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Meßvorrichtung mit zwei optischen Gittern Die Erfindung befaßt sich
mit einer Meßvorrichtung mit zwei im Wege der Lichtstrahlen von einer Lichtquelle
zu einer oder mehreren photoelektrischen Zellen hintereinander angeordneten und
in ihren Ebenen parallel zueinander bewegbaren optischen Gittern mit gleicher Gitterkonstante
und mit einer die Lichtimpulse der Zellen auswertenden Zähleinrichtung. Diese Vorrichtung
dient zur genauen Längenmessung, so z. B. für wissenschaftliche Zwecke, bei denen
Genauigkeiten bis 1/400 mm gefordert werden. Mit der Vorrichtung können auch automatische
Werkzeugmaschinen gesteuert werden, bei denen ebenfalls Längenmessungen in der genannten
Größenordnung erforderlich sind.
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Bei einer bekannten Meßvorrichtung dieser Art wird das Licht über
ein festes Gitter und ein dazu paralleles, in seiner Ebene hin- und herbewegbares
Gitter einer photo elektrischen Zelle zugeführt, die die aufgenommenen Impulse an
eine Zähleinrichtung weiterleitet. Mit dieser Vorrichtung ist es einmal nur möglich,
absolute Längenänderungen zu messen, also unabhängig von der Richtung der Abweichungen.
Auch erreicht die bekannte Vorrichtung nicht die obenerwähnte Meßgenauigkeit.
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Demgegenüber besteht bei einer Meßvorrichtung mit zwei optischen
Gittern die Erfindung darin, daß sich Teilflächen der beiden Gitter unterschiedlich
überdecken.
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Da für die Messung bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildungmindestens
zwei Meßpunkte herangezogen werden, ist es möglich, neben der absoluten Längenänderung
auch die Richtung der Änderung zu bestimmen und darüber hinaus die Meßgenauigkeit
zu erhöhen.
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Vorzugsweise besteht das eine Gitter der Meßvorrichtung aus mehreren
nebeneinanderliegenden Teilgittern, die in bezug auf das andere Gitter unterschiedlich
versetzt sind. Dabei kann jedem Teilgitter eine photoelektrische Zelle zugeordnet
sein.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind
vier Teilgitter vorgesehen, die gegeneinander um. ein Viertel der Gitterkonstante
versetzt sind.
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Die beiden Gitter können bei der Meßvorrichtung nach der Erfindung
auch unter einem Winkel zueinander stehen Eine Ausführungsform sieht dabei vier
an Stellen unterschiedlicher Überdeckung der Gitter angeordnete photoelektrische
Zellen vor.
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Die Erfindung sieht des weiteren eine zweikanalige Auswerteinrichtung
mit zwei Zählern für verschiedene Bewegungsrichtungen des einen Gitters vor.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der photoelektrischen
Meßvorrichtung und eines zugehörigen Anzeigegerätes, Fig. 2 eine schematische Darstellung
des photoelektrischen Meßkopfträgers und der Meßkopfanordnung,
Fig. 3 eine vergrößerte
Darstellung eines Teiles der Fig. 2, Fig. 4 eine perspektivische Darstellung, von
der Linie 44 der Fig. 2 aus gesehen, Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der auf
dem Meßträger und dem Ablesekopf angeordneten Gitterlinien in einer Stellung, in
der die Lichtstrahlen durchgelassen werden, Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung
der auf dem Meßträger und dem Ablesekopf angeordneten Gitterlinien in einer Stellung,
in der die Lichtstrahlen nicht durchgelassen werden, Fig 7 ein Blockschaltbild der
Vorrichtung, in der die von der photoelektrischen Meßkopfanordnung erzeugten Impulse
ausgewertet werden, Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild der Photoröhrenbrücke, Fig.
9 eine graphische Darstellung der von den Kippventilen der Fig. 7 erzeugten Signale,
Fig. 10 ein schematisches Schaltbild des logischen Netzwerkes 28 der Fig. 7, Fig.
11 eine perspektivische Darstellung eines reflektierenden Gitterträgers, Fig. 12
eine schematische Darstellung einer Photozelleneinrichtung mit unterbrochenen Lichtstrahlen,
Fig. 13 eine Darstellung einer Anordnung, bei der ein einziges Gitterwerk verwendet
wird.
