Photoelektrische Einrichtung zur Messung der gegenseitigen Verschiebung von Teilen einer Maschine
Diese Erfindung betrifft eine photoelektrische Einrichtung an einer Maschine zur Messung der gegenseitigen Verschiebung einzelner Teile dieser Maschine, bestehend aus einem rotierenden Abtastelement, einem optischen Abbildungssystem, einer in der ersten Brennebene des Abbildungssystems liegenden Spaltblende und einem hinter der Blende angeordneten photoelektrischen Element, wobei alle diese Bestandteile an einem Maschinenelement angebracht sind, sowie aus einem Eichstrichmass, das an einem anderen Maschinenelement befestigt und in der zweiten Brennebene des Abbildungssystems so angeordnet ist, dass das Abtastelement sich im Strahlgang zwischen dem Eichmass und der Spaltblende befindet.
Die vorliegende Erfindung soll vor allem zur Messung der gegenseitigen Verschiebung von Maschinenelementen, hauptsächlich bei Werkzeugmaschinen, insbesondere zur Messung der gegenseitigen Verschiebung von Arbeitselementen der Lehrenbohrwerke dienen.
Bekannt sind photoelektrische Einrichtungen für eine Maschine, die zur Messung der gegenseitigen Verschiebung von Maschinenelementen bestimmt sind, und die an einem Element der Maschine ein Abtastelement, ein optisches System und eine in derselben Brennebene liegende Spaltblende mit einem photoelektrischen Element aufweisen, sowie ein Eichstrichmass besitzen, das auf einem anderen Maschinenelement und in der anderen Brennebene des optischen Systems so angeordnet ist, dass sich das Abtastelement im Strahlengang zwischen dem Eichmass und dem Diskriminator befindet.
Die bekannten photoelektrischen Einrichtungen bestimmen die Übereinstimmung des Zentrums des Eichstriches mit der optischen Achse der Einrichtung mit grosser Genauigkeit. Wenn jedoch das Strichzentrum nicht mit der optischen Achse der Einrichtung zusammenfällt, wird die Bestimmung der Abweichung erschwert, und es sind zusätzliche optische Mittel erforderlich.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung des oben genannten Nachteiles der bekannten Einrichtungen durch eine photoelektrische Einrichtung, die es ermöglicht, eine beliebige Abweichung der Mitte des Striches von der optischen Achse der Einrichtung zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass Mittel zur Bestimmung der Winkelstellung des Abtastelementes vorgesehen sind, bei welcher das Bild eines Eichstriches auf den Blendenspalt fällt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein prinzipielles Schema der photoelektrischen Einrichtung,
Fig. 2 ein Abtastelement mit einem photoelektrischen Geber als Drehwinkelmesser des Abtastelementes,
Fig. 3 ein Abtastelement mit einem induktiven Geber als Drehwinkelmesser des Abtastelementes,
Fig. 4 ein Abtastelement mit einem kapazitiven Geber als Drehwinkelmesser des Abtastelementes.
Das Eichstrichmass 1 (Fig. 1) ist an einem Maschinenelement befestigt, z. B. am Ständer der Maschine.
Die an einem anderen beweglichen Element der Maschine angeordnete Lichtquelle 2 beleuchtet über einen Kondensor 3 Striche 4 des Eichmasses 1, wobei der Kondensor 3 ebenfalls am genannten beweglichen Element angeordnet ist. Die anderen Elemente der Einrichtung sind ebenfalls auf dem genannten beweglichen Maschinenelement angeordnet, ausser dem Eichmass 1.
Die Bilder der Striche des Eichmasses werden mittels eines optischen Systems 5 auf eine Spaltblende 6 projiziert, hinter welcher sich ein erstes photoelektrisches Element befindet. Zwischen dem Eichmass 1 und dem optischen System 5 liegt ein Abtastelement 8, z. B. eine planparallele Glasplatte. Das Abtastelement wird von einem Elektromotor (nicht dargestellt) um seine Achse gedreht, die parallel zu den Strichen 4 des Eichmasses 1 verläuft.
Als Drehwinkelmesser des Abtastelementes 8 dient eine zweite Spaltblende 9 mit einem zweiten photoelektrischen Element 10.
