Messvorrichtung zur Bestimmung der Grösse und Richtung der Bewegung eines Gegenstandes
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Grösse und Richtung der Bewegung eines Gegenstandes, bei welcher die Bewegung eines Gegenstandes in bezug auf ein Bezugssystem nach Grösse und Richtung mittels mindestens zweier lichtelektrischer Wandler aus der Verschiebung einer von einem Moire-Gitter erzeugten Helligkeitsverteilung ermittelt wird, wobei der eine Raster des Moire-Git- ters am Gegenstand und der andere Raster am Bezugssystem befestigt ist.
Bekanntlich weisen die Raster eines für diesen Zweck verwendeten Moire-Git- ters zur Bewegungsrichtung angenähert senkrecht verlaufende parallele gerade Linien auf, wobei die Linien des einen Rasters gegenüber den Linien des anderen Rasters leicht geneigt sind, so dass eine Gitterstruktur entsteht, welche sich beim Verschieben der Raster angenähert in Richtung der Linien bewegt.
Verläuft die Bewegung des Gegenstandes in gerader Linie, so werden ebene Raster mit koplanaren parallelen Linien gewählt. Liegt eine Drehbewegung vor, so haben die Raster die Form koaxialer Zylinder, wobei jeder Raster wiederum parallel zueinander verlaufende Linien aufweist, oder sie weisen die Form von Scheiben oder Scheibensegmenten mit radial verlaufenden Linien auf.
In den bekannten Vorrichtungen dieser Art, wie sie beispielsweise in den schweizerischen Patentschriften Nr. 337 665 und Nr. 345 463 beschrieben sind, sind die Lichtquelle und die Photozellen auf derselben Seite des Moire-Gitters angeordnet und der von der Lichtquelle bzw. den Photozellen weiter entfernt liegende Raster des Moire-Gitters ist als-Reflexionsraster ausgebildet und das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbündel passiert den ihr näherliegenden Raster, welcher als Transparentraster ausgebildet ist, wird dann vom Reflexionsraster reflektiert und passiert wiederum den Transparentraster, bevor es auf die Photozellen auffällt.
Die auf den Reflexionsraster einfallenden und die vom Reflexionsraster reflektierten Lichtbündel müssen unter einem Winkel verlaufen, damit die einfallenden Bündel nicht von den Photozellen und die reflektierten Bündel nicht von der Lichtquelle unterbrochen werden. In den bekannten Vorrichtungen dieser Art liegen die Ebenen der einfallenden und reflektierten Bündel senkrecht zu den Rasterlinien, und der schräge Verlauf der Teilbündel in diesen Ebenen verursacht einen Parallaxenfehler in der Verschiebung der Gitterstruktur, da die die Linien des einen Rasters enthaltende ebene oder gekrümmte Fläche einen Abstand von der die Linien des anderen Rasters enthaltenden Fläche aufweist. In den Signalen der Photozellen wird deshalb ebenfalls ein entsprechender Fehler auftreten, welcher unerwünscht ist, wenn sehr genaue Messungen verlangt werden.
Bei Verwendung von vier Photozellen, welche in Richtung der Gitterstruktur angeordnet sind, ist die mittlere Neigung der Strahlenbündel grösser, da die vier Photozellen einen grösseren Raum beanspruchen.
Damit ist bei dieser Anordnung auch der Fehler grösser.
Zweck der Erfindung ist, eine Messvorrichtung vorstehend beschriebener Art anzugeben, bei welcher der eine der beiden Raster ein Reflexionsraster und der durch die notwendige Neigung der auf den Raster einfallenden und von ihm reflektierten Strahlenbündel verursachte Messfehler reduziert ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Photozellen derart im parallelen Lichtbündel im Abstand voneinander angel ordnet sind, dass jedes durch eine Lücke durchtretende, anschliessend von den beiden Rastern beeinflusste Teillichtbündel hernach diejenige Photozelle beaufschlagt, welche derjenigen Lücke benachbart ist, durch welche das Teillichtbündel hindurchgetreten ist, und dass die Ebenen, welche durch die auf den Reflexionsraster einfallenden und von diesem reflektierten Teilbündel;bestimmt sind, angenähert parallel zu den Rasterlinien und senkrecht zur Richtung der Rasterverschiebung verlaufen.
