DE1093099B - Method and arrangement for measuring distances and angles - Google Patents
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Description
Verfahren und Anordnung zur Messung von Strecken und Winkeln Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen von Strecken und Winkeln sowie Steuern der Bewegung von Maschinen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, mit Hilfe von Feinmaßstäben, bei der durch optische Mittel Hell-Dunkel-Schaltungen erzeugt werden, die die Grundlage von Impulsen zur Zählung der bei der Messung zuräckgel egten Streckenelemente bilden.Method and arrangement for measuring distances and angles The invention relates to a method and arrangement for measuring distances and angles as well as controlling the movement of machines, for example machine tools, with the help of fine scales, in which light-dark switching by optical means can be generated, which is the basis of pulses for counting the backlash during the measurement egten track elements.
Zur Messung von Strecken gibt es eine große Anzahl bekannter Verfahren. Die älteren Verfahren benutzen im allgemeinen die Verschiebung einer Skala gegen eine Markierung, wobei der Meßwert meist subjektiv abgelesen wird. Bei diesen Methoden sind besonders störend die Teilungsfehler der Skala, die mit Hilfe von Korrekturtafeln umständlich ausgeglichen werden müssen. Ferner können zufällige Fehler durch den persönlichen Einfluß des Beobachters, Anderungen der Skalenbeleuchtung u. a. auftreten. There are a large number of known methods for measuring distances. The older methods generally use shifting a scale against a marking, whereby the measured value is usually read subjectively. With these methods are particularly disturbing the division errors of the scale with the help of correction tables have to be laboriously compensated. In addition, the personal influence of the observer, changes in the dial illumination, etc. appear.
In neuerer Zeit sind Verfahren bekanntgeworden, lei denen die Messung von Strecken durch Verwendung von Gittern oder Feinmaßstäben erfolgt. Bei diesen Verfahren ist die Anordnung so gewählt, daß ein bewegliches Gitter gegen ein ortsfestes Gitter gleicher Teilung oder gegen einen festen Spalt verschoben wird. Wenn die Gitter so dicht voreinander angeordnet sind, daß sie sich fast berühren, dann wird je nach der Stellung der Teilstriche der beiden Gitter zueinander Licht durch das Gittersystem hindurchtreten können oder abgeblendet werden; man erhält bei Bewegung eine optische Hell-Dunkel-Schaltung. Dadurch wird die zu messende Strecke in kleine Streckenelemente unterteilt, deren Länge einem Strichabstand entspricht. Durch Auszählung der Anzahl der Streckenelemente, die der zurückgelegten Strecke entsprechen, kann eine Aussage über die Länge der zu messenden Strecke gemacht werden. Man ist dabei bestrebt, die Streckenelemente durch Wahl eines kleinen Abstandes der Striche bzw. Spalte (Teilungskonstante) möglichst klein zu halten. In recent times, methods have become known, lei which the measurement of routes is done by using grids or fine scales. With these Method, the arrangement is chosen so that a movable grid against a stationary one Grid is shifted with the same pitch or against a fixed gap. If the Grids are so close together that they almost touch, then will depending on the position of the tick marks of the two grids to one another, the light shines through the Grille system can pass through or be masked; you get when moving an optical light-dark circuit. This will reduce the distance to be measured in small Section elements divided, the length of which corresponds to a line spacing. By counting the number of route elements that correspond to the route covered a statement can be made about the length of the route to be measured. One is there endeavors to reduce the route elements by choosing a small distance between the lines or Keep the column (division constant) as small as possible.
Ein bekanntes Verfahren verwendet z. B. feine Beugungsgitter, die nicht ganz parallel gestellt sind. Es entsteht dadurch eine Moiré-Interferenzerscheinang deren Hell-Dunkel-Streifen sich senkrecht zur Gitterbewegungsrichtung verschieben. Die Moiré-Erscheinung neigt bei diesem Verfahren zu »Sprüngen«, bedingt durch periodische Teilungsfehler und geringe Fiihrungsunregelmäß igkeiten. A known method uses e.g. B. fine diffraction gratings that are not quite parallel. This creates a moiré interference appearance whose light-dark stripes move perpendicular to the direction of movement of the grid. With this method, the moiré phenomenon tends to "jumps" due to periodic changes Pitch errors and minor management irregularities.