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Gemäß Fig. list auf einem Arbeitstisch 1 ein Meßträger 2 angeordnet,
der von einer Meßkopfanordnung 3 abgefahren wird. Diese Anordnung übermittelt eine
Anzeige der durchwanderten Strecke ja und die Richtung einem Anzeigegerät 4, das
einen rechten Zähler 5, einen
linken Zähler 6 und verschiedene elektronische
Einrichtungen 7, wie die Energieversorgung, Verstärker und das später beschriebene
logische Netzwerk, aufweist. Über die Länge des Meßträgers 2 hinweg erstreckt sich
ein erstes Gitter 10. Dieses Gitter kann aus angerissenen oder eingeätzten Linien
bestehen, die beispielsweise auf den Meßbalken von einer Liniiermaschine aufgebracht
worden sind. Der Meßbalken kann aus Glas oder geschmolzenem Quarz bestehen. Die
Gitterlinien machen das Glas oder das Quarz an diesen Stellen reflektierend und
etwas lichtundurchlässig. Zwischen benachbarten Linien können noch Lichtstrahlen
hindurchtreten. Die Gitter können auch mit Hilfe photographischer Reproduktion mit
20 Linien pro Millimeter und mehr hergestellt werden.
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Ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Meßträgers besteht darin,
eine Glasplatte über einer Flamme anzurußen und eine Kante mit Alkohol anzufeuchten.
Der Alkohol breitet sich über dem Rußfilm aus, und nach dem Trocknen können darauf
Linien mit einer scharfen Stahlspitze unter Verwendung einer Teilmaschine gezogen
werden. Um eine spätere Beschädigung zu verhindern, kann das Gitter durch eine dünne
Glasplatte abgedeckt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Meßträger
2 aus einem plastischen Material bestehen.
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Schließlich kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem auf einen
mit angeritzten Linien versehenen Träger ein lichtundurchlässiges Material aufgetragen
und danach abgewischt wird, wobei das lichtundurchlässige Material in den Rillen
zurückbleibt.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Meßkopfanordnung 3 der Fig. 1. Das von
der Lichtquelle 8 kommende Licht wird von einem Kondensor 9 in parallelen Strahlen
durch den lichtdurchlässigen Träger 2 zum Ablesekopf 11 geleitet, der ein zweites
Gitter aus Teilgittern 12a, 12b, 12c und 12d enthält, das die gleiche Gitterkonstante
wie der Meßträger 2 hat. Den Teilgittern 12a bis 12d sind photoelektrische Zellen
13, 14, 15 und 16 zugeordnet.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Kondensors 9, des Meßträgers
2 und der photoelektrischen Zelle 13. Die Übertragung des Lichtes auf die Zelle
hängt von der relativen Lage der Gitter des Meßträgers 2 und des Meßkopfes 3 ab.
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Fig. 4 zeigt den Ablesekopf 11 und die Abschnitte des Gitters 12,
das in derselben Weise hergestellt sein kann, wie das Gitter 10 des Meßträgers 2.
Durch das Gitter 12 kann Licht nur zwischen den Linien gelangen.
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Fig. 5 zeigt, wie das Licht durch das Gitter des Meßträgers 2 und
durch das Gitter 12 des Meßkopfes geht, deren Linien 17 und 18 und die dazwischenliegenden
Flächen 19 und 20 einander gegenüberliegen. Da die Flächen 19 und 20 zusammenfallen,
wird Licht durch den Träger 2 und das Gitter 12 übertragen.
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Fig. 6 zeigt, wie die Übertragung des Lichts dadurch verhindert ist,
daß die Fläche 19 der Linie 18 gegenüberliegt, wodurch Licht nicht durch das Gitter
12 gelangt.
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Die von den photoelektrischen Zellen aufgenommenen Lichtimpulse werden
als binäre Zahlen ausgewertet.
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Enthalten die Gitter 20 Linien pro Millimeter, so nimmt jede photoelektrische
Zelle pro Millimeter relativer Verschiebung zwischen dem Gitter 12 der Meßkopfes
3 und dem Gitter 10 des Meßträgers 2 in der Meßrichtung, d. h. periodisch 20 Lichtimpulse
auf.
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Fig. 7 zeigt die Auswertungsvorrichtung für die von den photoelektrischen
Zellen abgegebenen Impulse. Die Vorrichtung enthält eine Brücke 21, die Impulse
aus den vier photo elektrischen Zellen aufnimmt und diese Impulse den Verstärkern
22 und 23 und danach den phasenempfindlichen Demodulatoren 24 und 25 zuführt, die
ihre Bezugsfrequenz aus dem Oszillator 31 in der Photoröhrenbrücke 21 (Fig. 8) erhalten.
Die Signale werden
von den Kippventilen 26 und 27 aufgenommen, die dem später beschriebenen
logischen Netzwerk 28 ein Signal zuführen, das dem einen Zähler 5 alle Bewegung
nach rechts und dem anderen Zähler 6 alle Bewegung nach links übermittelt.
