Verfahren zur genauen Winkelmessung auf Grundlage einer magnetischen oder optischen Aufzeichnung
In den Schweizer Patenten Nrn. 344233 und 353175 wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung sehr genauer Teilscheiben mit magnetischer Aufzeichnung und ihre Anwendung zur genauen Winkelmessung beschrieben. Die Winkelmessung erfolgt in der Weise, dass die magnetische Aufzeichnung von der Scheibe durch einen speziellen statischen Wiedergabe kopf (das ist ein um seine Nullage oszillierender Kopf) aufgenommen wird und die Abmessung eines bestimmten Winkels durch Abzählung der entsprechenden Anzahl magnetischer Wellenperioden erfolgt. Durch weitere Teilung der Wellenlänge wird die Messempfindlichkeit noch weiter erhöht. Diese Anordnung wies verschiedene Nachteile auf.
Der Hauptnachteil lag in den hohen Ansprüchen an die Qualität der magnetischen Aufzeichnung, d. i. an die Gleichmässigkeit ihrer Amplitude. Die statische Wiedergabe erforderte spezielle statische Wiedergabeköpfe. Die Messempfindlichkeit war durch die Möglichkeit der Teilung der einzelnen Wellenperioden gegeben. Der minimale Wellenlängenbruchteil, dessen Ablesung möglich war, betrug 1140 der Wellenlänge. Auch die Unterscheidung des Bewegungssinnes bereitete Schwierigkeiten.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung beseitigt die Nachteile der früheren Verfahren und ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Genauigkeit und Verlässlichkeit der Messung. Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung dargelegt.
In der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht Fig. 1 das Prinzip des Messverfahrens und Fig. 2 eine alternative Ausführung für die Erhöhung der Messgenauigkeit.
Die Scheibe 1 (Fig. 1) ist am Umfang mit einer Aufzeichnungsschicht 2 versehen. Auf dieser Schicht ist die Aufzeichnung eines Sinusmagnetfeldes von genau gleichmässiger Wellenlänge und bestimmter Anzahl Perioden am Umfang aufgenommen. Diese Scheibe ist während der Messung in ständiger Drehbewegung. Die Aufzeichnung wird einerseits vom festen Wiedergabekopf 3 und anderseits von einem um die Scheibenachse drehbaren Messkopf 4 aufgenommen. Die Signale beider Köpfe werden einem Phasenmesser zugeleitet, der ihre Phasenverschiebung anzeigt. Sind beide Wiedergabeköpfe in Ruhe, dann induziert in denselben die magnetische Aufzeichnung der in Drehung befindlichen Scheibe eine elektrische Spannung bestimmter, durch die Grösse der Wellenlänge der Aufzeichnung und die Drehzahl der Scheibe gegebener Frequenz.
Unter der Voraussetzung einer gleichmässigen Wellenlänge der Aufzeichnung sind beide Frequenzen identisch. Ihre Phasenverschiebung ergibt sich aus der relativen Lage beider Köpfe. Bei Verstellung des beweglichen Messkopfes 4 in eine andere Lage ändert sich diese Phasenverschiebung von 0 bis 3600 bei Verschiebung um je eine Wellenlänge der Aufzeichnung. Die Anzahl der verstellten Wellenperioden bestimmt der an den Austritt des Phasenmessers 5 angeschlossene elektronische Zähler 6. Jede Messkopflage ist daher durch einen bestimmten Stand des Zählers 6 und einen bestimmten Ausschlag des Phasenmessers 5 gegeben.
Dieses Messprinzip weist eine Reihe von Vorzügen auf, die das Gerät bedeutend vereinfachen und seine Genauigkeit wesentlich erhöhen. Die magnetische Aufzeichnung wird phasenmässig von den geläufigen Wiedergabeköpfen aufgenommen, anstatt der ursprünglichen Amplitudenwiedergabe durch einen speziellen statischen Wiedergabekopf. Dies erbringt folgende Vorteile: die Verstellung des Wiedergabekopfes um Bruchteile einer Wellenlänge ist nach der Angabe des Phasenmessers weit genauer und empfindlicher als die Verstellung eines statischen Wiedergabekopfes nach der Angabe eines Millivoltmeters.
