Photoelektrische Einrichtung zur Anzeige der Verschiebungsgrösse eines beweglichen Teiles
Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Einrichtung zur Anzeige der Verschiebungsgrösse eines beweglichen Teiles, beispielsweise eines Längenmlass- stabes oderteiner Kreisteilung. Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art wird ein als Gitter ausgebildeter Massstab mit Hilfe einer Blende oder eines Gitters abgetastet und die hierbei erzeugten Lichtimpulse werden in einer Anzeigeeinrichtung registriert. Um zu sehr fein unterteilten Messengebni & s'en zukommen, muss der Massstab entsprechend fein unterteilt sein, was fertigungstechnisch grosse Schwierigkeiten bereitet, so dass diese Einrichtungen sehr teuer sind.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, die Gitterstriche des Massstabes im Verhältnis 1:1 auf sich selbst abzubilden, derart, dass das Bild der Striche beim Verschieben des Massstabes im entgegengesetzten Sinne zur Verschiebungsrichtung des Massstabes auswandert. Hierdurch erhält man im Vergleich zur obengenannten Einrichtung beim Verschieben des Massstabes um eine bestimmte Strecke doppelt so viel Lichtimpulse und damit lein doppelt so fein unterteiltes Messergebnis.
Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist je doch, dass der Massstab nach wie vor r durchgehend ge- teilt sein muss. Ferner kommt man mit der letztgenannten Einrichtung nicht über eine Verdoppelung hinsichtlich der Feinheitfdes Messergebnisses hinaus.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung anzu- geben, bei der man von einem grob geteilten Gitter ausgehen kann und trotzdem zu sehr fein untertellten Messwerten kommt und bei der ferner nur ein kurzes Ausgangsgitter erforderlich sein kann.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass optische Elemente ein Messgitter auf ein Auffang gitter oder auf sich selbst abbilden, dass eine Mehrzahl von mit dem beweglichen Teil verbundener, aneinandergereihter Spiegel vorgesehen ist, dass je zwei Spiegel einen Winkel von 900 miteinander einschliessen und dass die optische Abbildung über wenigstens ein Spiegelpaar erfolgt, so dass beim Verschieben des beweg lichen Teiles eine kontinuierlich, e Blldfolge des Aus- gangsgitters in der Ebene des Auffanggitters über dieses läuft.
Wird bei dieser Ausbildung im einfachsten Fall das Ausgangsgitter im Abbildungsmassstab 1:1 auf ein Auffanggitter abgebildet und kommt hierbei im Abbildungsstrahlengang jeweils eine der verschiebbaren Spiegelflächen zur Wirkung, dann bewegt sich das Bild des Ausgangsgittens doppelt so schnell wie die verschiebbaren Spiegel. Man erhält hierbei wirkungsmässig die Verhältnisse wie in der oben beschriebenen vorbekannten Einrichtung, nur dass jetzt kein Massstab mehr vorgesehen ist, sondern statt dessen eine Kette aneinan dergereihter Spiegel.
Die Erfindung ist nicht nur auf impulszählende photoelektrische Einrichtungen beschränkt, sondern kann auch mit Vorteil für eine Absolut oder Analogmessung verwendet werden, wie dies in der Zeichnung gezeigt wird.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 lein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbelislpiel,
Fig. 4 die Ansicht der Fig. 3 in Richtung des Pfeiles IV,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 die Anwendung der Erfindung für Winkelmessungen, als viertes Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 8,
Fig. 10 eine erste Ausbildung des Ausgangsgitters,
Fig. 11 ein zweites Beispiel eines Ausgangsgitters,
Fig. 12 die dem Ausgangsgitter der Fig. 11 nach geschaltete Einrichtung,
Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 12,
Fig.
14 ein drittes Ausgangsgitter,
Fig. 15 ein viertes Ausgangsgitter,
Fig. 16 ein fünftes Ausgangsgitter,
Fig. 17 ein sechstes Ausgangsgitter,
Fig. 18 ein siebentes Ausgangsgitter für eine Analogmessung
Fig. 19 ein siebentes Ausführungsbeispiel,
Fig. 20 ein achtes Ausführungsbeispiel,
Fig. 21 ein neuntes Ausführungsbeispiel,
Fig, 22 ein zehntes Ausführungsbeispiel.
Gemäss Fig. 1 wird durch eine Lichtquelle 1 über einen Kondensor 2 ein Gitter 3 beleuchtet. Die vom Gitter 3 ausgehenden Lichtstrahlen treten in einen prismatischen Glaskörper 4 ein, dessen Lichteintrittst fläche parallel zum Gitter 3 liegt. Mit dem prismatischen Glaskörper 4 sind rechtwinklige Prismen 5 verbunden, welche die Lichtstrahlen über die Lichtaustrittsfläche 6 des Glaskörpers 4 einem telezentrischen Abbildungsobjektiv 7, 8 zuführen. Das Abbildungsobjektiv besteht aus einer Sammellinse 7 und einem im Brennpunkt der Sammellinse 7 angeordneten Hohlspiegel 8.
