CH630725A5 - Digital position-measuring device - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Positionsmesseinrichtung, mit einem inkrementalen Massstab, einer verstellbaren Ableseeinheit zur photoelektrischen Abtastung dieses Massstabes und einer Auswertungsstufe, die richtungsabhängig über zwei Zähler einer Anzeige- oder Steuereinrichtung steuert, und bei der den zwei Zählern eine Nullstellungssteuereinrichtung zugeordnet ist.

Derartige Positionsmesseinrichtungen können zur Längenmessung verwendet werden. Man kann auch bei Werkzeugmaschinen allen drei Raumkoordinaten Messeinrichtungen zuordnen und ähnliche Messeinrichtungen zur Winkelmessung verwenden. Meist erzeugt die verstellbare Ableseeinheit über ein Gitter, das die gleiche Teilung wie der Massstab aufweist, und mehrere photoelektrische Elemente, z.B. Photodioden oder Phototransistoren, die relativ zum Massstab um unganzzahlige Vielfache der Teilung versetzt sind und gemeinsam mit dem Gitter über die Ablesung verstellt werden, wenigstens zwei gegeneinander z.B. um 90° phasenverschobene Sinusspannungen, deren Wellenlänge der Teilung des inkrementalen Massstabes entspricht. Aus diesen sinusförmigen Ablesespannungen können durch Vervielfacherschaltungen und Interpolation Zählimpulse gewonnen werden, deren Anzahl gross ist im Verhältnis zu der Anzahl der überfahrenen Massstabeinheiten. Praktisch lässt sich also der inkrementale Massstab für die Anzeige elektronisch unterteilen. Aus den beiden versetzten Signalen kann man auch die eben vorhandene Verstellrichtung der Ableseeinheit gegenüber dem Massstab ermitteln und damit den bzw. die Zähler richtig auf Vorwärts- oder Rückwärtszählung steuern.

Bekannte Positionsmesseinrichtungen werden mit einem oder mit zwei Zählern gebaut. Auch in letzterem Fall ist bei diesen bekannten Einrichtungen nur die Anzeige des einen Zählers oder die Summe der Zählerergebnisse beider Zähler interessant. Durch die Verwendung von zwei Zählern sollen nur durch äussere Störungen hervorgerufene Zähl- und damit Messfehler vermieden werden. Zu diesem Zweck ist bei einer bekannten Ausführung jedem der beiden vorhandenen Zähler ein eigener, zum anderen paralleler Massstab mit einer eigenen Ableseeinheit zugeordnet, und es wird eine Schaltlogik vorgesehen, die wechselweise die von den beiden Ableseeinheiten einlangenden Signale der Zählung zuführt und bei Ausfall des einen Signales eine Warneinrichtung auslöst, die das Auftreten eines Zählfehlers anzeigt, so dass die Messung wiederholt werden kann.

Bei einer anderen Ausführung wird nur eine Ableseeinheit vorgesehen, und es sind zwei einander kontrollierende Zähler vorhanden. Der Hauptzähler zählt dabei jedes zugeführte Signal, wogegen der andere Zähler nur solche Signale zählt, die 5 gegenüber dem vorhergehenden Signal entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Tritt ein Störsignal auf, dann ergeben sich abweichende Zählerstände und es wird ein Fehlersignal ausgelöst. Für die eigentliche Messung interessiert nur der Zählerstand des Hauptzählers.

io Der Zählerstand kann, z.B. über Schieberegister und Treiberstufen, einer digitalen Anzeigeeinheit zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, von einem Hauptzähler aus unmittelbar eine halb- oder vollautomatische Steuereinrichtung für die Werkzeugmaschine zu betätigen, also dann, wenn 15 ein bestimmter voreingestellter Zählerstand erreicht wird, ein Steuersignal zu erzeugen, das die Steuereinrichtung der Maschine im Sinne einer Einleitung des nächsten Arbeitstaktes, z.B. des Abhebens des eben angestellt gewesenen Werkzeuges bzw. der Abstellung des Vorschubes für dieses Werkzeug, betätigt.

