counter. The number of these pulses is a measure of the distance from the edge V (FIG. 8) to the right end 6 of the interpolation scale.
The interpolation scale 5 has more than 100 graduation marks, e.g. B. 110, so that it is slightly longer than the enlarged, back-projected distance between two vertical edges of the main scale, which enables a gradual transition from one sawtooth edge to the next.
Fig. 9 shows a block diagram of the device for selecting and for. Counting the pulses emanating from the photocell 12 and making the appropriate interpolation measurement, and FIG. 10 shows various waveforms obtained with the apparatus of FIG.
The device contains the following elements: a) a manually operated input unit 26 with control switches 27 and 28 for setting the desired table position in quarters and fortieths of a millimeter. Each switch has an operating button and further specified buttons 29 are used for the coarse adjustment of the table on the next fourth part of a centimeter from the interpolation, b) a detector 30 for generating a pulse 63 (Fig. 9 and 10), the gate 32 at The end of each forward scan closes, c) a device 31 for differentiating the waveform Ql, R1, R2, Q2 (Fig.
8 and 10) and to obtain the pulse 62 which opens the gate, d) a gate 32 which is operated by pulses 62 and 63 in such a way that only the effective part 66 of each series of pulses derived from the photocell 12 is allowed to pass, e) a counter 34 for counting the portion of each pulse train passing through the gate 32, the initial position of the counter being set by the switches 27 and 28 to which it is connected by the line 33, f) a register 36 after which the successive counts of the counter 34 are passed on in parallel via the transmission relay 35, g) a transmission pulse generator 37 which generates a transmission pulse 64 (Fig.
9 and 10), which is derived from the pulse 63 and serves to simultaneously close all relays 35 for a controllable transmission time, h) a device 39 for generating a restoration pulse 65 (FIGS. 9 and 10), which after a time delay caused by the delay device 38 is derived from the pulse 64. The recovery pulse 65 is used to reset the counter via the switch of the manually operated input unit, i) a device 40 through which the size and the meaning of the deviation of the table position from the set target position are derived from the register, j) a measuring instrument 41 to display this deviation in the position both with regard to the size (such as deviation from a zero position) and with regard to the meaning (left or right from the zero position).
Each operating cycle of the device briefly comprises the following phases: a) the transmitted pulse train, which represents a measurement, is received by the counter 34 and subtracted from the number that was previously generated in it by the switches 27, 28 of the input unit, b) the Transmission relays 35 are momentarily closed under the action of devices 30, 37, so that: c) the difference, d. H. the error, which is recorded in the counter, is passed on in parallel to the register 36 and from there to the measuring device 41, cl) the transmission relays 35 are opened again by the devices 30 and 37, e) there is a Delay initiated to enable phase d);
this delay is necessary because the relays are sluggish when they are opened, the counter 34 is fed back by the device 39 via the switch 27, 28 so that it can receive and count the next series of pulses.
Phases a) and b) occur during the forward scan and phases c) through f) during the unused return. The way the system works is described in more detail below:
The four buttons of the manually operated input unit 26 are set in such a way that they result in the desired table position of the machine (e.g.
60.425 mm). The table is now first brought into the correct 2.5 mm graduation of the main scale by means not shown (e.g. set to 60.575 mm). The target distance from the last vertical edge of the main scale is set on buttons 27 and 28 in quarter of a millimeter (in the example: a quarter of a millimeter) or fortieth of a millimeter (in the example: 17 fortieth millimeters). The actual distance in fortieth millimeters (in the example: 23 fortieth millimeters) results from the number of pulses 66 passed through for each scan.
The two numbers (17 fortieth millimeters and 23 fortieth millimeters) are compared with one another in the counter 34, and the size and the sign of the difference are displayed to the operator by the measuring instrument 41 so that he can move the table of the machine up to 17 in each pulse series Impulses are present. When this position is reached, the measuring instrument 41 is at zero and the table has a position which corresponds to the setting of the input unit. Each scan and the resulting difference in dimension is independent of the previous scan and the associated difference, so that there is an independent estimate of the error in table position with each scan.
The counter 34 contains two decade parts, which each consist of four bistable pairs and are connected in series so that the counter can only count up to 100. The fact that the counter can only count up to 100 is used to achieve a gradual transfer from one edge of the sawtooth to the other, whereby it is not necessary to determine very precise limits for the scanning length and the position , as already mentioned, can change somewhat if more than 100 divisions are scanned.
The counter 34 is set up in such a way that when successive pulses are received, the count, as represented by the position of the bistable pairs in the counter, is reduced by one for each pulse. For example, assume that the counter is displaying 56 and a series of 100 pulses are supplied. The counter then runs through the following cycle:
56, 55, 54, 53. . .3, 2, 1, 0, 99, 98, 97, 96 ...
59, 58, 57, 56.
The last number of the cycle is equal to the first, so that a series of 100 pulses is indistinguishable from a series of zero pulses in terms of result. Assuming again that the count reads 56 after 24 pulses have been applied, the counter goes through the sequence:
56, 55, 54, 53 ... 35, 34, 33, 32. It is then on 32, which is the difference between 56 and 24.
In all cases the input unit is used to select the location (in this case 56) from which the decreasing count starts; in this way, the resulting subtraction of the pulse series results from the initial setting.
If the required table position (and therefore the manual setting of the input unit) is increased in value, the edge V (FIG. 8) is moved to the left.
At a setting between 80 and 90 fortieths of a millimeter, the next vertical edge V '(Fig. 8) is hit by the scan and a second opening pulse 63 for the gate is generated during the forward scan. This has no effect since the gate 32 is already open. With a setting of 100 fortieths (or zero) 100 pulses of the interpolation scale 5 'are obtained with each scan. From this setting to a setting from 10 to 20, the number of pulses received is equal to the manual setting, plus 100, and this number appears to the counter as that of the manual setting alone.
At a certain moment, the edge V is no longer hit by the scan and only one pulse is generated to open the gate 32, namely the one through the edge V '. The pulse count can then be: 113, 114, 115, 16, 17, 18, etc. due to the fact that the edges V and Vt are exactly 100 pulses apart.
There is therefore no interruption when counting from one edge to the other.
The transmission of the setting of the input unit to the counter takes place in parallel in the following way: At the moment when the counter has to be set to the input reading, a single reset pulse is generated. It will be un via switches 27, 28 at the same time in order to electrically compare the actual position of the table with a desired setting (e.g. in centimeters or in millimeters) which is effected by means of buttons 29.
Such a system can give an indication on a separate measuring device with its zero point in the middle or with the help of a similar device; the device can also be such that the signals fed by the device 9 to the measuring device 41 are nullified and the pointer of the measuring device is held to the right or left until the table is moved up to a distance of 0.125 mm from the desired end position; In this position, the control automatically changes over to the fine adjustment signal taken from device 40, so that the operator receives a completely unambiguous display.
The transmission relays can be electromagnetic relays or gate circuits with diodes. Furthermore, the accuracy of the system can be increased from 0.25 mm to 0.025 mm by adding a division in thousandths to the interpolation scale 5 'and adding a further switch with a scale to the input unit 26, including a third part in the Counter 34 for counting desired parts of a millimeter must be attached.
Although the table can be set manually by an operator using the display of the measuring device 41, these displays can also be used to control a servo system that automatically adjusts the table. In the latter case, the arrangement is preferably such that the amplitude of the error is determined by the distance between the pointer and the center of the scale up to a certain maximum amplitude; larger errors result in displays with constant or almost constant amplitude.