Alle Gitterverfahren wirken sich jedoch nachteilig aus. Zur Erzielung kleiner Streckenelemente ist man bestrebt, die Teilungskonstante klein zu halten, was wiederum einen geringen Abstand der Gitter voneinander erfordert. Dieser geringe Abstand führt leicht zu Beschädigungen und Verschleißerscheinungen. Will man die Beschädigungen der Gitterteilungen vermei- den, so ist man gezwungen, größere Gitterkonstanten zu wählen. However, all grid methods are disadvantageous. To achieve small track elements, efforts are made to keep the pitch constant small, which in turn requires a small spacing between the grids. This small one Distance easily leads to damage and signs of wear. Do you want that Avoid damaging the grids. one is forced to use larger lattice constants to choose.
Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung des sehr geringen Abstandes zwischen den Gittern besteht darin, daß man zwischen dem ortsfesten Gitter oder Spalt und dem beweglichen Gitter eine Optik anordnet und den Spalt bzw. die Gitterstriche auf dem beweglichen Gitter in einem großen Abstand voneinander abbildet. Eine solche Anordnung muß konstruktiv wesentlich stabiler ausgeführt werden, da die Lage der maßgebenden Elemente zueilnander sonst unsicher wird. Außerdem ist dabei eine exakte Korrektion der optischen Abbildungsfehler notwendig, was nur mit hochwertigen optischen Systemen möglich ist. Another way to avoid the very small distance between the grids is that between the fixed grid or Gap and the movable grating arranges an optic and the gap or the grating lines images on the movable grid at a large distance from each other. Such Arrangement must be made structurally much more stable, since the location of the other decisive elements would otherwise become unsafe. There is also an exact Correction of the optical aberrations is necessary, which is only possible with high-quality optical Systems is possible.
Alle bisher bekanntgewordenen Verfahren benötigen zur Erzeugung der Lichtimpulse zusätzlich zum weglichen Gitter oder Feinmaßstab ein zweites Gitter oder einen Spalt. Bei diesen Verfahren ist das kleinste durch die Hell-Dunkel-Schalturlg unmittelbar angezeigte Streckenelement gleich der Teilungskonstante des Fei nmaß stabes. All previously known methods need to generate the Light impulses in addition to the movable grating or fine scale a second grating or a crack. In this process, the smallest is through the light-dark switch Distance element displayed immediately equals the division constant of the fine dimension stabes.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Mängel zu seitigen und ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Strecken durch optische Hell-Dunkel-Schaltung zu schaffen, die mit nur einem Feinmaßstab arbeitet und bei der das kleinste unmittelbar angezeigte Streckenelement kleiner als die Teilungskonstante des Feinmaßstabes ist und der Feinmaßstab einmal transparent ist und durchleuchtet wird und zum anderen nicht transparent angeordnet ist und be leuchtet wird. The object of the invention is to remedy the shortcomings and a method and an arrangement for measuring distances by optical light-dark switching to create that works with only a fine scale and where the smallest is immediate line element displayed is smaller than the division constant of the fine scale and on the one hand the fine scale is transparent and is backlit and on the other hand is not arranged transparently and is illuminated.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein mit dem zu bewegenden Teil der Anordnung, beispielsweise hleßstößel oder Schlitten, fest verbundener Feinmaßstab mittels Durchlicht- oder Auflichtbeleuchtung zum leurhtenden Objekt wird. Dieses Objekt wird durch ein geeignetes Abbildungssystem in gleicher Größe wieder an irgendeiner Stelle auf dem Feinmaßstab parallaxfrei abgebildet. Bei Koinzidenz der hellen Stellen des Bildes mit den hellen Stellen des Feinmaßstabes ergibt sich ein Hellwert, bei Koinzidenz der hellen Stellen des Bildes mit den dunklen Stellen des Feinmaßstabes ergibt sich ein Dunkelwert. According to the invention this is achieved in that a with the to be moved Part of the arrangement, for example a hollow ram or slide, permanently connected fine-scale by means of transmitted or reflected light illumination becomes the object. This The object is reassembled in the same size by a suitable imaging system Position on the fine scale depicted parallax-free. When the light areas coincide of the image with the light areas of the fine scale results in a light value at Coincidence of the light areas of the image with the dark areas of the fine scale results in a dark value.