Die Skala des Phasenmessers ist linear gegenüber der Sinusskala des Millivoltmeters. Die Anwendung eines Phasenmessers gestattet es, an die Gleichmässigkeit der Aufzeichnungsamplitude bedeutend geringere Ansprüche zu stellen, da die Phasenmesser geläufiger Bauarten in einem bestimmten Bereich amplitudenmässig unabhängig sind. Bedeutend mässigere Ansprüche werden an die Qualität der Aufzeichnung gestellt, da die Störung der Aufzeichnung an irgendeiner Stelle die Genauigkeit der Messung nicht beeinflusst. Ein grosser Vorteil liegt in der Tatsache, dass der Phasenmesser bereits prinzipiell den Bewegungssinn unterscheidet. Der reversible Zähler addiert in diesem Falle die Pulse des Phasenmessers, die im Sinne von 3600 zu 0" ankommen und subtrahiert die im Sinne von 0" zu 3600 ankommenden Pulse.
Die Frequenzen, mit denen der Phasenmesser arbeitet, sind konstant, so dass einfache abgestimmte Verstärker ohne Gefahr einer Phasenverzeichnung angewandt werden können. Die Vorzüge des angeführten Messprinzipes im Vergleich mit anderen Teilapparaten bestehen ferner in der Möglichkeit einer weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit mit Hilfe von Zusatzeinrichtungen, die nachstehend beschrieben werden.
Um diese Zusatzeinrichtungen klarzustellen, sei nachstehend eine kurzgefasste Analyse der Genauigkeit dargelegt. Die Genauigkeit dieser Messmethode wird durch die Genauigkeit der Phasenmessung, durch die Grösse der Wellenlänge der Aufzeichnung und durch ihre Geichmässigkeit gegeben. Als Beispiel sei eine Phasengenauigkeit von + 1" erwogen, welche bei marktgängigen Phasenmessern erreicht wird. Ein Spezialphasenmesser für diesen Zweck zur Messung bloss einer konstanten Frequenz kann bedeutend präziser sein, z. B. + 0, 1 . Die Grösse der Wellenlänge ist durch das Aufnahmematerial und die Wiedergabeköpfe gegeben.
Normale Magnetophone erzielen eine Aufzeichnung von minimal lO, u. In unserem Falle berührt der Wiedergabekopf aus Verschleissgründen die Aufnahmeschicht nicht unmittelbar, so dass die verwendbare minimale Wellenlänge grösser ist. Ein Abstand des Wiedergabekopfes von der Aufnahme schicht von 10 zl ermöglicht Aufnahme einer Wellen- länge von 30u. Unter diesen Voraussetzungen entspricht ein Grad Phasenverschiebung einer Verstellung des Messkopfes um 0,086 zur Aus dem Angeführten geht klar hervor, dass unter diesen Voraussetzungen mittels eines Phasenmessers geläufig die Lage mit einer Empfindlichkeit und Genauigkeit von + 0,0861u, mittels eines präzisen Phasenmessers mit einer Empfindlichkeit und Genauigkeit bis + 0,
0086 u abgelesen werden kann. Bei einem Scheibendurchmesser von 400 mm entspricht 1, des Umfanges annähernd 1" des Zentriwinkels. Bei Verwendung eines solchen Scheibendurchmessers kann daher die Lage mit einer Empfindlichkeit und Genauigkeit von + 0 086", bei Verwendung eines präziseren Phasenmessers mit einer Empfindlichkeit und Genauigkeit von + 0, 0086"abgelesen werden. Eine solche Präzision und Empfindlichkeit der Ablesung erreicht keines der bestehenden Teilgeräte. Ein dritter Faktor, der die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Gerätes beeinflusst, ist die Gleichmässigkeit der Aufzeichnung auf der Scheibe.
Da bei allen bestehenden Teilapparaten dieser Faktor der wichtigste ist und durch die Genauigkeit des Teilkreises auch die Genauigkeit des ganzen Gerätes bestimmt wird, sei nachstehend eine ausführliche Analyse gegeben.
Die Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung kann einerseits durch ungleichmässige Aufnahme, anderseits durch mangelhafte Auswuchtung der Scheibe (Werfen), durch Unvollkommenheit der Drehlagerung der Scheibe (Unkonstanz der Drehachse, Spiel) sowie durch Verformung der Scheibe (infolge innerer Spannung, Temperaturschwankung) verursacht sein. Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung bewirkt Änderung der gemessenen Phasenverschiebung, welche sich periodisch bei jeder Scheibenumdrehung wiederholt.
