CH467443A - Fotoelektrischer Schrittgeber zum Messen von relativen Winkel- oder Linearbewegungen eines Gegenstandes - Google Patents

Description

  
 



     Fotoelektrischer    Schrittgeber zum Messen von relativen Winkel oder Linearbewegungen eines Gegenstandes
Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schrittgeber zum Messen von relativen Winkel- oder Linearbewegungen eines Gegenstandes.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einem solchen Schrittgeber eine möglichst einfache Anordnung zur Gewinnung zusätzlicher Signale zu schaffen, die sich als Steuersignale für die verschiedensten Zwecke verwenden lassen.



   Gegenstand der Erfindung ist ein fotoelektrischer Schrittgeber, bei dem entweder ein mit dem Gegenstand in Verbindung stehendes Raster auf ein zweites Raster oder ein mit diesem Gegenstand in Verbindung stehendes Raster auf sich selbst abgebildet wird, bei dem sich im abbildenden Strahlengang sowohl ein den Lichtstrahl aufspaltendes Bauteil als auch ein den Strahlengang ab- oder umlenkendes, in seiner Relativlage zum Gitter steuerbares Bauteil befindet und bei dem mindestens zwei fotoelektrische Empfänger zur Gewinnung von Signalen vorhanden sind, welche den Ort der Mitte des an der Signalbildung beteiligten Gitterfeldes relativ zur Messachse und damit die relative Lage des Gegenstandes definieren.

   Der   erfindungsgemässe    Schrittgeber zeichnet sich dadurch aus, dass dem den abbildenden Strahlengang   ab oder    umlenkenden Bauteil ein Indexraster mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Flächenteilen nachgeschaltet ist, welches über einen polarisierenden Teiler mittels mindestens zweier fotoelektrischer Empfänger abgetastet wird, deren Ausgangssignale entsprechend dem Aufspaltungswinkel des aufspaltenden Bauteils (20) gegeneinander versetzt sind und deren Frequenz bei Bewegung des Rasters nur halb so gross ist wie die Frequenz der Ausgangssignale der anderen Empfänger.



   Auch kann der das Raster tragende Teilungsträger zusätzlich mindestens eine in bezug auf die Bewegungsrichtung neben dem Raster liegende Markierungsspur tragen, welche nicht auf den Träger des zweiten Rasters oder auf sich selbst abgebildet wird, und in der Bildebene des Indexrasters kann jeder Markierungsspur eine entsprechende Indexspur zugeordnet sein, welche fotoelektrisch abgetastet wird.



   Die an den zusätzlichen fotoelektrischen Empfängern anfallenden Signale lassen sich mit Vorteil dazu verwenden, die Arbeitsweise eines dem Schrittgeber nachgeschalteten Zählers zu überwachen. Der besondere Vorteil des neues Schrittgebers liegt aber darin, dass er sich zur codierten Wiedergabe einer Ortslage eignet, wobei gegenüber bekannten Anordnungen mit wesentlich weniger Codespuren auf dem Teilungsträger auszukommen ist, was sich natürlich vorteilhaft auf den notwendigen Aufwand zur Erstellung der Geräte bemerkbar macht.



   Auch ist es möglich, bei entsprechender Ausbildung der verwendeten Raster zu einer Anordnung für einen fotoelektrischen Schrittgeber zu gelangen, welche die Gewinnung von Signalen der Frequenz f, 2f und 4f gestattet.



   Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anschliessend beschrieben.



   In Fig. 1 ist ein Längenschrittgeber bekannter Art dargestellt Bei ihm wird der von einer Lampe 5 mit vorzugsweise als strichförmige Leuchtfläche ausgebildetem Glühdraht über einen Kondensor 6 beleuchtete Teil eines mit spiegelnden Marken 7 versehenen Rasters 8 über ein Objektiv 9, ein Pentaprisma 10, ein bildaufspaltendes Wollastonprisma 20, einen Teiler 11 sowie ein Objektiv 12 auf eine andere Stelle des gleichen Rasters abgebildet. Die beiden Objektive bilden im Massstab 1:1 ab. Die Lampe 5 ist so justiert, dass ihre Leuchtfläche parallel zu den Teilungsmarken liegt. Dem Raster in ein polarisierender Teiler 13 nachgeschaltet, der die nach Polarisation unterschiedlichen Bildanteile über Feldlinsen 14, 15 zwei fotoelektrischen Empfängern 16, 17 zuleitet, deren Ausgangssignale einer Auswerteschaltung 18 zugeführt werden.