Die optischen Elemente 7 und 8 vermitteln eine Abbildung im Verhältnis 1:1 und lenken die Lichtstrahlen erneut auf die Prismen 5, so dass auf einem Auffanggitter 9 ein Bild des Gitters 3 erscheint. Das Gitter 9 wird über ein Prisma 10 und Linsen 11 auf eine Photozelle 12 abgebildet. Der Glaskörper 4 ist in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar, die Verschiebungsrichtung ist in Fig. 2 durch den Pfeil 13 gekennzeichnet. Verschiebt man den Glaskörper 4, dann wandert das Bild des Gitters 3 über das Auffanggitter 9 und die Photozelle 12 registriert Lichtimpulse. Die Prismen 5 bewirken hierbei, dass die Geschwindigkeit, mit der das Bild des Gitters 3 über das Auffanggitter 9 wandert, der 4fachen Geschwindigkeit des Glaskörp ers 4 entspricht.
Haben deshalb die Gitter 3 und 9 eine Teilung, deren St, riche im Abstand von 4, angeordnet sind, dann registriert eine der Photozelle 12 nachgeschaltete photoelektrische Einrichtung Verschiebungsgrössen des Glaskörpers 4 in der Grössenordnung von
Gemäss den Fig. 1 und 2 wirkt sich eine Drehung des Glaskörpers 4 um die Achse XX als Auswande, rung des Bildes des Gitters 3 in Stnichrichtung auf dem Auffanggitter 9 aus, was dann nachteilig ist, wenn das Ausgangsgitter kodiert ist. Dieser Nachteil ist in der Einrichtung nach den Fig. 3 und 4 dadurch beseitigt, dass die Prismen 5 durch Tripelspiegel 20 ersetzt sind.
Gemäss Fig. 3 sind in Abänderung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 die Prismen 20 unmittelbar aneinander befestigt, so dass der Glaskörper 4 nicht vorgesehen ist. Der optische Aufbau hat sich hierdurch jedoch nicht geändert, nur sind die aus den Prismen 20 eine und austretenden Lichtstrahlen im Gegensatz zu Fig. 1 jetzt parallel gerichtet.
Gemäss Fig. 5 wird das Gitter 3 durch die Lichtquelle 1 über die Kondensorlinse 20 und ein Teilungsprisma 21 sowie eine weitere Sammellinse 22 beleuchtet; die zurückkehrenden Lichtstrahlen werden jetzt mit Hilfe der Linsen 22 und 23 auf eine Photozelle 27 abgebildet. Das Ausgangsgitter 3 dient hier gleichzeitig als Auffanggitter.
Fig. 6 zeigt ein Teilstück einer Einrichtung für die genaue Einstellung von Drehwinkeln. Es sind hier dile Prismen 50 auf einem drehbaren Körper 51 angeordnet.
Die Lichtstrahlen werden an den Aussenflächen der Prismen 50 reflektiert. Benachbarte Aussenflächen zweier Prismen schliessen jeweils einen Winkel von 900 ein. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist dieselbe wie beispielsweise in Fig. 1 beschrieben, wenn ein derartiger Teilkreis mit einer optischen Einrichtung gemäss Fig. 1 zusammenarbeitet.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen der Fig. 1 entspricht. Zum Unterschied gegen über der Fig. list hier jedoch zwischen dem Ausgangsgitter 3 und den rechtwinkligen Prismen 5 ein Objektiv 52 vorgesehen, das das Ausgangsgitter 3 etwa auf die Kanten der Prismen 5 abbildet. Die optischen Elemente 7 und 8 sind hierbei so angeordnet, dass sie dieses Bild des Ausgangsgitters 3 ebenfalls wieder auf die Prismenkante 5 abbilden. Zwischen den Prismen 5 und dem Auffanggitter 9 ist ein weiteres Objektiv 53 vorgesehen, das die Prismen 5 auf das Auffanggitter 9 abbildet.
Gemäss Fig. 8 und 9 wind ein Ausgangsgftter 301 von einer Lichtquelle 302 mit Hilfe von Kondensorlinsen 303 beleuchtet. Das Ausgangsgitter 301 wird über eine Prismenkette 304 und ein telezentrisches Spiegelobjektiv 305 auf ein Auffanggitter 306 abgebildet. Die Prismenkette 304 besteht aus einem pilsmlrischrn Glaskörper 307, auf den Einzelprismen 308 in fortlaufender Folge auf gekittet sind. Die Prismenkette der Fig. 8 ist auf einer Führung 309 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar.
Beim Verschieben der Prismenkette 304 wandern die Bilder des Ausgangsgitters 301 über das Auffanggitter 306, so dass das Auffanggitter 306 entsprechend der Verschiebungsgrösse der Prismenkette 304 unterschiedliche Lichtintensitäten abstrahlt, welche mit Hilfe eines Prismas 310 und eines Objektives 311 auf eine Photozelle 312 gelenkt werden. Die in der Photozelle 312 erzeugten Spannungen, welche eine Funktion des Verschiebeweges der Prismenkette sind, werden in einer Einrichtung 313 mit Hilfe von Ziffernanzeigeröhren 314 als digitale Verschiebungsgrösse angezeigt. Gemäss Fig. 13 zeigt die beschriebene Einrichtung Werte bis zu 1/ion mm an.