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Bisher sieht man am Massstab meist unmittelbar eine sogenannte Nullmarke vor. Von dieser Mullmarke aus werden dem Prinzip nach alle notwendigen Messungen vorgenommen. Bei Werkzeugmaschinen fällt nun praktisch nie die Nullmarke am 2j Massstab mit jener Stelle eines eingespannten Werkstückes zusammen, auf die nach einer Zeichnung od. dgl. die Hauptkoordinaten des Werkstückes bezogen bzw. beziehbar sind. Eine gegenüber dem Massstab eindeutig definierte Nullstelle ist anderseits unbedingt notwendig, um eine Aufsummierung des 3o Messfehlers zu vermeiden, jederzeit ein einwandfreies Nachmessen z.B. der Hauptmasse eines Werkstückes zu ermöglichen und um überdies bei auftretenden Fehlern einen eindeutigen Bezugspunkt zu haben, von dem aus die jeweiligen Sollmasse u. dgl. neu ausgemessen werden können. Es ist zu berücksichtigen, 35 dass praktisch jeder Digitalzähler beim Ausfall der Spannungsversorgung auf «Null» stellt. Überdies kann bei einem kurzfristigen Stromausfall dann, wenn die erwähnte Rückstellung unterbleibt, wegen des Fehlens der Stromversorgung trotz einer Relativverstellung der Ableseeinheit gegenüber dem Massstab 40 nicht gezählt werden und es käme dadurch zu einem Messfehler, unter Bezugnahme auf den festen Nullpunkt kann aber die Zählung wiederholt und damit die Messung richtiggestellt werden. Für exakte Messungen wird also jeweils der Nullpunkt angefahren und von ihm aus dann die Messimg durchgeführt. Bei diesen auf die feste Nullmarke bezogenen Messungen wird jeweils unter Berücksichtigung der Vorzeichen die Stumme aus den Abständen der einzelnen Bezugspunkte am Werkstück von der «Werkstücksnullmarke» und dem Abstand dieser Nullmarke von der Nullmarke des Massstabes gebildet. Um die Einstellung zu erleichtern, kann man auch einen Nullstellschalter vorsehen, der bei seiner Betätigung den Zähler und damit die Anzeige auf Null stellt. Dieser Nullstellschalter wird betätigt, wenn die Ableseeinheit z.B. genau auf den werkstückseigenen Nullpunkt, auf den sich die Hauptkoordinaten beziehen, eingerichtet ist. Man 55 sieht meist Handzähler oder sonstige Stelleinrichtungen vor, mit denen man den Abstand des nun gesetzten Nullpunktes vom Nullpunkt am Massstab festhält, damit für Nachmessungen bzw. eine Neueinstellung nach Ausfall der Versorgung wieder eine eindeutige Zuordnung zu dem Nullpunkt des Massstabes mög-60 lieh wird. Die erwähnte Speicherung hängt von der Genauigkeit der Bedienungsperson ab und kann daher mit Fehlern behaftet sein, die in die Messung eingehen.

Eine Messeinrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die einem festen Massstabpunkt zugeordnete 65 Nullstellungssteuereinrichtung mit dem einen, einen Hauptzähler bildenden Zähler verbunden ist, dass der Nullpunkt des anderen, einen Hilfszähler bildenden Zählers durch einen Tastschalter unabhängig vom Nullpunkt des Hauptzählers festlegbar

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ist, und dass die beiden Zähler über Steuerschalter wechselweise dann, wenn Abtasteinheit und Marke fluchten, auf einer weite-

an die Anzeige- bzw. Steuereinrichtung schaltbar sind. ren Leitung 4 ein «Nullimpuls» erhalten wird.

Durch den Parallelbetrieb der beiden Zähler können in je- Die Ableseeinheit 1 ist meist mit einer Auswertungseinheit der Stellung der Ableseeinheit Messergebnisse gegenüber zwei 5 über ein die Leitungen 2 bis 4 enthaltendes Kabel mit Steckverschiedenen Nullpunkten angezeigt werden. Der Hauptzähler 5 anschlüssen 6 für die Leitungen 2, 3,4 verbunden.

zeigt die jeweilige Stellung der Ableseeinheit gegenüber dem In der Auswertungseinheit ist an die Leitungen 2,3 eine festen Massstabpunkt oder einem sonstigen Festpunkt an. Der Vervielfacherstufe 7 angeschlossen, die aus den phasenverscho-Hilfszähler kann auf einen «Werkstücknullpunkt» eingestellt benen Signalen zunächst fünf gegeneinander verschobene Si-werden. Lässt man die Ableseeinheit bei dem beschriebenen gnale bildet, deren Phasenabstand also einem Fünftel der Mass-Fall soweit verfahren, bis der Hilfszähler Null anzeigt und schal- 10 stabteilung entspricht. Eine weitere Auswertungsstufe 8, die an tet man bei nun stillgesetzter Ableseeinheit auf die Anzeige des die Stufe 7 anschliesst, enthält eine Vervierfachungsschaltung, Hauptzählers um, dann kann man jederzeit nachprüfen, ob der die aus jedem der bei ihr einlangenden Signale vier Zählimpulse angezeigte Abstand des gesetzten Nullpunktes vom gegebenen, in gleichen Phasenabständen voneinander ableitet. Ferner ist in festen Nullpunkt mit den ursprünglichen Werten überein- der Stufe 8 ein Richtungsdiskriminator vorgesehen, der bestimmt, also ob richtig gemessen wurde. i5 stimmt, welches der beiden Eingangssignale dem anderen vor-Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den einen Zähler eilt, also ob die Ableseeinheit nach rechts oder links (vorwärts auf den Werkstücknullpunkt zu setzen, so dass z.B. von diesem oder rückwärts) gegenüber dem Massstab verstellt wird. Parallel Nullpunkt aus die Hauptmasse eines Werkstückes entsprechend zueinander liegen an der Stufe 8 zwei Richtungsumschalter der Zeichnung eingestellt oder bestimmt werden können. Viel- 9,10, welche über Leitungen 11,11a, 12,12a Zählimpulse für fach gehen vom Ende solcher Hauptmasse weitere kleinere 2o die Vorwärts- bzw. Rückwärtszählung erhalten.

