DD103056B1 - DEVICE FOR MEASURING SHIFTS - Google Patents
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Description
Einrichtung zum Messen von VerschiebungenDevice for measuring displacements
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zuu Messen von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, vorzugsweise von geradlinigen Verschiebungen von Schlitten an Meßgeräten und Werkzeugmaschinen,The invention relates to a device for measuring displacements of an object relative to a second object, preferably linear displacements of carriages on measuring instruments and machine tools,
Es ist eine Einrichtting zum Messen von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand bekann, bei welcher der erste Gegenstand mit einem als Maßverkörperung dienenden Reflexionsraster und der zweite Gegenstand mit einem lichtelektrischen Abtastsystem verbunden ist. Dieses Abtastsystem besteht aus einer Lichtquelle, aus optischen Abbildungssystemen und aus lichtelektrischen Bauelementen, Mit Hilfe dieses optischen Abbildung«systeme und dor Lichtquelle wird eine Stelle dos Rasters auf eine zweite Stelle des Rastors im Maßstab 1:1 nach dem Halbpupilienpz'izip über reflektierende Mittel so abgebildet, daß sich das Bild der ersten Stelle des Rasters bei der Bewegung desselben gegenüber dem Abtastsystem gcgensinnig zur zweiten Rastorstelle bewegt. Von der zweiten Rastor· stelle aus wird das Licht auf lichtelektrische Elemente geworfen»There is a device known for measuring displacements of an object relative to a second object, in which the first object is connected to a scale serving as a reflection grid and the second object is connected to a photoelectric scanning system. This scanning system consists of a light source, of optical imaging systems and of photoelectric components. With the aid of these optical imaging systems and the light source, a spot of the grid is scanned to a second position of the raster in the scale of 1: 1 according to the half-pupil epitome via reflecting means shown that moves the image of the first point of the grid in the movement of the same relative to the scanning gcgensinnig to the second Rastorstelle. From the second rooftop location, the light is thrown onto photoelectric elements »
Bei dor bekannten Einrichtung wird das Licht der Lichtquelle über einen Spiegel und über eine Linse, die zwischen dem Spiegel und dem Reflexionsraster angeordnet ist, auf das Raster geworfen* Das vom Raster zurückgeworfene Licht trifft nochmals auf diese Linse und wird über zwei Umlenkspiegel zu einer weiteren Linse geleitet und trifft auf eine weitere Rasterstelle,In the known device, the light of the light source is thrown onto the grid via a mirror and via a lens which is arranged between the mirror and the reflection grid. * The light reflected back from the grid hits this lens again and becomes another via two deflecting mirrors Guided lens and meets another raster point,
Zxiischen den Umlenkspiegeln ist eine weitere, als Feldlinse dienende Linse vorgesehen, die die Brennflächen der obigen beiden Linsen aufeinander abbildet.Zxiischen the deflecting mirrors another, serving as a field lens is provided, which images the focal surfaces of the above two lenses to each other.
Diese Einrichtlang hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß das gesaate optische System sehr empfindlich ist gegen Defokussierungen, die durch den Rasterraaßstab und dem Abtastsystem bewirkt werden· Es müsson deshalb an die Führungsgenauigkeit hohe Anforderungen gestellt werden, um eine hohe Abtastgenauigkeit zu erzielen. Weiterhin ist die Zentrierung des gesamten aus Linsen und Spiegeln bestehenden optischen Systems nur mit erhöhte'm Aufwand zu erzielen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch die gestockte Anordnung der einzelnen Spiegel und Linsen eine flache, gedrungene Bauweise niclit erzielbar ist.This Einrichtlang has the considerable disadvantage, however, that the gesaate optical system is very sensitive to defocusing, which are caused by the raster ruler and the scanning system · It must therefore be made high demands on the guide accuracy in order to achieve a high scanning accuracy. Furthermore, the centering of the entire consisting of lenses and mirrors optical system can be achieved only with increased'm effort. Another disadvantage is that a flat, compact construction is not achievable by the staggered arrangement of the individual mirrors and lenses.