Bei Verschiebung des Feinmaßstabes bewegt sich sein Bild in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit und bewirkt demzufolge »zwei« Koinzidenzstel lungen (Hell-Dunkel-Wert) bei der Verschiebung um »eine« Teilungskonstante, das bedeutet zwei unmittelbar angezeigte Streckenelemente pro Teilungskonstante des Feinmaßstabes. Die Hell-Dunkel-Werte werden durch eine Fotozelle aufgenommen, in elektrische Impulse verwandelt und als Impulse gezählt.When shifting the fine scale, his image moves in the opposite direction Direction with the same speed and therefore causes "two" coincidence points lungs (light-dark value) when shifting by "one" division constant, the means two immediately displayed line elements per division constant of the Fine scale. The light-dark values are recorded by a photocell in transformed into electrical impulses and counted as impulses.
Die angegebene Lösung ist sowohl für Längs- wie auch für Kreisteilungen verwendbar.The given solution is for both longitudinal and circular divisions usable.
Obwohl die so für die Messung zur Verfügung stehenden Streckenelemente im Verhältnis zur Teilungskonstante halb so groß sind wie bei den bekannten Verfahren, ist in vielen Fällen eine noch wesentlich feinere Unterteilung erforderlich. Diese Unterteilung kann bei dem neuen Verfahren besonders einfach dadurch erreicht werden, daß im abbildenden Strahlengang ein geeignetes optisches Element, beispielsweise Prisma oder Spiegel, verschoben oder gekippt wird, biis wiederum Koinzidenz erreicht ist. Auf diese Art wird ein bei der Messung einer Strecke noch verbleibender Bruchteil eines Streckenelementes erfaßt. Die Verschiebung oder Kippung des optischen Elementes wird nach Vergrößerung beispielsweise durch eine Hebelübersetzung wiederum nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzip gemessen. Dadurch wird gegenüber den bisher bekannten Verfahren erreicht, daß bei gleicher Teilungskonstante sich die Anzeigegenauigkeit der Anordnung verdoppelt, eine Beschädigung des Feinmaßstabes durch einen engbenachbarten Vergleichsmaßstab vermieden wird, die Anforderungen an die Führungsgenauigkeit des Maßstabes in bezug auf Geradführung und Verdrehung wesentlich geringer sind und in den Strahlengängen der erfindungsgemäßen Anordnung immer ein optisches Element vorhanden ist, daß sich vorteilhaft zur Nachführung des Bildes und damit zur Ermittlung von Bruchteilen eines Streckenelementes eignet. Although the route elements available for the measurement in relation to the pitch constant are half as large as in the known methods, In many cases, an even finer subdivision is required. These With the new method, subdivision can be achieved particularly easily by that in the imaging beam path a suitable optical element, for example Prism or mirror, shifted or tilted, until coincidence is reached again is. In this way, a fraction remaining when measuring a distance becomes of a line element detected. The displacement or tilting of the optical element is increased again after enlargement, for example by means of a leverage measured according to the above-described principle according to the invention. This becomes opposite the previously known method achieved that with the same pitch constant the display accuracy of the arrangement doubled, damage to the fine scale using a closely spaced benchmark avoids the requirements the guidance accuracy of the scale with regard to straight line guidance and rotation are significantly lower and in the beam paths of the arrangement according to the invention There is always an optical element that is advantageous for tracking of the image and thus suitable for determining fractions of a line element.
Wie dies im einzelnen gedacht ist und welche Vorteile sich aus den besonderen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben, wird an Hand der Zeichnungen an verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt, ist jedoch nicht darauf beschränkt. How this is intended in detail and what advantages result from the result in particular embodiments of the invention, is based on the drawings Various exemplary embodiments shown, but is not limited thereto.
Bild 1 zeigt eine Anordnung, bei der eine transparente Feinteilung durchleuchtet wird; Bild 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine nicht transparente Feinteilung durch die Lichtquelle be leuchtet wird; Bild 3 zeigt eine Anordnung zur Messung von Winkeln mittels einer Feinkreisteilung, und Bild 4 zeigt die meßbare Verschiebung oder Kippung eines optischen Eletnentes. Figure 1 shows an arrangement in which a transparent fine division is x-rayed; Figure 2 shows an arrangement in which a non-transparent Fine division is illuminated by the light source; Figure 3 shows an arrangement for measuring angles by means of a fine circle graduation, and Figure 4 shows the measurable Shifting or tilting an optical element.
Die Feinteilung 1 in Bild 1 wird bei der Messung in Richtung A bewegt. Das Licht tritt in Pfeilrichtung B durch die Teilung und fällt auf einen Hohlspiegel 2. The fine graduation 1 in Figure 1 is moved in direction A during the measurement. The light passes through the division in the direction of arrow B and falls on a concave mirror 2.