   An der dem Pentaprisma abgewandten Seite des Teilers 11 ist diesem ein Objektiv 21 nachgeschaltet, welches die polarisierten Bilder des Rasters 8 auf ein ortsfestes, nicht spiegelndes Indexraster 22 abbildet, welches mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Flächenanteilen versehen ist Seine Lage ist im Hinblick auf die Objektive 9 und 12  justiert. Die sich in der Bildebene des Indexrasters 22 aus dem Zusammenwirken der Bilder des Rasters und der Flächenausbildung des Indexrasters selbst ergebenden Helligkeitsverteilungen werden über einen polarisierenden Teiler 23 mittels fotoelektrischer Empfänger 24, 25 abgetastet, denen Feldlinsen 26, 27 vorgeschaltet sind.



  Die Ausgangssignale dieser beiden Empfänger sind entsprechend dem Aufspaltungswinkel des Prismas 20 in der Phase gegeneinander versetzt, und sie weisen nur die halbe Frequenz der an den Empfängern 16, 17 anfallenden Signale auf.



   Die Funktionsweise dieses Gerätes ist folgende:
Beim Verschieben des Massstabs 8 parallel zur Zeichenebene bewegen sich die durch die Bauteile 9-12 und 20 in der Massstabsebene rechts erzeugten Bilder der links liegenden Massstabsstriche in zur Messstabsbewegung entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird die Anzahl der Signalperioden doppelt so gross wie die Zahl der Teilungsperioden. Zusätzlich ist durch das Prisma 20 erreicht, dass in einer Abbildungsebene zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbilder erzeugt werden. Ein der Abbildungsebene nachgeschalteter polarisierender Teiler 13 trennt den den Massstab 8 am Abbildungsort durchdringenden Lichtfluss in seine unterschiedlich polarisierten Anteile auf und führt diese Anteile den fotoelektrischen Empfängern 16, 17 zu, deren elektrische Ausgangssignale gegeneinander um 900 in der Phase verschoben sind.

   Diese Ausgangssignale werden einer Auswerteschaltung 18 zugeführt und dort in bekannter und daher hier nicht mehr näher erläuterter Weise weiterverarbeitet. Ein Teil des das Prisma 20 verlassenden Lichtes durchläuft den Teiler 11 in gerader Richtung und bildet über ein Objektiv 21 die links liegenden Massstabsstriche des Massstabs 8 auf das ortsfeste Indexraster 22 ab. Die sich aus dem Zusammenwirken dieser Lichtanteile, die ja unterschiedlich polarisiert sind, und der Ausbildung des Indexrasters 22 ergebenden   Hel-    ligkeitsverteilungen werden von zwei fotoelektrischen Empfängern 24, 25 über je eine Feldlinse 26, 27 sowie einen die Lichtanteile nach ihrer Polarität aufspaltenden Teiler 23 erfasst. Die an diesen Empfängern 24, 25 anfallenden elektrischen Ausgangssignale sind gegeneinander in ihrer Phasenlage versetzt.

   Da die diese Signale erzeugenden Lichtanteile das bewegte Gitter 8 nur einmal durchsetzten, weisen die Ausgangssignale der Empfänger 24, 25 gegenüber den Ausgangssignalen der Empfänger 16, 17 nur die halbe Frequenz auf.



   Diese Signale lassen sich zu den verschiedensten Zwecken verwenden. So kann man sie beispielsweise zum Antrieb einer Hilfszählstufe verwenden, deren jeweiliger Stand mit dem Stand des das Messergebnis speichemden Zähler verglichen wird. Auf diese Weise ist es möglich,   Fehizählungen    des Messergebnisses sofort zu signalisieren und/oder automatisch zu korrigieren.



   Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, das in seinem Aufbau dem oben beschriebenen ähnelt, ist ein radialer Teilungsträger 38 verwendet, der um eine Achse 39 drehbar gelagert ist. Ausser der Teilung 37 weist derselbe noch neben dieser Teilung liegende Spuren 40, 41, 42 auf, in die beispielsweise ein Binärcode eingebracht ist (Fig. 2a). In der Bildebene des Indexrasters 22a ist eine gleichartige Anordnung der Teilung und der Spuren getroffen, und der Teilung ist, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Teilerwürfel 23 zugeordnet, über den zwei fotoelektrische Empfänger 25, 24 über Feldlinsen 26, 27 diese Teilung abtasten. Den Spuren können beispielsweise unter Verwendung von Lichtleitern 43 ein fotoelektrischer Empfänger 44 oder unter Verwendung eines Teilerwürfels 45 zwei fotoelektrische Empfänger 46, 47 zugeordnet sein.