Es ist deshalb Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine raumsparende, verlässige Einrichtung zuiH Messen von Verschiebungen zu schaffen»It is therefore an object of the invention to overcome the drawbacks of the prior art and to provide a space-saving, reliable means for measuring displacements »
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen zu schaffen, die weitestgehend unempfindlich gegenüber Defokussierungen ist und bei welcher durch eine vorteilhafte Anordnung der optischen Bauelemente eine gedrungene Bauweise erzielbar ist,The invention has for its object to provide a device for measuring displacements, which is largely insensitive to defocusing and in which a stout construction can be achieved by an advantageous arrangement of the optical components,
Erfindungsgemß wird die Aufgabe bei einer Einrichtung zum Messen der Verschiebung eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, wobei mit Hilfe optischex' Systeme und der Lichtquelle eine Stelle des Rastermaßstabes auf eine zweite Stelle des Rastermaßstabes über reflektierende Mittel abbildbar ist, und, daß in dem Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang ein vorzugsweise symmetrisch aufgebautes tolezentriscJhes Objektiv und zwischen diesem Objetiv und dem Maßstab strahlenumlenkende Prismen vorgesehen sind, und daß ein weiteres optisches Glied als Abbildungsoptik für ein durch Überlagerung der zweiten Stelle des RastermaßstabesAccording to the invention, the object of the invention is a device for measuring the displacement of an object relative to a second object, wherein a position of the screen scale can be imaged by means of optical systems and the light source to a second position of the screen scale by means of reflection; and imaging beam path a preferably symmetrically constructed tolezentrijJhe lens and between this objetiv and the scale radiation deflecting prisms are provided, and that a further optical element as imaging optics for by superimposing the second position of the grid scale
mit dem Bild der ersten Stelle des Rastermaßstabes entstehendes Signalbild auf fotoelektrische Empfänger vor-signal image formed on the image of the first digit of the screen scale is projected onto photoelectric receivers.
gesehen ist, dadurch gelöst, daß in dem parallelen Strahlengang des telezentrischen Objektives eine als Halbkreisblende ausgebildete telezentrisch^ Blende und ein bis zur optischen Achse in den Strahlengang hineinragendes verspiegeltes Dachprisnia vorgesehen sind·is seen, solved in that in the parallel beam path of the telecentric lens designed as a semicircular aperture telecentric aperture ^ and an up to the optical axis projecting into the beam path mirrored Dachprisnia are provided ·
Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt den großen Vorteil, daß dvtrch die Anordnung eines telezentrischen Objektivs das gesamte optische Abtastsystem weitgehend unempfindlich gegen durch Führungsbahnfehler verursachte Abstandsänderungen zwischen dem Rastermaßstab und dem Abtastsystem ist und demzufolge hierbei keine Defokussierungen auftreten, die zu Änderungen des Jlbbildungsmaßs tabes bei der* Abbildung der einen Rasterstelle auf die zweite führen und an den lichtempfindlichen Empfängern unscharfe elektrische Signale entstehen lassen, deren Auswertung bzw« weitere Verarbeitung erhöhten Aufwand fordern würde» Das beschriebene telezentrisch^ System- gewährleistet einen konstanten Abbildungsmaßstab, wodurch sich konstante Phasenlagen der Signalausgänge ergeben. Ein weiterer Vorteil besteht darinT daß durch die in einer Ebene angeordneten Bauelemente eine gedrungene, raumsparende Meßeinrichtung geschaffen wird· Auch ist eine einfache, ökonomische Zentrierung der optischen Bauelemente gewährleistet.The device according to the invention has the great advantage that the arrangement of a telecentric lens the entire optical scanning system is largely insensitive to guideway error caused changes in distance between the grid scale and the scanning system and consequently no defocusing occur here, the changes in Jlbbildungsmaßs tabes in the * Figure one raster point lead to the second and cause the light-sensitive receivers blurred electrical signals whose evaluation or "further processing would require increased effort" The described telecentric system ensures a constant magnification, resulting in constant phase angles of the signal outputs. A further advantage is that by the T arranged in a plane components a squat, space-saving measuring device is created · Even a simple, economic, centering of the optical components is ensured.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werdejo. In der zugehörigen ZeichnungThe invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment. In the accompanying drawing