Durch diesen Hohlspiegel erfolgt die Abbildung des Objektpunktes C der Teilung als Bildpunkt D in glei- ober Größe wiederum auf der Teilung 1. Bei entsprechender Stellung vom Bildpunkt D zur Teilung tritt das Licht durch den Feinmaßstab hindurch und wird durch eine Fotozelle 3 aufgefangen. An Stelle des Hohlspiegels kann auch z. B. eine Kombination von Planspiegel und Linse verwendet werden.The object point C is imaged through this concave mirror the division as image point D in the same Upper size again on the division 1. With the appropriate Position of the image point D to the division, the light passes through the fine scale and is captured by a photocell 3. Instead of the concave mirror can also z. B. a combination of plane mirror and lens can be used.
Die Feinteilung 4 in Bild 2 wird bei der Messung ebenfalls in Richtung A bewegt. Die Abbildung des Objektpunktes C der Teilung durch den Hohlspiegel 2 zum Bildpunkt D auf der Teilung erfolgt in gleicher Weise wie im Beispiel 1. In diesem Fall ist jedoch die Anordnung einer lichtabdeckenden Trennwand 6 zwischen dem von der Lichtquelle 5 ausgestrahlten Objekt und dem Bild notwendig. Bei entsprechender Stellung des Bildpunktes D wird das Licht zur Fotozelle reflektiert. The fine graduation 4 in Fig. 2 is also in the direction of A moves. The image of the object point C of the division by the concave mirror 2 to the pixel D on the division takes place in the same way as in example 1. In in this case, however, the arrangement of a light-covering partition wall 6 is between the object emitted by the light source 5 and the image. With the appropriate Position of the image point D, the light is reflected to the photocell.
An Stelle eines Hohlspiegels können zur Abbildung der Feinteilung auf dem Maßstab beispielsweise auch Planspiegetl oder Prismen mit zwischengeschalteten Linsen verwendet werden. Instead of a concave mirror, the fine graduation can be reproduced on the scale, for example, plane mirrors or prisms with interposed ones Lenses are used.
Die Teilung in Bild 3 wird bei der Messung um ihren Mittelpunkt M gedreht. Das Licht tritt in Pfeilrichtung B durch die Teilung und wird durch einen Planspiegel oder ein Prisma 8 parallel zur Teilungsebene abgelenkt. Die abbildende Optik besteht aus zwei Teil systemen 9, zwischen denen ein bildumkehrendes Glied 10 angeordnet ist. Die Abbildung des Objektpunktes C erfolgt nach abermaliger Umlenkung durch einen zweiten Planspiegel oder ein zweites Prisma 8 als Bildpunkt D wiederum auf der Teilung 7. The division in Figure 3 is measured around its center M turned. The light passes in the direction of arrow B through the division and is through a Plane mirror or a prism 8 deflected parallel to the parting plane. The depicting Optics consists of two sub-systems 9, between which an image-inverting member 10 is arranged. The image of the object point C takes place after another redirection by a second plane mirror or a second prism 8 as the image point D in turn on the division 7.
Bei entsprechender Stellung vom Bildpunkt D zur Teilung tritt das Licht durch die Feinkreisteilung hindurch und wird durch die Fotozelle 3 aufgefangen.This occurs with the corresponding position of the image point D in relation to the division Light passes through the fine circular graduation and is captured by the photocell 3.
Um mit der Meßanordnung noch Bruchteile eines Streckenelementes messen zu können, sind für die drei angegebenen Ausführungsbeispiele Vorrichtungen vorgesehen, die die meßbare Verschiebung oder Kippung eines optischen Elementes gestatten. In Bild 4 ist beispielsweise für diesen Zweck an dem Ausführungsbeispiel nach Bild 1 ein um das Gelenk 12 drehbarer tibersetzungshebel 11 angeordnet, mit dem der Hohlspiegel 2 verschoben werden kann. Am langen Hebelarm befindet sich der Feinmaßstab 13, dessen Verschiebung auf die gleiche Art, wie im Bild 1 dargestellt, gemessen werden kann. In order to still measure fractions of a line element with the measuring arrangement to be able to, devices are provided for the three specified embodiments, which allow the measurable displacement or tilting of an optical element. In For this purpose, for example, Figure 4 is based on the exemplary embodiment according to Figure 1 a transmission lever 11 rotatable about the joint 12 is arranged with which the concave mirror 2 can be moved. On the long lever arm is the fine scale 13, whose Displacement can be measured in the same way as shown in Figure 1.
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