An dem Maschinenteil, an welchem das Abtastelement befestigt ist, ist auch ein optisches Element mit einem Raster 12 in Form eines Strichgitters angeordnet.
Das Bild des optischen Elementes wird mit Hilfe eines optischen Systems 11, das dem System 5 analog ist, auf das zweite photoelektrische Element projiziert.
Die Lichtquelle und der Kondensor, die den Raster 12 beleuchten, sind nicht gezeigt.
Eine weitere Lichtquelle 13 mit einem weiteren Kondensor 14 richtet ein Lichtbündel auf den unteren Teil 15 des Abtastelementes 8, der mit einer reflektierenden Schicht überzogen ist. Die von dem unteren Teil 15 des Abtastelementes 8 bei einem gewissen Drehwinkel desselben reflektierten Strahlen gelangen zu einer dritten Spaltblende 16 mit einem dritten photoelektrischen Element. Der genannte Drehwinkel des Abtastelementes dient als Anfang für das Ablesen der Verschiebung des Arbeitsorgans einer Werkzeugmaschine. Es ist eine elektronische Einrichtung 18 vorgesehen, die zur Fixierung eines solchen numerischen Wertes des Drehwinkels des Abtastelementes 8 bestimmt ist, bei dem das Bild eines Striches 4 zu der Spaltblende 6 gelangt.
Da die Grösse dieses Winkels dem Verschiebungsweg des jeweiligen beweglichen Arbeitsorgans der Werkzeugmaschine von dem Ableseanfangspunkt entspricht, können die Messergebnisse in Längeneinheiten dargestellt werden.
Wird der Abstand zwischen den Strichen des Rasters 12 so gross, dass man die vorgegebene Ablesungsgenauigkeit nicht erreichen kann, wird ein elektronischer Generator 19 verwendet, dessen Impulse den Zeitraum zwischen den den Strichen des Rasters 12 entsprechenden Impulsen ausfüllen.
Bei einem linear arbeitenden Abtastelement, das die Striche abtastet, ist es zweckmässiger, einfachere Messeinrichtungen für den Winkel des Abtastelementes zu verwenden.
So kann z. B. als ein einfacherer Drehwinkelmesser des Abtastelementes 8 ein photoelektrischer Geber (Fig. 2) eingesetzt werden, der eine mit Spalten versehene Scheibe 20 aufweist, die mit der Drehachse des Abtastelementes 8 gekoppelt ist. Durch die genannten Spalte der Scheibe 20 tritt das Licht der Lichtquelle 21 hindurch. Unter der Scheibe 20 ist dann eine Spaltblende 22 sowie ein photoelektrisches Element 23 angeordnet.
Als Drehwinkelmesser des Abtastelementes kann ebenfalls ein induktiver Geber (Fig. 3) eingesetzt werden, der eine aus magnetischem Werkstoff ausgeführte Scheibe 24 mit Zähnen aufweist. In einem Abstand von den Zähnen wird ein aus magnetischem Werkstoff ausgeführter Kern 25 mit einer Wicklung 26 angeordnet.
Ausser den oben genannten Drehwinkelmessern des Abtastelementes kann auch ein kapazitiver Geber eingesetzt werden, der eine gezahnte Scheibe 27 (Fig. 4) enthält, die mit der Achse des Abtastelementes 8 verbunden ist.
Die Scheibe 27 dient als erster Belag eines Luftkondensators, und der zweite Belag wird durch eine Metallplatte 28 gebildet, welche gegenüber den Zähnen der Scheibe 27 befestigt und mit einem Widerstand 29 verbunden ist.
Beim Betrieb der photoelektrischen Einrichtung gelangt das Bild der Lichtquelle 13, über den Kondensor 14 und nach der Rückstrahlung vom unteren Teil des Abtastelementes 8 bei Drehung des letzteren unter einem bestimmten Drehwinkel zu der Spaltblende 16.