Um zu weiteren lDezima- len zu kommen, also auch Zentimeter-, Dezimeter- und Meterwerte anzuzeigen, ist die Prismenkette 304 mit einer Zahnstange 315 verbunden, in die ein Ritzel 316 greift, welches ein Zählwerk 317 antreibt. Das Zählwerk 317 zählt die durchlaufenden Perioden des Ausgangsgitters auf dem Auffanggitter 306. Zwischen dem Zahnrad 318 und dem Zählwerk 317 ist eine Kupplung 319 vorgesehen. Nach Lösen der Kupplung kann durch Betätigen eines Knopfes 320 der Wert im Wählwerk 317 zu Null gemacht werden, so dass von dieser Stelle aus eine neue Messung mit neuer Zählung beginnen kann. Um auch den Wert im Zählwerk 313 zu löschen, ist das Ausgangsgitter 301 mit Hilfe einer Schraube 321 verschiebbar.
Neben der Kupplung 319 ist eine Wendekupplung 322 vorgesehen, welche eine Richtungsumkehr bewirkt, so dass von einer beliebigen Nullstellung aus beim Verschieben des Massstabes in positiver Richtung wahlweise vorwärts oder rückwärts gezählt werden kann.
Das Ausgangsgitter 301 ist in einem ersten Aus führungsbeispiei gemäss Fig. 10 ausgebildet. Es trägt zunächst drei sinusförmige Kurven 330, 331 und 332, welche im unteren Teil geschwärzt sind und im oberen Teil lichtdurchlässig. Die drei Kurven 330, 331 und 332 sind um etwa 1200 gegeneinander phasenverscho ben. Die Bilder dieser Kurven 330, 331 und 332 laufen über das Auffanggitter 306, welches gemäss Fig. 10 als Spalt ausgebildet ist. Drei nachgeschaltete Photozellen, welche in Fig. 10 die Bezifferung 333, 334 und 335 tragen, sind den einzelnen Gitterbildern zugeordnet und empfangen demzufolge Lichtintensitäten, welche lebenfalls sinusförmig und um 1200 gegeneinander phasenverschoben sind.
Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass mit Hilfe einer nicht dargestellten Schaltung von einer Photozelle auf die andere umgeschaltet werden kann und jeweils nur die Photozelle der Messung dient, welche beim Verschieben der Prismenkette die stärkste Spannungsänderung zeigt. Gemäss Fig. 10 ist dies die Photozelle 334. Unter den Kurven 330 bis 332 ist eine weitere Sinuskurve 336 vorgesehen, die jedoch in ihrer Periodenlänge wesentlich grösser ist als die Sinuskurven 330;bis 332. Durch diese Kurve wind die eindeutige Zuordnung der sich periodisch wiederholenden Werte der Kurven 330 bis 332 innerhalb des durch Idas Gitter 301 gegebenen Intervalles gewährleistet.
Gemäss Fig. 11 sind die drei sinusförmigen Kurven 330, 331 und 332 der Fig. 10 durch eine einzige sinusförmige Kurve 400 ersetzt. Das Auffanggitter 306 besteht gemäss Fig. 11 aus drei Lichtspalten 401, 402 und 403, die einen derartigen Abstand voneinander haben, dass ihnen nachgeschaltete Photozellen 404, 405 und 406 Lichtintensitäten empfangen, welche etwa um 1200 phasenverschoben sind. Messtechnisch wird mit dieser Ausbildung dasselbe erreicht wie mit den drei Sinuskurven 330, 331 und 332 der Fig. 10. Fig. 12 zeigt das Gitter 306 der Fig. 11 mit den Lichtspalten 401, 402 und 403 in der Ansicht von oben. Das durch die Spalte 401 bis 403 tretende Licht wird mit Hilfe von Linsen 407, 408 und 409 auf den Photozellen 404, 405 und 406 gesammelt. Die Photozellen 404 bis 406 sind über Verstärker V mit einem Drehmelder 410 verbunden.
Der Drehmelder 410 ist mit einem Zeiger 411 verbunden, der sich proportional zur Verschiebung des Bildes der Sinuskurve 400 dreht. Die Verschiebungsgrösse kann auf einer Skala 412 abgelesen werden. Der Drehmelder 410 dreht mit dem Zeiger 411 eine Lochblende 413, die diametral zum Zeiger 411 angeordnet ist. Eine stationäre Lichtquelle 414 beleuchtet mit Hilfe einer Kondensorlinse 415 ldie Blende 413, so dass dann, wenn der Zeiger 411 sich kurz vor der Zahl Null befindet, Licht durch diese Blende auf eine Photozelle 416 fällt. Dieser Lichtimpuls kann entweder dazu benutzt werden, in einer Eimtichtung 417 die Durchläufe der Blende zu zählen, um zum Grobmesswert zu kommen, oder aber, um aus einer Speichervorrichtung die nächste Ziffer des Grobmesswertes abzurufen.