Fig. 1 die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Einrichtung in SeitenansichtFig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the device in side view
Fig. 2 dazu die Anordnung in DraufsichtFig. 2 to the arrangement in plan view
Die Einrichtung nach Fig. 1 und Fig. 2 zur Messung von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, z.B. eines Werkzeugmaschinenschlittens gegenüber dem Werkzeugmaschinenbett, zur Einstellung des Schlittens in eine bestimmte Position, umfaßt eine ausThe device according to Fig. 1 and Fig. 2 for measuring displacements of an object relative to a second object, e.g. a machine tool carriage relative to the machine tool bed, for adjusting the carriage in a certain position, comprises one
optischen und. Xichtelektrischen Bauelementen bestehende Abtastvorrichtung und einen, vorzugsweise im Werkzeuginas chin enbett angeordneten, als Reflexionsraster ausgebildeten und als Maßverkörperung dienenden Rasterniaßstab 1.optical and. Xichtelektrischen components existing scanning and a, preferably in Werkzeuginas chin s bed arranged, designed as a reflection grid and serving as a measuring scale Rasterniaßstab. 1
Das optische System zur Abbildung einer ersten Stelle des Rastermaßstabes 1 auf eine zweite Stelle besteht u,a, aus einer Beleuchtungsquelle 2, einem Kondensor 3» einem vorzugsweise als Prisma rait spiegelnden Flächen ausgebildeten Umlenkglied h sowie einem Symmetrisch gestalteten telezentrischen Objektiv, welches aus den Gliedern 5,6,7 und 8 besteht« In der Mitte des telezentrischen Objektivs sind eine als Halbkreisblende ausgebildete telezentrische Blende 9 und ein bis zur Mitte in den Strahlengang des telezentrischen Objektivs hinoinragendos verspiegeltes Dachprisma 10 angeordnet.The optical system for imaging a first location of the grid scale 1 to a second location consists u, a, of a lighting source 2, a condenser 3 "preferably designed as a prism rait reflecting surfaces deflecting h and a symmetrically designed telecentric lens, which consists of the links 5,6,7 and 8 is in the middle of the telecentric lens designed as a half-circle aperture telecentric aperture 9 and a hinoinragendos to the middle in the beam path of the telecentric lens mirrored roof prism 10 is arranged.
Das von der Beleuchtungsquelle 2 ausgehende, den Kondensor durchlaufende Licht wird von der Fläche 11 des Urnlenkgliedes h auf die Fläche 12 des Dachprisiaas geleitet. Von dort aus erfolgt über eine Ilalbpupille des linken Teiles des telezentrischen Objektivs, also über die Glieder 5 und 6 ( Fig,2), und über ein Pentaprisma 13 die Auflichtbeleuchtung der ersten Stelle lh des Rastermaßstabes 1, Nach Reflexion des Lichtes an dieser Steile lh erfolgt mit dem rückwärts verlaxif enden Strahlengang über die obere Halbpupille (Fig,2) des telezentrischen Objektivs und über ein 90° -Prisma 15 die Abbildung dieser ersten StelJ ѳ ±h auf die zweite Stelle іб des Rastermaßstabes (Fig.l), Von hier aus werden sowohl die Stelle 16 des Rastermaßstabes 1 als auch das Bild der Stelle l4 über das 90°-Prisma 15 und eine Halbpupille der Glieder 7 und 8 des telezentrischen Objektivs, über die Fläche 17 des Dachprisma 10 und die Fläche des Uinlenkgliedes h sowie über das optische Glied 18 auf die lichtelektrischen Empfänger 19 und 20 abgebildet« Hierbei bewirken die beiden in dem Strahlengang angeordneten, schwach ablenkenden Keile 21 und 22, die für -die abgebildeten Stellen lh und X6 des Rastermaßstabes 1 eine Trennung in zwei Teilbildar mit ^T /4-Versetzung ergeben, den für die Bestimmung der Bewegungsrichtung des AbtastsystemsThe light emanating from the illumination source 2, the light passing through the condenser is guided by the surface 11 of the Urnlenkgliedes h on the surface 12 of the Dachprisiaas. From there, via a Ilalbpupille the left part of the telecentric lens, ie via the members 5 and 6 (Fig, 2), and a Pentaprisma 13, the incident illumination of the first location lh of the grid scale 1, After reflection of the light at this Steep lh with the backward verlaxif end of the beam path over the upper half-pupil (Fig, 2) of the telecentric lens and a 90 ° prism 15, the mapping of this first StelJ h h to the second point іб the grid scale (Fig.l), From here From both the point 16 of the grid scale 1 and the image of the point l4 on the 90 ° prism 15 and a half-pupil of the links 7 and 8 of the telecentric lens, on the surface 17 of the roof prism 10 and the surface of the Uinlenkgliedes h and the optical member 18 on the photoelectric receiver 19 and 20 shown here cause the two arranged in the beam path, weakly deflecting wedges 21 and 22, for the illustrated positions lh and X6 of the screen scale 1 give a separation into two sub-images with ^ T / 4 offset, that for the determination of the direction of movement of the scanning system