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Fig. 8 zeigt eine Brückenschaltung der vier photoelektrischen Zellen
13, 14, 15 und 16. Der Oszillator 31 ist über den Transformator 32 mit der Mittelanzapfung
des Transformators 33 verbunden, über den den Trioden 34 und 35 die Anodenspannung
zugeführt wird. Die Gitterspannung der Röhren 34 und 35 wird durch die photoelektrischen
Zellen 13 und 14 gesteuert, wobei Spannungen an den Widerständen 36 und 37 abfallen.
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Dem Verstärker 38 werden Impulse entweder der einen Polarität A oder
mit der entgegengesetzten Polarität A' zugeführt, je nachdem welche photoelektrische
Zelle 13 oder 14 Licht aufnimmt und leitend wird. In der gleichen Weise werden dem
Verstärker 39 Impulse B oder B' (der einen oder der anderen Polarirät) zugeführt,
je nachdem welche der photoelektrischen Zellen 15 oder 16 Licht aufnimmt und leitend
wird.
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In Fig. 9 ist der Aufbau des logischen Netzwerkes 28 dargestellt.
Da sich gemäß der Erfindung Teilflächen der Gitter des Meßträgers und des Meßkopfes
unterschiedlich überdecken, nimmt die photo elektrische Zelle 14 kein Licht auf,
wenn die photoelektrische Zelle 13 Licht aufnimmt. Das Teilgitter 12 b befindet
sich um ein ungerades Vielfaches N der halben Gitterkonstante 2 vom Teilgitter 12a
entfernt. Die Teilgitter 12c und 12d sind gleichfalls um ein ungerades Vielfaches
der halben Gitterkonstante voneinander entfernt. Das Gitter 12c liegt um ein ungerades
Vielfaches des vierten Teiles der Gitterkonstante vom Gitter 12 b entfernt. Dadurch
nehmen die Zellen 15 und 16 gleiche Lichtmengen auf, wenn die Zellen 13 und 14 ungleiche
Lichtmengen aufnehmen, und umgekehrt.
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Auf Grund der räumlichen Lage der Zellen kann der Zustand der Kippventile
graphisch dargestellt werden.
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Die Kippventile werden von den von jeder photoelektrischen Zelle abgegebenen
Impulsen gesteuert, wie aus der Fig. 9 ersichtlich, in der auf der Ordinate die
Spannung E und auf der Abszisse die relative Bewegung der Zellen in bezug auf den
Meßträger aufgetragen sind. Ist die Zelle 13 leitend, so wird die Information A'
durch den einen Betriebszustand des Kippventils 26 dargestellt. Ist die Zelle 14
leitend, so erzeugt das Kippventil 26 die Information A wegen der relativen räumlichen
Anordnung der Zellen und deren Anschluß an die entgegengesetzten Enden des Transformators
33 (Fig. 8). Die vom Kippventil 27 erzeugte Rechteckwelle ist um 90" oder N4 gegen
die vom Kippventil 26 erzeugte Rechteckwelle versetzt. Die Lage B' wird vom Kippventil
27 durch dessen Betriebszustand angezeigt, der durch das Leiten der Zelle 15 eingestellt
wird, während die Lage B vom Kippventil 27 durch dessen anderen Betriebszustand
angezeigt wird, der durch das Leiten der Zelle 16 eingestellt wird. Eine vollständige
Rechteckwelle wird bei jeder Bewegung über 1/20 mm zwischen dem Meßkopf und dem
Meßstab erzeugt. Aus diesen beiden Rechteckwellen wird eine Gleichung unter Auswertung
der Impulse abgeleitet, die von jedem Betriebszustand der Kippventile und jedem
Wechsel des Zustandes der Kippventile dargestellt wird, um die Richtung anzuzeigen,
in der der Kopf in bezug auf den Meßstab wandert, und zwar ein Impuls für je durchwanderten
1/80 mm. Es sei a' ein Wechsel von A' nach A und a ein Wechsel von A nach A', während
b' ein Wechsel von B' nach B und b ein Wechsel von B nach B' sein soll. Aus Fig
9 kann nunmehr ein Gleichungssystem abgeleitet werden, das die Bewegung
des
Meßkopfes und des Meßträgers nach rechts oder nach links in bezug aufeinander gibt:
R = aB + bA' + a'B' + b'A (1) L = aB' + a'B + b'A' + bA, (2) wobei R eine Bewegung
nach rechts und L eine Bewegung nach links von 1/so mm bedeutet, die durch einen
Impuls angezeigt wird. Das Pluszeichen heißt »oder«, d. h., in der Gleichung (1)
oben tritt ein eine Rechtsbewegung anzeigender Impuls auf, wenn a und B, b und A',
a' und B' oder b' und A auftreten. A' und A, ebenso B und B' können nicht gleichzeitig
auftreten (Fig. 9).