   Das insoweit beschriebene Gerät funktioniert wie folgt:
Beim Drehen des Teilungsträgers 38 um die Achse 39 bewegen sich die durch die Bauteile 9, 12 und 20 in der Ebene des Teilungsträgers rechts erzeugten Bilder der links liegenden Teilstriche der Teilung 37 in zur Bewegungsrichtung des Teilungsträgers entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird auch hier die Anzahl der Signalperioden doppelt so gross wie die Zahl der Teilungsperioden. Zusätzlich ist durch das Prisma 20 erreicht, dass in einer Abbildungsebene zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbilder erzeugt werden.

   Ein der Teilungsträgerebene (Abbildungsebene) nachgeschalteter polarisierender Teiler 13 trennt den die Teilung 37 am Abbildungsort durchdringenden Lichtfluss in seine unterschiedlich polarisierten Anteile auf und führt diese Anteile den fotoelektrischen Empfängern 16, 17 zu, deren elektrische Ausgangssignale gegeneinander um 900 in der Phase verschoben sind. Diese Signale werden einer Auswerteschaltung 18 zugeführt und in bekannter Weise weiterverarbeitet. Ein Teil des das Prisma 20 verlassenden Lichtes durchläuft den Teiler 11 in gerader Richtung und bildet über ein Objektiv die links befindlichen Teilstriche der Teilung 37 und die links befindlichen Markierungen der Codespuren 40-42 in die Bildebene des Indexrasters 22a ab. Dieses Raster trägt den Spuren 40-42 und der Teilung 37 entsprechende Markierungen und die Teilung 37 wird auf ihr Pendant abgebildet.

   Der diesem nachgeschaltete polarisierende Teilerwürfel 23 trennt das das Pendant durchlaufende Licht in seine beiden unterschiedlich polarisierten Anteile auf und leitet diese über Feldlinsen 26, 27 den beiden fotoelektrischen Empfängern 24 und 25 zu, deren elektrische Ausgangssignale in bezug auf die Ausgangssignale der Empfänger 16, 17 nur die halbe Frequenz aufweisen.



   Die Codespuren werden ebenfalls auf das Indexraster 22a abgebildet. Die fotoelektrische Abtastung der sich aus dem Zusammenwirken des abbild enden Lichtstrahlenbündels mit den Markierungen des Indexrasters 22a ergebenden Helligkeitsverteilungen kann, wie dargestellt, unter Zwischenschaltung unterschiedlicher optischer Mittel erfolgen. Wie ersichtlich, ist einer der Codespuren ein polarisierender Teiler 45 nachgeschaltet, welcher das die Codespuren durchdringende Licht nach den Polarisationseinrichtungen aufspaltet und über Feldlinsen zwei fotoelektrischen Empfängern 46, 47 zuführt.



  Die Ausgangssignale dieser Empfänger werden im Sinne der bekannten V- oder U-Abtastung verwendet. Den übrigen Codespuren sind über Lichtleiter 43 mindestens je ein foto elektrischer Empfänger 44 nachgeschaltet, deren Ausgangssignale in bekannter Weise weiterverarbeitet werden.



   Nachdem die Signale an den Empfängern 24, 25 nur die halbe Frequenz der Signale an den Empfängern 16, 17 haben, sind sie zur codierten Darstellung der Messwerte geeignet. Die zusätzlichen Spuren 40-42 erbringen weitere Codemerkmale. Aus der einen Rasterspur lassen sich also durch Anwendung der neuen Anordnung die gleiche Anzahl von Informationen wie bisher mit zwei unterschiedlichen Codespuren gewinnen.



   Selbstverständlich können bei entsprechender Ausgestaltung des Indexrasters auch in einer Anordnung nach Fig. 1 eine Kreisteilung und bei einer Anordnung nach Fig. 2 eine Linearteilung verwendet werden. Auch  ist es möglich, das Indexraster aus zwei Teilen zusammenzusetzen, von denen der eine die Teilung, der andere die Codespuren trägt.



   In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung dargestellt, bei dem der von einer Lampe 5 über einen Kondensor 6 beleuchtete Teil eines Phasenrasters 30 über ein Objektiv 9, ein bildaufspaltendes Wollastonprisma 20, ein Pentaprisma 10', einen Teilerwürfel 11 sowie ein Objektiv 12 auf ein zweites mit dem ersten gekoppeltes Phasenraster 31 abbildet.