Um den Grobmesswert richtungsrichtig zu zählen, können an sich bekannte Massnahmen getroffen sein, beispielsweise kann der Drehmelder 410 einen Schalter betätigen, den eine Vorwärts- oder Rückwärtszählung auslöst.
Fig. 14 zeigt eine geänderte Ausbildung des Ausgangsgitters, und zwar derart, dass die dem Auffangspalt 306 nachgeschalteten Photozellen 340 und 341 linearschwankende Lichtintensitäten empfangen und demzufolge lineare Spannungen abgeben. Das Gitter trägt zwei Bahnen 342 und 343, welche linear ansteigen und fallen, deren unterer Teil wieder geschwärzt ist.
Die Kurven der Bahnen 342 und 343 sind um etwa eine viertel Periodenlänge gegeneinander verschoben, um die Umschlagpunkte 344 und 345 der Kurven gegeneinander zu überbrücken, so wie es bei dem Aus gangsgitter der Fig. 10 beschrieben worden ist.
Gemäss Fig. 15 trägt das Gitter 301 vier Bahnen 350, 351, 352 und 353. Sämtliche Bahnen sind linear ausgebildet, jedoch sind die Bahnen 350, 351 gegenläufig, so dass also in der Bahn 350 die abgestrahlte Lichtintensität in positiver Richtung geringer wird, in der Bahn 351 im gleichen Masse grösser. Dasselbe gilt für die Bahnen 352 und 353, nur sind diese Bahnen gegen die Bahnen 350 und 351 um die halbe Periodenlänge versetzt. Den vier Bahnen 350 und 353 sind vier Photozellen 354, 355, 356 und 357 zugeordnet, welche hinter dem Abtastspalt 306 angeordnet sind und entsprechend beim Verschieben der Prismenkette 304 lineare Spannungen erzeugen.
In einer nicht dargestellten Einrichtung werden die Quotienten der Spannungen der Photozellen 354 und 355 sowie 356 und 357 ge bildet, und es ist weiterhin vorgesehen, dass im Bereich A, B die Photozellen 354 und 355 der Messung dienen, im Bereich B, C jedoch die Photozellen 356 und 357.
Hierdurch wird folgendes ereicht. Die Stosskanten zwischen den Prismen 304 der Fig. 8 und 9, welche dort mit den Ziffern 360 versehen sind, bewirken beim Verschieben der Prismenkette im Bild des Gitters 301 einen Lichtabfall. Dieser Lichtabfall kann nun dadurch ausgeglichen werden, Idass der Auffangspalt, wie in Fig. 15 dargestellt, eine erhebliche Breite zeigt. Diese Breite bringt es mit sich, dass die Quotienten der Spannungsintensitäten 350, 351 und 356, 357 beim Überfahren einer Kante 360 nicht merkbar beeinflusst werden. Die Kurven der Balmen 350 bis 353 zeigen weiterhin Unstetigkeitsstellen bei 358 und 359.
Diese Unstetigkeitsstellen ergeben beim Überfahren mit dem Spalt 306 eine Unsicherheit, da dieser Spalt eine recht grosse Ausdehnung hat und sich deshalb beim Üb erfahren der Unstetigkeitsstellen die von ihm durchgelassene Lichtintensität über die Breite des Spaltes stetig ändert. Um dies zu vermeiden, wird bei A, B, C, usw. jeweils derart umgeschaltet, dass im Bereich A, B nur die Photozellen 354 und 355 zur Wirkung kommen, im Bereich B, C aber nur die Photozellen 356 und 357. Man erkennt, dass bei dieser Ausbildung in den Bereichen der Unstetigkeitsstellen keine Zählung stattfindet.
In Fig. 16 ist lein entsprechendes Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier sind eine Bahn 370 und eine weitere Bahn 371 vorgesehen. Beide Bahnen zeigen wieder linearen Verlauf und sind etwa um eine halbe Periodenlänge gegeneinander versetzt. Die mittelste Bahn 372 ist bei diesem Ausführungsbeispiel konstant lichtdurchlässig, so dass die zugeordnete Photozelle 373 eine konstante Spannung erzeugt. Die Idem Spalt 306 nachgeschalteten Photozellen 374 und 375 sind so geschaltet, dass jeweils ihr Quotient zur Bahn 373 gebildet wird. Auch hier schalten die Bahnen an den Unstetigkeitsstellen X auf jeweils diejenigen Photozellen, welche gerade nicht der Unstetigkeitsstelle benachbart sind.
Fig. 17 zeigt eine geänderte Ausbildung des Ausgangsgitters. Das Ausgangsgitter 420 weist hier eine Dichteschrift auf, so dass der Auffangspalt 306, je nach dem, an weicher Stelle des Ausgangsgitters er sich befindet, eine entsprechende Lichtintensität durchlässt.