Masse aus. Bezieht man sich nur auf einen Nullpunkt, dann An den Richtungsumschalter 9 schliesst ein Hauptzähler 13

müssen diese kleineren, auf das Ende eines Hauptmasses bezo- an, der seinerseits mit einer Anzeigeeinrichtung 14 in Verbin-

genen Masse wieder auf den einen Nullpunkt unter Berücksich- dung steht. Denkt man sich die Leitungen 1 la, 12a und den tigung der Vorzeichen umgerechnet werden, wodurch entweder Richtungsumschalter 10 weg, so bilden die übrigen Teile eine die Zeichnung kompliziert wird oder, wenn die entsprechenden 25 normale Auswertungsstufe. Diese Auswertungsstufe kann über

Masse in der Zeichnung fehlen, durch die Umrechnung eine einen an die Leitung 4 anschliessbaren Nullimpuls-Auswerter

Fehlerquelle gegeben wird. Wenn man nun den zweiten Zähler 15 jeweils dann, wenn der Nullimpuls auftritt, einen Steuerim-

dann, wenn der erste Zähler auf der dem eingestellten Haupt- puls erhalten, der den Zähler 13 und damit die Anzeige 14 auf mass entsprechenden Stufe ist, nullt, dann kann man von diesem den Wert «Null» stellt.

gesetzten Nullpunkt das nächste angegebene Mass wählen und 30 Beim Ausführungsbeispiel ist eine Variante vorgesehen, bei dadurch, dass man diesen zweiten Zähler auf die Anzeige schal- der ein Vorwählschalter 16 einerseits und ein selbsttätiger Um-

tet, anzeigen, wann die Ableseeinheit den entsprechenden Schalter 17 anderseits zusätzliche Einstellungen ermöglichen.

Massstabpunkt erreicht hat. Eine Umschaltung auf den ersten Der Umschalter 17 kann über Druckknopfschalter 18,19,20,

Zähler, d.h. die Anzeige des ersten Zählers, gibt dann eine An- 21 aus- und eingeschaltet sowie auf bestimmte Werte eingestellt zeige des Absolutmasses des erreichten Punktes, bezogen auf 3s werden.

den Nullpunkt des ersten Zählers. Die Nullung des zweiten Man kann zunächst den Absolutabstand zwischen der

Zählers kann beliebig oft wiederholt werden. Man kann prak- Werkstücknullstelle und der Nullstelle am Massstab bestimmen tisch auf die beschriebene Weise ohne lange Umrechnungsar- und über den Vorwählschalter 16 einspeichern, so dass, je nach-

beit kleinste Toleranzen bei der Bearbeitung einhalten. Es wird dem, welche der Tasten 18 bis 21 gedrückt ist, der Zähler 13

nicht mehr notwendig, jedesmal Referenzmarken am Massstab 40 entweder beim Überfahren der Massstabnullmarke oder beim anzufahren. Überfahren der Werkstücknullmarke automatisch auf Null ge-

An wenigstens den einen der beiden Zähler und die Ablese- stellt wird.