Am Ausgang des Photoelementes 17 erscheint ein elektrisches Signal, das die elektronische Einrichtung 18 auslöst. Demzufolge bestimmt der genannte Drehwinkel des Abtastelementes den Anfang der Ablesung von Impulsen, die vom zweiten pliotoelektrischen Element 10 zu der Vorrichtung 18 gelangen. Die Impulse entstehen im Photoelement 10 dadurch, dass bei der Drehung des Abtastelementes 8 einmal dunkle und einmal helle Teile des Rasterbildes 12 die Spaltblende 9 erreichen.
Die Zählung der Impulse wird dann abgeschlossen, wenn das vom ersten photoelektrischen Element 7 ankommende Signal die elektronische Einrichtung 18 sperrt. Das Signal entsteht am Element 7 in dem Moment, wenn sich das Abtastelement 8 bei der Drehung um einen solchen Winkel vom Anfangspunkt der Able- sung dreht, bei dem das vom optischen System 5 erzeugte Bild des Striches 4 des Eichmasses 1 zur ersten Spaltblende 6 gelangt. Die Grösse dieses Winkels und folglich die Grösse der von der elektronischen Einrichtung 18 festgelegten Ablesung hängen von der jeweiligen Lage des Arbeitsorgans in bezug auf einen der Striche 4 des Eichmasses 1 ab.
Die Lichtströme von einem der Striche 4 des Eichmasses 1 und des Rasters 12 gehen durch analoge optische Wege hindurch; deshalb sind die Nichtlinearitäten, die durch einzelne Abtastelemente, z. B. durch eine planparallele Glasplatte, in der Bewegung der Bilder sowohl eines der Striche 4 als auch des Rasters 12 verursacht werden können, am Ausgang des optischen Systems ähnlich und gleichzeitig.
Die Feinheit der Teilung des Rasters 12 wird so gewählt, dass die erforderliche Ablesegenauigkeit erreicht wird. In den Fällen, in denen die erforderliche Feinheit des Rasters nicht erreichbar ist, kann man die vom photoelektrischen Element 10 abgegebenen und dem Raster 12 entsprechenden Signale dazu benutzen, um den Generator 19 zur Erzeugung von Füllimpulsen zu synchronisieren.
Die Länge der vom Generator 19 erzeugten Impulse - ausgedrückt in Längeneinheiten - soll die erforderliche Genauigkeit bei der Einstellung des Arbeitsorgans in die vorgegebene Koordinate gewährleisten. In diesem Falle zählt die elektronische Einrichtung 18 die Impulse, die vom Generator 19 kommen. Wenn das Abtastelement eines der Striche 4 eine linear arbeitende Vorrichtung ist, kann man als Drehwinkelmesser des Abtastelementes einen photoelektrischen Geber verwenden (Fig. 2). Dabei wird der Lichtstrom bei der Drehung des Abtastelementes 8 periodisch durch die Scheibe 20 unterbrochen, und am photoelektrischen Element 23 entstehen Signale, die nachher in der Zeit von Anfang bis zum Ende der Ablesung gezählt werden. Die Anzahl der Spalte in der Scheibe und der Durchmesser der Scheibe werden so gewählt, dass die notwendige Messgenauigkeit gewährleistet ist.
Wenn man den induktiven Geber als Drehwinkelmesser des Abtastelementes (Fig. 3) verwendet, wird sich die Spaltgrösse zwischen der Scheibe 24 und dem Kern 25 bei Drehung des Abtastelemente 8 in Abhängigkeit davon ändern, ob der Kern 25 gegenüber einem Zahn oder einer Zahnlücke der Scheibe 24 liegt. Dementsprechend ändert sich der durch den Kern 25 gehende Magnetfluss. Folglich erscheint in dem die Wicklung 26 durchfliessenden Strom eine Wechselstromkomponente.
Die Periodenzahl des Wechselstromes wird im Zeitraum von Anfang bis zum Ende der Ablesung gezählt.
In Fig. 4 ist ein Anwendungsbeispiel des kapazitiven Gebers als Drehwinkelmesser des Abtastelementes dargestellt.
Bei der Drehung des Abtastelementes 8 verändert sich periodisch der Abstand zwischen den Belägen 27 und 28 des Kondensators. Infolgedessen entsteht eine Wechselspannungskomponente am Widerstand 29. Die Wechselspannungsperioden werden im Zeitraum vom Anfang bis zum Ende der Ablesung gezählt.