Fig. 18 zeigt ein Ausgangsgitter 430, welches binär kodiert ist. Zu diesem Zweck weist das Gitter 430 vier Bahnen 431, 432, 433 und 434 auf, weiche helle und dunkle Felder aufweisen. Der Auffangspalt 306 gleitet über diese vier Bahnen, und nachgeschaltete Photo zellen 435, 436, 437 438 empfangen je nach dem, ob sie einem lichtdurchlässigen oder leinem lichtundurchlässigen Feld gegenüberstehen, Licht oder keines. Die Photozellen 435 bis 438 sind in bekannter Weise so geschaltet, dass sie in nachgeschalteten Ziffernanzeigeröhren je nach Stellung des Spaltes 306 zum Bild des Ausgangsgitters 430 einen bestimmten Verschiebeweg anzeigen. Mit dem Gitter gemäss Fig. 18 werden genau die zehn Einheiten einer Dezimalen erhalten.
Zur Ermittlung weiterer Dezimalen kann wiederum die Zahnstange und das Ritzel mit nachgeschaltetem Zählwerk 317 gemäss Fig. 8 vorgesehen sein.
Fig. 19 zeigt ein geändertes Ausführungsbeispiel.
Hier ist das Auffanggitter 306 mit Hilfe zweier Blattfedern 440 und 441 in Richtung Ides Pfeiles 442 bewegbar gelagert. Ein Elektromagnet 443 bringt das Auffanggitter 306 in Schwingungen, so dass beim Verschie- ben des Massstabes 304 und dem damit verbundenen Überwandern des Bildes des Ausgangsgitters 301 die dadurch entstehende Phasenverschiebung in einer nachgeschalteten Einrichtung ermittelt wenden kann und hieraus der Verschiebeweg.
Fig. 20 zeigt eine Ausbildung des Ausgangsgitters 301, bei der zunächst zwei Bahnen 450 und 451 mit einer Lichtdurchlässigkeit gemäss Fig. 14 vorgesehen sind. Über den Bahnen 450 und 451 tist eine weitere Bahn 453 vorgesehen, welche lichtdurchlässige Spalte 454 aufweist. Diesen lichtdurchlässigen Spalten ist im Auffangspalt 306 eine Photozelle 455 zugeordnet, welche in einer Zähleinrichtung 456 digital die durchlaufenden Perioden des Gitters 450, 451 zählt. Die Verschiebungsgrösse des Ausgangsgitters 301, welche an den Bahnen 450, 451 abgelesen wird, wird auf die den Feinmesswert registrierende Einrichtung 457 gegeben.
Der Einrichtung 456 ist eine Speichereinrichtung 458 vorgeschaltet, welche bewirkt, dass die nächste Ziffer in der Einrichtung 456 erst dann aufleuchtet, wenn sie aus der Einrichtung 457 abgerufen wird.
Gemäss Fig. 21 wird die Prismenkette 304 durch zwei erfindungsgemässe Einrichtungen 390 und 391 angesprochen. Die Einrichtung 390 arbeitet beispielsweise nach dem Impulsverfahren, die Einrichtung 391 nach dem Analog-oder Absolutverfahren. Die Werte der beiden Einrichtungen 390 und 391 werden in eine Einrichtung 392 gegeben, die einerseits in Ziffernanzeigeröhren 393 den Messwert angibt und ausserdem eine Warnlampe 394 besitzt, die dann sofort aufleuchtet, wenn die von den Einrichtungen 390 und 391 erhaltenen Werte nicht übereinstimmen. Hierdurch wird das Messergebnis kontrolliert.
Die Fig. 22 zeigt eine dreistufig arbeitende Messvorrichtung. Die Prismenkette 304 wird durch die drei beschriebenen Einrichtungen 490, 491 und 492 angesprochen. Diese Einrichtungen können sowohl nach dem Impuls- als auch nach dem Analog-oder Absolutmessverfahren arbeiten. Die Gitterkonstanten bzw. Pe riodenlängen der in den Vorrichtungen 490, 491 und 492 verwendeten Ausgangs- und Auffanggitter sind im Verhältnis 1:10:100 abgestuft, so dass die Vorrichtung 490 beispielsweise die 1/loo mm, die Vorrichtung 491 die 1/io mm und die Vorrichtung 492 die ganzen Millimeter der Verschiebebetrage registriert, die wieder um in Ziffernanzeigeröhren 393 angezeigt werden.
Photoelectric device for displaying the amount of displacement of a moving part
The invention relates to a photoelectric device for displaying the amount of displacement of a movable part, for example a length measuring rod or a circular division. In the known devices of this type, a scale designed as a grating is scanned with the aid of a diaphragm or a grating, and the light pulses generated in this way are registered in a display device. In order to achieve very finely subdivided measurement results, the scale must be subdivided accordingly, which causes great difficulties in terms of production technology, so that these devices are very expensive.