Dies erschwert die Genauigkeit der Ablesung der Phase auf der Phasenmesserskala, da der Zeiger schwingt. Diese Erscheinung lässt sich nach den angeführten Methoden in vollkommener Weise beseitigen. In erster Reihe lassen sich die Zeitkonstante der elektrischen Kreise und des Zeigers erhöhen, so dass dieselben auf rasche Veränderungen nicht ansprechen und den Mittelwert anzeigen. Setzen wir z. B. eine Drehgeschwindigkeit der Scheibe einmal in der Sekunde voraus, dann lässt sich die Zeitkonstante wesentlich über diesen Wert erhöhen, ohne dass die Einstellung der Lagen langwieriger wäre.
Eine weitere Methode, welche den Einfluss der Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung in vollkommener Weise löst, ist die Verwendung einer Gruppe von einigen Wiedergabeköpfen. Anstatt eines einzigen festen Wiedergabekopfes wird eine Gruppe von mehreren festen, an verschiedenen Punkten des Scheibenumfanges angebrachten Wiedergabeköpfen und anstatt eines einzigen beweglichen Wiedergabekopfes gleichfalls ein System mehrerer Köpfe vorgesehen. Die einzelnen festen Köpfe sind miteinander mechanisch verbunden, und auch die beweglichen Köpfe sind auf einem einzigen Element des Gerätes befestigt. Um die Umdrehung des Systems der Messköpfe am ganzen Scheibenumfang zu ermöglichen, ist derselbe mit zwei identischen Spuren nebeneinander versehen. Werden z.
B. je zwei voneinander um 1800 entfernte Köpfe verwendet, dann erhält man bei ihrer gleichlaufenden Serienschaltung (die Signale werden addiert) ein Signal, dessen Phasenwinkel bei vorausgesetzten gleichen Amplituden durch die Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung nicht beeinflusst wird, welche sich einmal im Laufe der Scheibenumdrehung wiederholen (durch die 1. Har- monische der Ungleichmässigkeit). Diese Anordnung entspricht analogisch bei optischen Teilapparaten der Ablesung der Teilung durch zwei Mikroskope und Erwägung ihres Mittelwertes. Die Anwendung eines Systems von vier Köpfen an um 1800, 60 , 900 verdrehten Stellen setzt die harmonischen Ungleichmässigkeitskomponenten bis zur IV. Stufe wesentlich herab.
Fig. 2 zeigt ein Schema des Apparates für diesen Fall. Die Köpfe 1, 2, 3, 4 sind fest und miteinander mechanisch verbunden, die Köpfe 5, 6, 7, 8 sind auf dem beweglichen Messglied des Gerätes befestigt. Den festen Köpfen ist die Aufzeichnungsspur 9 zugeordnet, den Messköpfen die Spur 10. Beide auf der Scheibe nebeneinander angeordnete Spuren sind identisch, denn die Aufzeichnung auf denselben erfolgte gleichzeitig. Die Köpfe in den einzelnen Systemen sind gleichläufig seriengeschaltet, und die resultierenden Signale werden durch die Leitung I bzw.
Leitung II dem Phasenmesser zugeführt.
Aus dem Angeführten geht klar hervor, dass durch die Verwendung von Kopfsystemen sich jene niedrigsten harmonischen Ungleichmässigkeitskomponenten beseitigen lassen, deren Periode der Zeitkonstante des Phasenmessers nächstliegt. Die Anzahl der Köpfe in beiden Systemen wird je nach den Genauigkeitsanforderungen gewählt. Die Messgenauigkeit ist bei dieser Anordnung in bedeutendem Masse von der tatsächlichen Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung und daher auch von der Aufnahme auf der Scheibe, ihrer Lagerung und Auswuchtung bzw. ihrer Deformationen abhängig. Erfolgt z. B. die Aufnahme mit einem Summenfehler, der kleiner ist als 1, was sich verhältnismässig leicht erzielen lässt, dann ist die Messgenauigkeit noch weit höher und praktisch nur durch die angeführte Genauigkeit und Empfindlichkeit des Phasenmessers begrenzt.
Ein grosser Vorzug beruht darin, dass die Ungleichmässigkeit der Aufzeichnung ständig kontrolliert wird und jede ihre unzulässige Vergrösserung sich durch eine Schwingung des Phasenmesserzeigers bemerkbar macht. Dies ist ein prinzipieller Unterschied gegenüber allen bisher verwendeten Teilapparaten, bei denen die Genauigkeitskontrolle sehr schwer durchführbar ist.