Nachfolgend wird in Verbindung mit der Zeichnung ein Ausfuhrungsbeispiel der Messvorrichtung gemäss der Erfindung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Messvorrichtung;
Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 entlang der Achse der Linse L;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrösserten und stark veränderten relativen Dimensionen.
Beim : Fräsen ist es erforderlich, die geradlinige Bewegung des Werktisches gegenüber dem Halter des Fräswerkzeuges zu messen, wobei der Tisch der eingangs erwähnte Gegenstand und der Werkzeughalter das Bezugssystem ist.
Die Messvorrichtung gemäss Fig. 1 und 2 hat einen an dem Werktisch ll befestigten, ausreichend langen Reflexionsraster R, der in einer Ebene liegende, in gleichen Abständen voneinander angeordnete, parallele Linien 12 aufweist. Es soll für die Beschreibung angenommen werden, dass sich der Tisch horizontal bewegen kann und dementsprechend die Linien 12 vertikal verlaufen.
Dicht vor dem Raster R und parallel zu diesem verlaufend ist ein kurzer lichtdurchlässiger Raster T angeordnet, der an dem Werkzeughalter 13 befestigt ist und ebenfalls gerade, in einer Ebene liegende, parallele Linien 14 aufweist, die den gleichen Abstand voneinander haben wie die Linien 12. Die Linien 14 sind in bezug auf die Linien 12 leicht schräg angeordnet, so dass die beiden Raster, wenn sie beleuchtet sind, zusammen ein Moire-Gitter bilden. In Fig. 1 erstreckt sich die Gitterstruktur in Richtung des Pfeiles 15 (Fig. 1), d. h. vertikal, und bewegt sich in dieser Richtung, wenn der Raster R in horizonta ler Richtung relativ zum Raster T bewegt wird.
Vor dem Moire-Gitter sind vier Photozellen P1 bis P4 angeordnet und vertikal übereinander so ausgerichtet (mit der Zelle P1 an oberster Stelle), dass sie längs der Gitterstruktur mit gleichen Abständen (90 ) über eine Gitterperiode angeordnet sind. Die Zellen haben gleichen Abstand voneinander und lassen zwischen den benachbarten Zellen P1 und P2, P2 und P3 oder P3 und P4 Lichtdurchlassöffnungen Gel/2, G2/3 oder G3/4 frei. Der Teil 16 der Zellenanordnung ermöglicht eine ähnliche Öffnung G0/1 unmittelbar oberhalb der Zelle P1. Jede Zelle - die Zellen können Photoleiter sein - spricht nur auf Licht an, das sie aus der Richtung des Moire-Gitters erreicht.
Zur Bestimmung der Werktischbewegung sind die Photozellen mit bekannten elektrischen Schaltstufen verbunden, die hier jedoch nicht dargestellt sind, da deren Ausbildung für die vorliegende Erfindung unwichtig ist.
Hinter den Photozellen - d. h. auf ihrer dem Gitter abgewandten Seite - sind hintereinander eine Kollimatorlinse L und eine punktförmige Lichtquelle S angeordnet. Linse L ist so angeordnet, dass ihre Hauptachse A horizontal verläuft und auf die Mitte der Photozellenanordnung und des Gitters ausgerichtet ist. Die Lichtquelle S liegt in der Brennpunktebene der Linse, jedoch etwas oberhalb der Achse A, und zwar so, dass die die Lichtquelle S mit dem Brennpunkt F der Linse verbindende Linie parallel zu den Linien 12 des Gitters R verläuft.
Die.Zellen, die Linse und die Lichtquelle befinden sich in einem lichtdurchlässigen Gehäuse 17, dessen eine Ende den Raster T als transparentes Fenster enthält. Die nicht dargestellten Leitungen, welche die Zellen und die elektrischen Schaltstufen verbinden, sind an einer geeigneten Stelle durch das Gehäuse hindurchgeführt.