einheit der Messeinrichtung kann eine zusätzliche, mit einer Ergänzend sind der zusätzliche Richtungsumschalter 10 und Batterie ausgestattete Notstromversorgungseinrichtung ange- neben dem Hauptzähler 13 ein Hilfszähler 22 vorgesehen, der schlössen sein, so dass für diesen Zähler ein Nullpunkt durch 45 wahlweise mit der Anzeige 14 verbunden werden kann. Der Schalterbetätigung gesetzt werden kann, der, da ein Stromaus- Zählbeginn, also der Nullpunkt des Zählers 22, kann über einen fall verhindert wird, bis zur neuerlichen Schalterbetätigung sei- Tastschalter 23 an beliebiger Stelle eingestellt werden. Es ist ne eindeutige Zuordnung zum Massstab behält. Man kann also also ohne weiteres möglich, ja sogar wahrscheinlich, dass der auf die mechanische Referenzmarke verzichten. Auch wenn die Hauptzähler 13 noch positiv anzeigt, am Hilfszähler 22 aber Maschine bei einem Werkstück, dessen Bearbeitung mehrere so eine negative Anzeige aufscheinen kann, da über den dort ein-Tage benötigt, abgestellt wird bzw. die Hauptstromversorgung gestellten Nullpunkt zurückgezählt wurde und umgekehrt. We-ausfällt und während des Stromausfalles eine Verstellung der gen dieser Möglichkeiten sind verschiedene Richtungsumschal-Ableseeinheit gegenüber dem Massstab stattfindet, bleibt der ter 9 und 10 notwendig, und es ist überdies der Zählrichtungs-gesetzte Nullpunkt eindeutig definiert und die Einstellung auf Umschalter 9 über eine Leitung 24 mit dem Hilfszähler 22 ge-diesen Nullpunkt ist immer wieder reproduzierbar. 55 koppelt, wodurch auch eine eindeutige Synchronisierung der In der Zeichnung ist eine erfindungsgemässe Positionsmess- Zähltakte der beiden Zähler 13,22 erreicht wird. Drückt man einrichtung im Blockschaltschema veranschaulicht. einen weiteren als Steuerschalter dienenden Tastschalter 25, Die Messeinrichtung besitzt eine Ableseeinheit 1, die ent- dann wird der Zähler 22 mit der Anzeige 14 verbunden und lang eines nicht dargestellten inkrementalen Massstabes ver- dort scheinen jetzt die Zählergebnisse, bezogen auf den eingefahrbar ist und dabei diesen Massstab über gegeneinander ver- 60 stellten Nullpunkt des Zählers 22, auf. Weitere als Steuerschal-setzte lichtempfindliche Einrichtungen, z.B. Photodioden als ter dienende Tastschalter 26,27 ermöglichen es, wahlweise den Lichtquellen und Phototransistoren als Aufnehmer, photoelek- Hauptzähler 13 auf den Nullimpuls der Leitung 4, also auf Nul-trisch abtastet, so dass an zwei Ausgangsleitungen 2 und 3 der lung beim Auftreten dieses Impulses einzustellen oder diesen Ableseeinheit gegeneinander phasenverschobene sinusförmige Nullimpuls abzuschalten und dafür auch den Hauptzähler 13 an Spannungen erhalten werden, deren Wellenlänge der Massstab- 6s beliebiger Stelle ebenfalls zu nullen.

teilung entspricht. Am Massstab ist ferner eine Nullmarke vor- Nach einer Ausführungsvariante kann man auf die Nullmar-

handen, die über eine weitere, als Nullstellungssteuereinrich- ke am Massstab verzichten und einen wählbaren Nullpunkt vor-

tung dienende Abstasteinheit abgetastet werden kann, so dass sehen. Zu diesem Zweck wird, da diese Nullmarke dem Mass-

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Stab für die jeweilige Messung immer und eindeutig zugeordnet bleiben muss, eine Notstromversorgung zusätzlich zur Hauptstromversorgungseinrichtung vorgesehen, die wenigstens den die beschriebene Nullstellungssteuereinrichtung aufweisenden Zähler und die Ableseeinheit 1 beim Ausfallen der Hauptstromversorgung weiter versorgt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

630 725 PATENTANSPRÜCHE

1. Digitale Positionsmesseinrichtung mit einem inkrementa-len Massstab, einer verstellbaren Ableseeinheit zur photoelektrischen Abtastung dieses Massstabes und einer Auswertungsstufe, die richtungsabhängig über zwei Zähler eine Anzeigeoder Steuereinrichtung steuert und bei der den zwei Zählern eine Nullstellungssteuereinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einem festen Massstabpunkt zugeordnete Nullstellungssteuereinrichtung (15) mit dem einen, einen Hauptzähler (13) bildenden Zähler verbunden ist, dass der Nullpunkt des anderen, einen Hilfszähler (22) bildenden Zählers durch einen Tastschalter (23) unabhängig vom Nullpunkt des Hauptzählers (13) festlegbar ist und dass die beiden Zähler (13,22) über Steuerschalter (25,26, 27) wechselweise an die Anzeige- bzw. Steuereinrichtung (14) schaltbar sind.

2. Digitale Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens den einen der beiden Zähler (13,22) und die Ableseeinheit (1) der Messeinrichtung eine zusätzliche, mit einer Batterie ausgestattete Notstromversorgungseinrichtung angeschlossen ist.