  Die beiden Objektive bilden im Massstab 1:1 ab. Die Lampe 5 weist vorzugsweise einen als strichförmige Leuchtfläche ausgebildeten Glühdraht auf. Sie ist so justiert, dass die Leuchtfläche parallel zu den Teilungsmarken liegt. Dem Raster 31 ist ein polarisierender Teilerwürfel 13 nachgeschaltet, der die im Gegentakt modulierten Bilder nach Beugungsordnungen getrennt über Feldlinsen fotoelektrischen Empfängern 32 und 33 zuführt. Dem Teiler 11 ist über eine Linse 21 ein Spiegel 34 nachgeschaltet, der ein Teilbild einem Indexraster 35, welches als Phasenraster ausgebildet ist, zuführt. Diesem sind über einen polarisierenden Teiler 36 sowie Feldlinsen 50 fotoelektrische Empfänger 51 und 52 zugeordnet. Das Pentaprisma 10' weist einen Ergänzungskeil 10a auf, durch den ein Teilstrahl abgezweigt wird.

   Dieser durchläuft eine dem Keil nachgeschaltete, die verschiedenen Beugungsordnungen (wie in der Phasenkontrastmikroskopie) beeinflussende Phasenplatte 60. Dieser Platte ist über ein Objektiv 61, das ein Amplitudenbild des Rasters 30 entwirft, ein Amplitudenraster 22 nachgeschaltet, dessen Rasterkonstante gleich der Rasterkonstante des Bildes ist. Die Abtastung erfolgt, wie beschrieben, durch die Bauteile 23-27. Die an den fotoelektrischen Empfängern 24, 25 anfallenden Signale verhalten sich bezüglich der Frequenz zu den Signalen an den fotoelektrischen Empfängern 51, 52 und den fotoelektrischen Empfängern 32, 33 wie 1 : 2 : 4.



   Man kann also unter Anwendung des Erfindungsgedankens aus einer einzigen Bewegung Signale ableiten, die in ihren Frequenzen ein starres Verhältnis zueinander haben. Solche Signale können zum Steuern, Regeln oder Überwachen von Vorgängen benutzt werden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Fotoelektrischer Schrittgeber zum Messen von relativen Winkel- oder Linearbewegungen eines Gegenstandes, bei dem entweder ein mit diesem Gegenstand in Verbindung stehendes Raster auf ein zweites Raster oder ein mit diesem Gegenstand in Verbindung stehendes Raster auf sich selbst abgebildet wird, bei dem sich im abbildenden Strahlengang sowohl ein den LichtstrahI aufspaltendes Bauteil als auch ein den Strahlengang aboder umlenkendes, in seiner Relativlage zum Gitter steuerbares Bauteil befindet und bei dem mindestens zwei fotoelektrische Empfänger zur Gewinnung von Signalen vorhanden sind, welche den Ort der Mitte des an der Signalbildung beteiligten Gitterfeldes relativ zur Messachse und damit die relative Lage des Gegenstandes definieren, dadurch gekennzeichnet, dass dem den abbildenden Strahlengang ab oder umlenkenden Bauteil (11) ein Indexraster (22)

   mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Flächenteilen nachgeschaltet ist, welches über einen polarisierenden Teiler (23) mittels mindestens zweier foto elektrischer Empfänger (24, 25) abgetastet wird, deren Ausgangssignale entsprechend dem Aufspaltungswinkel des aufspaltenden Bauteils (20) gegeneinander versetzt sind und deren Frequenz bei Bewegung des Rasters nur halb so gross ist wie die Frequenz der Ausgangssignale der anderen Empfänger (16, 17).

   UNTERANSPRÜCHE 1. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der das Raster (37) tragende Teilungsträger zusätzlich mindestens eine in bezug auf die Bewegungseinrichtung des Teilungsträgers neben dem Raster (37) liegende Markierungsspur (40-42) trägt, welche nicht auf den Träger des zweiten Rasters oder auf sich selbst abgebildet wird, und dass in der Bildebene des Indexrasters (22) jeder Markierungsspur eine entsprechende Indexspur zugeordnet ist, welche fotoelektrisch abgetastet wird.

   2. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das auf ein zweites oder auf sich selbst abgebildete Raster ein Phasenraster (30) ist, dass dem als Amplitudenraster ausgeführten Indexraster (22) ein Teiler (34) vorgeschaltet ist, der ein Teilbild einem als Phasenraster ausgebildeten Indexraster (35) zuführt, welches über einen polarisierenden Teiler (36) von mindestens zwei fotoelektrischen Empfängern abgetastet wird, wobei Mittel vorgesehen sind, welche die nach dem Durchgang durch das Phasenraster entstehenden, im Gegentakt modulierten Bilder getrennten fotoelektrischen Empfängern zuführen, und dass dem als Amplitudenraster ausgebildeten Indexraster (22) eine Phasenplatte (60) vorgeschaltet ist.