Aus dem Prinzip des Verfahrens geht klar hervor, dass mit dem gleichen Ergebnis auch eine stehende Scheibe und rotierende Köpfe verwendet werden könnten, allenfalls zwei Scheiben, von denen die eine steht und die andere verdreht werden kann, und Drehköpfe.
Die magnetische Aufzeichnung kann durch eine optische Aufzeichnung ersetzt werden, wobei der magnetischen Aufzeichnungsschicht eine photographische Schicht und den Wiedergabeköpfen Photozellen entsprechen. Die elektronische Einrichtung bleibt unverändert. Ein Vorteil der optischen Aufzeichnung beruht in der einfachen kontaktlosen Aufnahme.
Method for precise angle measurement based on a magnetic or optical recording
In the Swiss Patents Nos. 344233 and 353175, a method for producing very precise graduated disks with magnetic recording and their use for precise angle measurement has already been described. The angle measurement takes place in such a way that the magnetic recording from the disc is recorded by a special static playback head (that is, a head oscillating around its zero position) and the measurement of a certain angle is carried out by counting the corresponding number of magnetic wave periods. By further dividing the wavelength, the measurement sensitivity is increased even further. This arrangement had several disadvantages.
The main disadvantage was the high demands on the quality of the magnetic recording; i. the evenness of their amplitude. The static reproduction required special static reproduction heads. The measurement sensitivity was given by the possibility of dividing the individual wave periods. The minimum fractional wavelength that could be read was 1140 of the wavelength. The differentiation of the sense of movement also caused difficulties.
The method according to the present invention eliminates the disadvantages of the previous methods and enables a substantial increase in the accuracy and reliability of the measurement. Embodiments of the method according to the invention are set out in the description below.
In the accompanying drawing, FIG. 1 illustrates the principle of the measuring method and FIG. 2 shows an alternative embodiment for increasing the measuring accuracy.
The disk 1 (FIG. 1) is provided with a recording layer 2 on the periphery. The recording of a sinusoidal magnetic field of precisely uniform wavelength and a certain number of periods on the circumference is recorded on this layer. This disk is in constant rotation during the measurement. The recording is recorded on the one hand by the fixed playback head 3 and on the other hand by a measuring head 4 rotatable about the disk axis. The signals from both heads are fed to a phase meter, which shows their phase shift. If both playback heads are at rest, the magnetic recording of the rotating disc induces an electrical voltage in them of a certain frequency given by the size of the recording wavelength and the speed of the disc.
Provided the recording wavelength is uniform, both frequencies are identical. Their phase shift results from the relative position of both heads. When moving the movable measuring head 4 into a different position, this phase shift changes from 0 to 3600 when shifting by one wavelength of the recording. The number of adjusted wave periods is determined by the electronic counter 6 connected to the outlet of the phase meter 5. Each measuring head position is therefore given by a specific reading of the counter 6 and a specific deflection of the phase meter 5.
This measuring principle has a number of advantages that simplify the device significantly and significantly increase its accuracy. The magnetic recording is recorded in phase by the common playback heads instead of the original amplitude playback by a special static playback head. This has the following advantages: the adjustment of the playback head by a fraction of a wavelength is, according to the phase meter, far more accurate and sensitive than the adjustment of a static playback head according to the specification of a millivoltmeter.
The phase meter's scale is linear compared to the millivoltmeter's sinusoidal scale. The use of a phase meter makes it possible to place significantly lower demands on the uniformity of the recording amplitude, since the phase meters of current designs are independent of amplitude in a certain range. Significantly more moderate demands are made on the quality of the recording, since the disturbance of the recording at any point does not affect the accuracy of the measurement. A big advantage lies in the fact that the phase meter already distinguishes the sense of movement in principle. In this case, the reversible counter adds the pulses from the phase meter that arrive in the sense of 3600 to 0 "and subtracts the pulses that arrive in the sense of 0" to 3600.
The frequencies with which the phase meter works are constant, so that simple matched amplifiers can be used without the risk of phase distortion. The advantages of the stated measuring principle in comparison with other sub-units also consist in the possibility of a further increase in the measuring accuracy with the help of additional devices, which are described below.
To clarify these options, a brief analysis of the accuracy is provided below. The accuracy of this measurement method is given by the accuracy of the phase measurement, the size of the wavelength of the recording and its regularity. As an example, consider a phase accuracy of + 1 ", which is achieved with commercially available phase meters. A special phase meter for this purpose for measuring just a constant frequency can be significantly more precise, e.g. +0, 1 Given recording material and playback heads.