In order to avoid this disadvantage, it is known to map the grid lines of the scale in a ratio of 1: 1 on itself, such that the image of the lines migrates in the opposite direction to the direction of displacement of the scale when the scale is moved. As a result, in comparison to the above-mentioned device, when the scale is shifted by a certain distance, twice as many light pulses are obtained and thus a measurement result that is twice as finely divided.
However, the disadvantage of this known device is that the scale must still be divided continuously r. Furthermore, the last-mentioned device does not go beyond doubling the fineness of the measurement result.
The object of the invention is to provide a device in which one can start from a roughly divided grating and nevertheless arrive at very finely subdivided measured values and in which furthermore only a short output grating can be required.
This is achieved according to the invention in that optical elements map a measuring grid onto a collecting grid or onto themselves, that a plurality of mirrors connected to the movable part are provided in a row, that two mirrors each enclose an angle of 900 with one another and that the optical imaging takes place via at least one pair of mirrors, so that when the movable part is displaced, a continuous sequence of images of the output grid runs over the latter in the plane of the collecting grid.
If, in the simplest case, the output grating is mapped onto a collecting grid at an imaging scale of 1: 1 and one of the sliding mirror surfaces in the imaging beam path comes into effect, the image of the output grating moves twice as fast as the sliding mirror. In terms of effect, the relationships are obtained here as in the previously known device described above, only that a scale is no longer provided, but instead a chain of mirrors in a row.
The invention is not limited only to pulse-counting photoelectric devices, but can also be used with advantage for absolute or analog measurements, as shown in the drawing.
In the drawing, embodiments of the invention are shown, namely show:
Fig. 1 is a first embodiment,
Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. 1,
3 shows a second exemplary embodiment,
FIG. 4 shows the view of FIG. 3 in the direction of arrow IV,
5 shows a third embodiment,
6 shows the application of the invention for angle measurements, as a fourth embodiment,
7 shows a fifth embodiment,
8 shows a sixth embodiment,
9 shows a section along the line II-II in FIG. 8,
10 shows a first embodiment of the output grid,
11 shows a second example of an output grid,
12 shows the device connected after the output grid of FIG. 11,
13 shows a section along the line VI-VI of FIG. 12,
Fig.
14 a third exit grid,
15 shows a fourth output grid,
16 shows a fifth output grid,
17 shows a sixth output grid,
18 shows a seventh output grid for an analog measurement
19 shows a seventh embodiment,
20 shows an eighth embodiment,
21 shows a ninth embodiment,
22 shows a tenth embodiment.
According to FIG. 1, a grating 3 is illuminated by a light source 1 via a condenser 2. The light rays emanating from the grid 3 enter a prismatic glass body 4, the light inlet surface of which is parallel to the grid 3. Right-angled prisms 5 are connected to the prismatic glass body 4 and guide the light rays via the light exit surface 6 of the glass body 4 to a telecentric imaging objective 7, 8. The imaging objective consists of a converging lens 7 and a concave mirror 8 arranged at the focal point of the converging lens 7.
The optical elements 7 and 8 convey an image in a ratio of 1: 1 and direct the light beams again onto the prisms 5, so that an image of the grid 3 appears on a collecting grid 9. The grid 9 is imaged onto a photocell 12 via a prism 10 and lenses 11. The glass body 4 can be displaced perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1; the direction of displacement is indicated in FIG. 2 by the arrow 13. If you move the glass body 4, then the image of the grid 3 moves over the collecting grid 9 and the photocell 12 registers light pulses. The prisms 5 have the effect that the speed at which the image of the grid 3 travels over the collecting grid 9 corresponds to four times the speed of the glass body 4.
If, therefore, the grids 3 and 9 have a division, the lines of which are arranged at a distance of 4, then a photoelectric device connected downstream of the photocell 12 registers shifts in the glass body 4 in the order of magnitude
According to FIGS. 1 and 2, a rotation of the glass body 4 about the axis XX acts as an extension of the image of the grid 3 in the stitching direction on the collecting grid 9, which is disadvantageous if the output grid is coded. This disadvantage is eliminated in the device according to FIGS. 3 and 4 in that the prisms 5 are replaced by triple mirrors 20.
According to FIG. 3, in a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 1, the prisms 20 are fastened directly to one another, so that the glass body 4 is not provided. However, the optical structure has not changed as a result, only the light rays emerging from the prisms 20 are now directed parallel, in contrast to FIG. 1.
According to FIG. 5, the grating 3 is illuminated by the light source 1 via the condenser lens 20 and a dividing prism 21 and a further converging lens 22; the returning light beams are now imaged on a photocell 27 with the aid of lenses 22 and 23. The output grid 3 also serves here as a collecting grid.
Fig. 6 shows a part of a device for the precise setting of angles of rotation. The prisms 50 are arranged here on a rotatable body 51.
The light rays are reflected on the outer surfaces of the prisms 50. Adjacent outer surfaces of two prisms each enclose an angle of 900. The mode of operation of this device is the same as that described, for example, in FIG. 1 when such a pitch circle cooperates with an optical device according to FIG.