gegenüber dem Rastermaßstab 1 erforderlichen Phasenversatz von 7t /Z an den lichtelektrischen Empfängern 19 und 20.with respect to the grid scale 1 required phase shift of 7t / Z at the photoelectric receivers 19 and 20th
Durch die Anwendung des Halbpupillenprinzips sowohl im Beleuchtungs- als atich im Abbildungsstrahlengang in Verbindung mit einem symetrischen telezentrischen Objektiv übernehmen Objektiv bzw. Teile dieses Objektivs in vorteilhafter Weise mehrere Funktionen· So wird mit der einen Ilalbpupille des linken Teils 5» 6 dos telezentrischen Objektivs in Verbindung mit dem Kondensor 3 der Rastermaßstab 1 beleuchtet. Über die obere Halbpupille ( Fig.2) des gesamten telezentrischen Objektivs erfolgt die Abbildung der Stelle l4 des Ilastermaßstabes 1 auf die Stelle 16 im Abbildungsmaßstab 1:1, wobei durch die Verwendung eines telezentrischen Strahlenganges und der als Halbkreisblende ausgebildeten telezentrischen Blonde 9 eine weitgehende Unabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von Abstandsänderungen'zwischen dem Abtastsystem und dem Rastermaßstab 1 erzielt wird. Diese Abstandsänderungen beitfirken auch Defokussierungon und sind durch Führungsbahnfehlcr bedingt. Gegen diese Defokussierungen ist bekannterweise die telezentrische Abbildung weitestgehend unempfindlich. Die eine Halbpupillo des rechten Teiles des telezentrischen Objektivs bewirkt in Vorbindung mit dem optischen Glied IS die Abbildung der Stelle 16 des Rastermaßstabes 1 zusammen mit dem Bild der Stelle I^ des Rastermaßstabes 1 auf die lichtelektrischen Empfänger 19 und 20. Durch diese kombinierte Art der Strahlenführung ist es möglich, eine raumsparende, gedrungene Bauweise bei dar Einrichtung zum Messen von Verschiebungen zu verwirklichen. Desweiteren ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Bauteile 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 15 zueinander gut zu zentrieren, indem sie beispielsweise in einem Rohr angeordnet sind·By using the half-pupil principle both in the illumination and atich in the imaging beam path in conjunction with a symmetric telecentric lens lens or parts of this lens take over several functions in an advantageous manner · Thus, with the one Ilalbpupille the left part 5 "6 dos telecentric lens in combination illuminated with the condenser 3 of the grid scale 1. On the upper half-pupil (Figure 2) of the entire telecentric lens, the image of the position l4 Ilastermaßstabes 1 to the point 16 in the image scale 1: 1, wherein by the use of a telecentric beam path and formed as a semicircular aperture telecentric blonde 9 is largely independent of the magnification of distance changes' between the scanning system and the screen scale 1 is achieved. These changes in distance also contribute to defocusing and are due to guideway failure. As is well known, telecentric imaging is largely insensitive to these defocusing. The one half-pupillo of the right-hand part of the telecentric lens causes, in connection with the optical element IS, the image of the location 16 of the grid scale 1 together with the image of the location I 1 of the grid scale 1 on the photoelectric receivers 19 and 20. By this combined type of beam guidance It is possible to realize a space-saving, stocky construction in the device for measuring displacements. Furthermore, it is possible by simple means, the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 15 to center each other well, for example by being arranged in a tube ·
Die Weiterverarbeitung der an den lichtelektrischen Bauelementen 19 und 20 gewonnenen elektrischen Signale erfolgt in bekannter Weise, indem mit schaltungsteelinischen Mitteln eine Impulsvervielfachung vorgenommen wird« Die gewonnenen wegproportionalen Zählimpulse werden über eine Zählrichtungsdiskriminator einer Vor-Hüclcwärts-Zählerschaltung zugeführt.The further processing of the electrical signals obtained at the photoelectric components 19 and 20 takes place in a known manner by impulse multiplication by means of circuit-linear means. The obtained proportional counter-pulses are supplied via a counting-direction discriminator to a forward-counter circuit.
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