Normal magnetophones achieve a minimum recording of 10, u. In our case, for reasons of wear and tear, the playback head does not touch the recording layer directly, so that the minimum wavelength that can be used is greater. A distance between the playback head and the recording layer of 10 μl enables recording of a wavelength of 30 μ. Under these conditions, one degree of phase shift corresponds to an adjustment of the measuring head by 0.086 Accuracy up to + 0,
0086 u can be read. With a disk diameter of 400 mm, 1 of the circumference corresponds to approximately 1 "of the central angle. When using such a disk diameter, the position can therefore be measured with a sensitivity and accuracy of +0 086", when using a more precise phase meter with a sensitivity and accuracy of + 0 , 0086 ". Such precision and sensitivity of the reading cannot be achieved by any of the existing sub-devices. A third factor which influences the sensitivity and accuracy of the device is the evenness of the recording on the disk.
Since this factor is the most important for all existing dividing units and the accuracy of the pitch circle also determines the accuracy of the entire device, a detailed analysis is given below.
The unevenness of the recording can be caused on the one hand by uneven recording, on the other hand by inadequate balancing of the disc (throwing), by imperfection of the rotary bearing of the disc (inconsistency of the axis of rotation, play) and by deformation of the disc (due to internal tension, temperature fluctuations). Unevenness of the recording causes a change in the measured phase shift, which is repeated periodically with every revolution of the disk.
This complicates the accuracy of reading the phase on the phase meter scale because the pointer vibrates. This phenomenon can be completely eliminated by the methods mentioned. First of all, the time constants of the electrical circuits and the pointer can be increased so that they do not respond to rapid changes and display the mean value. Let's put z. If, for example, a speed of rotation of the disc is predicted once a second, the time constant can be increased significantly above this value without the setting of the positions being tedious.
Another method which perfectly solves the influence of unevenness in recording is to use a group of several reproducing heads. Instead of a single fixed playback head, a group of several fixed playback heads attached to different points on the circumference of the disk and, instead of a single movable playback head, also a system of multiple heads are provided. The individual fixed heads are mechanically connected to one another, and the movable heads are also mounted on a single element of the device. To enable the system of measuring heads to rotate around the entire circumference of the disk, it is provided with two identical tracks next to each other. Are z.
If, for example, two heads are used at a distance of 1800 from each other, then with their parallel connection in series (the signals are added) a signal is obtained whose phase angle is not influenced by the unevenness of the recording, given the same amplitudes, which are repeated once during the disk rotation (through the 1st harmonic of unevenness). This arrangement corresponds to the reading of the graduation with two microscopes and consideration of its mean value in the case of optical dividing units. The use of a system of four heads at 1800, 60, 900 twisted points significantly reduces the harmonic unevenness components up to the fourth level.
Fig. 2 shows a diagram of the apparatus for this case. The heads 1, 2, 3, 4 are firmly and mechanically connected to one another, the heads 5, 6, 7, 8 are attached to the movable measuring element of the device. The recording track 9 is assigned to the fixed heads, the track 10 to the measuring heads. Both tracks arranged next to one another on the disk are identical, because the recording on the same took place simultaneously. The heads in the individual systems are connected in series, and the resulting signals are transmitted through line I or
Line II fed to the phase meter.
From the above it is clear that the use of head systems can eliminate those lowest harmonic irregularity components whose period is closest to the time constant of the phase meter. The number of heads in both systems is chosen depending on the accuracy requirements. With this arrangement, the measuring accuracy depends to a significant extent on the actual non-uniformity of the recording and therefore also on the recording on the disk, its storage and balancing or its deformations. If z. B. the recording with a cumulative error that is smaller than 1, which can be achieved relatively easily, then the measurement accuracy is much higher and is practically only limited by the specified accuracy and sensitivity of the phase meter.
A great advantage is that the unevenness of the recording is constantly monitored and any impermissible enlargement is noticeable by an oscillation of the phase meter pointer. This is a fundamental difference compared to all previously used dividing units, in which the accuracy control is very difficult to carry out.
It is clear from the principle of the method that a stationary disk and rotating heads could be used with the same result, at most two disks, one of which is stationary and the other can be rotated, and rotating heads.
Magnetic recording can be replaced by optical recording, the magnetic recording layer being a photographic layer and the reproducing heads being photocells. The electronic equipment remains unchanged. One advantage of optical recording is the simple contactless recording.