FIG. 7 shows an exemplary embodiment which essentially corresponds to FIG. In contrast to FIG. 1, however, an objective 52 is provided between the output grating 3 and the right-angled prisms 5, which lens images the output grating 3 approximately onto the edges of the prisms 5. The optical elements 7 and 8 are arranged here in such a way that they likewise map this image of the output grating 3 onto the prism edge 5 again. Between the prisms 5 and the collecting grid 9, a further objective 53 is provided, which images the prisms 5 onto the collecting grid 9.
According to FIGS. 8 and 9, an output material 301 is illuminated by a light source 302 with the aid of condenser lenses 303. The output grating 301 is imaged onto a collecting grating 306 via a prism chain 304 and a telecentric mirror lens 305. The prism chain 304 consists of a Pilsen glass body 307, onto which individual prisms 308 are cemented in consecutive order. The prism chain of FIG. 8 can be displaced on a guide 309 perpendicular to the plane of the drawing.
When the prism chain 304 is moved, the images of the output grating 301 migrate over the collecting grille 306, so that the collecting grille 306 emits different light intensities according to the displacement of the prism chain 304, which are directed onto a photocell 312 with the aid of a prism 310 and an objective 311. The voltages generated in the photocell 312, which are a function of the displacement path of the prism chain, are displayed in a device 313 with the aid of numeric display tubes 314 as a digital displacement variable. According to FIG. 13, the device described shows values up to 1 / ion mm.
In order to get to further decimals, that is to say also to display centimeter, decimeter and meter values, the prism chain 304 is connected to a toothed rack 315 into which a pinion 316 engages, which drives a counter 317. The counter 317 counts the periods of the output grid running through on the collecting grid 306. A coupling 319 is provided between the gear wheel 318 and the counter 317. After releasing the clutch, the value in the selector mechanism 317 can be set to zero by actuating a button 320, so that a new measurement with a new count can begin from this point. In order to also delete the value in the counter 313, the output grid 301 can be moved with the aid of a screw 321.
In addition to the coupling 319, a reversing coupling 322 is provided, which effects a reversal of direction so that it is possible to count either forwards or backwards from any zero position when the scale is shifted in the positive direction.
The output grid 301 is formed in a first exemplary embodiment according to FIG. It initially has three sinusoidal curves 330, 331 and 332, which are blackened in the lower part and translucent in the upper part. The three curves 330, 331 and 332 are out of phase with one another by about 1200. The images of these curves 330, 331 and 332 run over the collecting grid 306, which according to FIG. 10 is designed as a gap. Three downstream photocells, which are numbered 333, 334 and 335 in FIG. 10, are assigned to the individual grid images and consequently receive light intensities that are sinusoidal and that are phase-shifted by 1200 with respect to one another.
This design ensures that with the help of a circuit (not shown) it is possible to switch from one photocell to the other and only the photocell that shows the greatest voltage change when the prism chain is moved is used for the measurement. According to FIG. 10 this is the photocell 334. Under the curves 330 to 332 a further sinusoidal curve 336 is provided, which, however, is considerably larger in its period length than the sinusoidal curves 330 to 332 Values of curves 330 to 332 are guaranteed within the interval given by Ida's grid 301.
According to FIG. 11, the three sinusoidal curves 330, 331 and 332 of FIG. 10 have been replaced by a single sinusoidal curve 400. According to FIG. 11, the collecting grid 306 consists of three light gaps 401, 402 and 403, which are spaced apart from one another in such a way that photocells 404, 405 and 406 connected downstream receive light intensities which are phase-shifted by about 1200. In terms of measurement technology, the same is achieved with this design as with the three sine curves 330, 331 and 332 of FIG. 10. FIG. 12 shows the grating 306 of FIG. 11 with the light gaps 401, 402 and 403 in a view from above. The light passing through the gaps 401 to 403 is collected on the photocells 404, 405 and 406 with the aid of lenses 407, 408 and 409. The photocells 404 to 406 are connected to a resolver 410 via amplifier V.
The resolver 410 is connected to a pointer 411 which rotates proportionally to the displacement of the image of the sine curve 400. The amount of displacement can be read off on a scale 412. The resolver 410 rotates with the pointer 411 a perforated screen 413 which is arranged diametrically to the pointer 411. A stationary light source 414 illuminates the diaphragm 413 with the aid of a condenser lens 415, so that when the pointer 411 is just before the number zero, light falls through this diaphragm onto a photocell 416. This light pulse can either be used to count the passages of the diaphragm in a metering device 417 in order to arrive at the coarse measured value, or to call up the next digit of the coarse measured value from a memory device.
In order to count the coarse measured value in the correct direction, measures known per se can be taken, for example the resolver 410 can actuate a switch that triggers an upward or downward count.
14 shows a modified design of the output grating in such a way that the photocells 340 and 341 connected downstream of the collecting gap 306 receive linearly fluctuating light intensities and consequently emit linear voltages. The grid carries two tracks 342 and 343, which rise and fall linearly, the lower part of which is blackened again.