Die Versetzung der Lichtquelle gegenüber der Linsenachse erzeugt eine leichte Neigung der Achse des von der Linse ausgehenden Parallellichtbündels zur Senkrechten an den Gitterlinien. Diese Neigung reicht aus, um jede Zelle mit einem breiten, bandförmigen Teilbündel zu beleuchten (siehe Fig. 2, in der der für die Zelle P3 bestimmte Lichtstrahl B3 dargestellt ist), das durch den Raster T hindurch von dem Raster R an der der jeweiligen Zelle zugeordneten Stelle des Musters reflektiert wird, nachdem es als einfallendes Bündel von der Lichtquelle unmittelbar an dieser Zelle vorbeigegangen ist. So wird z.
B. die Zelle P1 durch das Teilbündel B1 beleuchtet, das als einfallendes Teilbündel durch die Öffnung G0/1 fällt, und zwar unmittelbar oberhalb der Zelle; die Zelle P2 wird beleuchtet durch das Teil bündel B2, das als einfallendes Bündel durch die Öffnung G1/2 unmittelbar oberhalb der Zelle P2 geht, usw. So geht jedes Bündel, ausser demjenigen, das die Zelle P1 beleuchtet, als einfallendes Bündel zwischen der Zelle, die es beleuchtet, und einer benachbarten Zelle hindurch.
Bei der Bewegung des Tisches bewegt sich die Gitterstruktur in senkrechter Richtung zur Tischbewegung, und die elektrischen Schaltkreise liefern über die mit Licht veränderlicher Intensität beaufschlagten vier Photozellen Messwerte in Form von vier sinusförmigen Ausgangssignalen, die voneinander einen Phasenabstand von 900 aufweisen.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung, die im Zusammenhang mit der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung (Schweizer Patentschrift 345 463) ausführlich erwähnt worden ist, ist zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich, weshalb auf ihre Darstellung hier ganz verzichtet ird.
Die Zellen mit ihren Durchlassöffnungen wirken als eine Blende für das von der Kollimatorlinse ausgehende Parallel-Lichtbündel, und die Kombination von Lichtquelle, Linse und Blende bildet das optische Betrachtungssystem für das Gitter.
Die Anzeigegenauigkeit der Vorrichtung ist abhängig von der Kleinheit des Winkels 0 zwischen dem einfallenden und dem reflektierten Teil eines jeden Teilbündels, wobei die Genauigkeit dadurch gesteigert werden kann, dass sowohl der einfallende als auch der reflektierte Teil jedes Teilbündels annähernd in der Ebene mit der geringsten Verformung liegt - das ist die Ebene, welche parallel zu den Linien und senkrecht zur Richtung der Rasterbewegung verläuft, so dass auf Parallelaxe zurückführende Fehler auf ein Minimum reduziert werden.
Um solche Teilbündel zu erzeugen, ist das gesamte, von der Linse L ausgehende Parallel-Lichtbündel parallel zu solchen Ebenen ausgerichtet und dabei wie beschrieben - ein wenig geneigt.
Wenn 2g die (vertikale) Breite jeder Öffnung zwischen den Zellen (siehe Fig. 3), 2w die (vertikale) Breite jeder Zelle P und d die Entfernung der Zellen von der Mittelebene der beiden Raster ist, dann ist der Neigungswinkel /2 zwischen einem jeden Teilbündel B1 (dargestellt durch eine Seitenansicht eines Teilbündels) und der Normalen im Auftreffpunkt auf den Rastern annähernd gleich 1/2 (w+g)ld. Diese Grössen sollten so gewählt werden, dass dieser Winkel, der durch die Neigung des von der Kollimatorlinse S kommenden L/Gesamtlichtbündels bestimmt ist, den geringsten praktisch möglichen Wert annimmt.
Auf Grund der Tatsache, dass die Lichtquelle notwendigerweise eine bestimmte Ausdehnung hat und keine exakte Punktquelle ist, hat sich in der Praxis als geeigneter Wert g = 2w/3 ergeben, denn dann ist der Winkel 0 zwischen den einfallenden und den reflektierten Teilbündeln annähernd gleich dem Winkel, unter dem am Gitter eine Zelle mit ihren Aussenabmessungen in der Ebene der geringsten Verformung erscheint.
Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform liegt die Lichtquelle S auf der Achse A der Linse, die ihrerseits ein wenig aus der Senkrechten zu den Rastern hingeneigt ist, um die erforderliche Neigung des Lichtbündels herzustellen.
Anstatt einer punktförmigen Lichtquelle kann eine Fadenlampe mit geradem Leuchtfaden benutzt werden, vorausgesetzt, dass der Faden parallel zu den Gitterlinien verläuft. Jedes Teilbündel des gesamten Parallelbündels, das zu einer Zelle geht, ist nun ein gemischtes Bündel, hervorgerufen von einer unendlichen Zahl von Punktquellen, die entlang der Linie des Fadens liegen. In der Praxis hat dies keine nachteilige Wirkung, vorausgesetzt, dass lif klein ist im Vergleich zu sld, wobei s die Wellenlänge des durch die Gitterstruktur geformten Wellenmusters, d wiederum die Entfernung zwischen den Rastern und den Photozellen, 1 die Fadenlänge und f die Brennweite der Linse L ist.
Es muss hervorgehoben werden, dass die Ausdrücke wie vertikal und horizontal in der Beschreibung lediglich zum leichteren Verständnis gebraucht sind. Die Vorrichtung braucht nicht abge ändert zu werden, wenn der Werktisch so angeordnet ist, dass er sich beispielsweise vertikal bewegt. In diesem Falle verlaufen die Linien der Raster annähernd horizontal, und die Lichtquelle ist horizontal gegenüber der Achse der Linse verschoben, um der nun horizontalen Anordnung der Photozellen zu entsprechen.
In bekannten Vorrichtungen mit vier Photozellen sind die Zellen in einem Halter angeordnet, der keine lichtdurchlässigen Öffnungen zwischen benachbarten Zellen erlaubt. Wenn daher eine derartige Anordnung mit einem reflektierenden Raster versehen wird, kann das Lichtbündel auf eine der beiden Endzellen nicht näher als gerade über die anderen Endzellen hinweg einfallen, so dass der Winkel 0 zwangsläufig einen Wert annimmt, annähernd dem Wert des Winkels, unter dem die äussersten Punkte des den Rastern gegenüberliegenden Zellenhalters in der Ebene der geringsten Verformung am Gitter erscheinen und grösser ist als der wesentlich kleinere Winkel, der annähernd gleich demjenigen ist, der gegenüber den Rastern durch die entsprechende Ausdehnung einer einzigen Zelle entsteht, wie dies bei der vorliegenden Messvorrichtung der Fall ist.
Wenn bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung statt vier Zellen nur zwei vorhanden sind - wie dies auch bei einer bereits vorgeschlagenen Vorrichtung der Fall ist - fällt das einfallende Bündel für eine der Zellen durch einen Zwischenraum zwischen beiden Zellen, während das einfallende Bündel für die andere Zelle unmittelbar ausserhalb dieser Zelle vorbeigeht, wie im Falle der Zelle P1 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der einen Teil des Gehäuses 17 bildende Raster der Reflexionsraster, der in diesem Falle nur von geringer Länge ist. Der lichtdurchlässige Raster ist von grösserer Länge und am Werktisch angebracht. Das Gehäuse 17 weist dann Schlitze zur Aufnahme des transparenten Rasters auf, so dass sich letzterer vor dem Reflexionsgitter frei durch das Gehäuse und relativ zu dem Reflexionsraster bewegen kann.
Die beschriebene Messvorrichtung ist auch anwendbar, wenn die Werktischbewegung eine rotierende ist und die Raster entweder koaxial zylindrisch oder mit radial verlaufenden Linien ausgebildet sind, wie eingangs erwähnt worden ist. In jedem Falle ist die Ebene der geringsten Verformung, in welcher jedes einfallende und reflektierte Teilbündel liegt, annähernd parallel zu den Linien der Raster und diese Ebenen sind senkrecht zur Richtung der Rasterbewegung angeordnet und enthalten daher die Zylinderachse oder das Scheibenzentrum der Raster.