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Da die Größen a, a', b und b' Ableitungen sind, muß in dem logischen
Netzwerk 28 ein Ableitungskreis vorhanden sein.
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Fig. 10 ist ein Schaltbild des logischen Netzwerkes 28, das die Impulse
A, A', B und B' aufnimmt und den Wert R dem rechten Zähler 5 und den Wert L dem
linken Zähler 6 zuführt. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich, daß im Betriebszustand
A' des Kippventils 38 der linke Zähler 6 über die Diode 40 von den aus einem Kondensator
41 und einem Widerstand 42 bestehenden Ableitungskreis einen Impuls aufnimmt. Eine
Spannung von -3 Volt an der einen Ausgangsleitung des Kippventils 38 stellt den
Betriebszustand dar und 0 Volt an der anderen Leitung keinen Betriebszustand. Wenn
sich das Kippventil 38 im Betriebszustand A befindet, erhält die Diode 54 eine Vorspannung,
die sie leitend macht, wobei der Impuls b' aus dem Kondensator 41 über die Leitung
43 und nicht über die Diode 40 läuft. Befindet sich jedoch das Kippventil 38 im
Betriebszustand A', so ist die Diode 54 nichtleitend, und der Impuls aus dem Kondensator
41 läuft über die Diode 40 und erreicht den linken Zähler 6. Die anderen Dioden
44, 45 und 46 führen ebenfalls dem linken Zähler 6 Impulse zu, während der rechte
Zähler 5 Impulse aus den Dioden 47, 48, 49 und 50 erhält.
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Die Niedergleichspannungsquelle 53 hält die an die Widerstände 42
und 55 angeschlossenen Leitungen unterhalb des Nullpotentials. Daher können Ausgangsimpulse
nur auf Leitungen auftreten, deren Diodenkathoden 54 und 56 Nullpotential aufweisen.
Die Dioden 51 und 52 lassen nur zu, daß positive Impulse die Zähler erreichen.
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Fig. 11 stellt die Verwendung von reflektierenden Gittern zum Unterschied
von durchlässigen Gittern dar.
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Der spiegelnde Meßträger 2 weist Linien auf, wobei die Flächen zwischen
den Linien das aufgenommene Licht senkrecht zurückwerfen, während die Linien das
Licht durchlassen. Aneinander angrenzend, sind vier Prismen 540, 550, 560 und 570
angeordnet, auf deren Vorderseiten durchlässige Gitter angebracht sind. Das von
der Quelle 8 kommende Licht wird durch den Kondensator 9 und durch die Prismen geleitet
und von jedem Prisma je nach der Ausrichtung des Gitters in bezug auf das Gitter
des Meßträgers reflektiert oder durchgelassen. Die vier Gitter auf den Prismen sind
voneinander um N2 und N4 der 2 4 Gitterkonstante entfernt. Die photoelektrischen
Zellen 13, 14, 15 und 16 sind so angeordnet, daß sie das von den Prismenflächen
reflektierte Licht aufnehmen.
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Es kann auch ein optisches System nach Fig. 12 verwendet werden,
bei dem eine einzelne Photozelle zeitlich
nacheinander zwei Gitter abliest. Das Licht
aus der Quelle 8 wird vom Kondensor 9 verteilt und zum Lichtstrahlenleiter 58 geleitet
und von diesem so aufgeteilt, daß es durch die Gitter 59 und 60 hindurchgeht. Entsprechend
der Anordnung des Verschlusses 61 und dessen beider Gitter 62 und 63 gelangt Licht
zuerst durch das eine Gitter und danach durch das andere Gitter. Danach nimmt die
Photozelle 64 das Licht auf, das durch den vom Motor 65 angetriebenen Verschluß
61 unterbrochen wird. Die Impulse der Photozelle 64 werden dem Demodulator 66 zugeführt,
der sie gemäß einer Bezugsfrequenz demoduliert. Die Bezugsfrequenz wird aus einem
von der gemeinsamen Energiequelle 68 betriebenen Frequenzvervielfacher 67 erhalten.
Der Demodulator 66 liefert eine Gleichspannung zum Steuern des Kippventils 26.
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Bei der Anordnung nach Fig. 13 wird ein einzelner Gitterabtastungskopf
benutzt. Die Gitterlinien 18 bilden mit den Gitterlinien 17 einen Winkel. Die vier
photoelektrischen Zellen 13, 14, 15 und 16 sind so angeordnet, daß sie Licht aus
den dargestellten Flächen aufnehmen.
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Die Zelle 13 nimmt eine Höchstmenge Licht auf, während die Zelle 14
einen Mindestwert und die Zellen 15 und 16 gleiche Werte aufnehmen. Jede Photozelle
erstreckt sich über einen weit größeren Linienbereich, als es dargestellt ist.