The curves of the paths 342 and 343 are shifted from one another by about a quarter of a period in order to bridge the transition points 344 and 345 of the curves from one another, as has been described for the output grid of FIG.
According to FIG. 15, the grid 301 carries four tracks 350, 351, 352 and 353. All tracks are linear, but the tracks 350, 351 run in opposite directions, so that the emitted light intensity in the track 350 is lower in the positive direction, in the path 351 is greater in the same amount. The same applies to the tracks 352 and 353, only these tracks are offset from the tracks 350 and 351 by half the period length. The four tracks 350 and 353 are assigned four photocells 354, 355, 356 and 357, which are arranged behind the scanning gap 306 and accordingly generate linear voltages when the prism chain 304 is displaced.
In a device, not shown, the quotients of the voltages of the photocells 354 and 355 as well as 356 and 357 are formed, and it is also provided that the photocells 354 and 355 are used for measurement in area A, B, but the measurement in area B, C Photocells 356 and 357.
This achieves the following. The abutting edges between the prisms 304 of FIGS. 8 and 9, which are provided there with the numbers 360, cause a decrease in light when the prism chain is displaced in the image of the grating 301. This drop in light can now be compensated for in that the collecting gap, as shown in FIG. 15, shows a considerable width. This width means that the quotients of the stress intensities 350, 351 and 356, 357 are not noticeably influenced when an edge 360 is passed over. The curves of bars 350 to 353 continue to show discontinuities at 358 and 359.
These discontinuities result in an uncertainty when the gap 306 is passed over, since this gap has a very large extent and therefore the light intensity it lets through changes continuously over the width of the gap when the discontinuities are experienced. To avoid this, A, B, C, etc. are switched over in such a way that only photocells 354 and 355 come into effect in areas A, B, but only photocells 356 and 357 in areas B, C that in this training there is no counting in the areas of the discontinuities.
In Fig. 16 a corresponding embodiment is shown. A track 370 and a further track 371 are provided here. Both tracks show a linear course again and are offset from one another by about half a period length. In this exemplary embodiment, the middle track 372 is constantly transparent, so that the associated photocell 373 generates a constant voltage. The photocells 374 and 375 connected downstream of the gap 306 are connected in such a way that their quotient to the path 373 is formed in each case. Here, too, the tracks at the points of discontinuity X switch to those photocells which are currently not adjacent to the point of discontinuity.
17 shows a modified embodiment of the output grid. The output grating 420 here has a density font so that the collecting gap 306, depending on where it is at the soft point of the output grating, lets through a corresponding light intensity.
18 shows an output grid 430 which is binary coded. For this purpose, the grid 430 has four tracks 431, 432, 433 and 434, which have light and dark fields. The collecting gap 306 slides over these four tracks, and downstream photo cells 435, 436, 437 438 receive light or none, depending on whether they are facing a translucent or opaque field. The photocells 435 to 438 are connected in a known manner in such a way that they display a certain displacement path in downstream digit display tubes depending on the position of the gap 306 in relation to the image of the output grid 430. With the grid according to FIG. 18, exactly ten units of a decimal are obtained.
To determine further decimals, the rack and pinion can again be provided with a downstream counter 317 according to FIG.
19 shows a modified embodiment.
Here, the collecting grid 306 is mounted movably in the direction of Ides arrow 442 with the aid of two leaf springs 440 and 441. An electromagnet 443 causes the collecting grid 306 to vibrate, so that when the scale 304 is shifted and the associated crossing of the image of the output grid 301, the resulting phase shift can be determined in a downstream device and the displacement path can be determined from this.
FIG. 20 shows an embodiment of the output grating 301 in which two tracks 450 and 451 with a light permeability according to FIG. 14 are initially provided. A further track 453, which has light-permeable gaps 454, is provided above the tracks 450 and 451. A photocell 455 is assigned to these translucent gaps in the collecting gap 306 and digitally counts the periods of the grating 450, 451 passing through in a counter 456. The amount of displacement of the output grid 301, which is read on the tracks 450, 451, is sent to the device 457 which registers the fine measurement value.
The device 456 is preceded by a memory device 458, which has the effect that the next digit in the device 456 only lights up when it is called up from the device 457.
According to FIG. 21, the prism chain 304 is addressed by two devices 390 and 391 according to the invention. The device 390 works, for example, according to the pulse method, the device 391 according to the analog or absolute method. The values of the two devices 390 and 391 are fed into a device 392, which on the one hand indicates the measured value in numeric display tubes 393 and also has a warning lamp 394, which lights up immediately if the values received from the devices 390 and 391 do not match. This controls the measurement result.
22 shows a three-stage measuring device. The prism chain 304 is addressed by the three devices 490, 491 and 492 described. These devices can work according to both the pulse and the analog or absolute measuring method. The grating constants or period lengths of the output and collecting grids used in devices 490, 491 and 492 are graduated in a ratio of 1: 10: 100, so that device 490, for example, is 1/100 mm, device 491 is 1/10 mm and the device 492 registers the whole millimeters of the shift amounts which are again displayed in numeral display tubes 393.