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Vorrichtung zum Ablesen der Teilung eines Präzisionsmeßstabes Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablesen der Teilung eines Präzisionsmeßstabes
mit großer Genauigkeit, welche ein photoelektrisches Mikroskop umfaßt, das eine
optische Visieranordnung, einen eine optische Achse periodisch beidseitig einer
festen Mittelstellung schwingen lassenden Deflektor sowie eine photoelektrische
Zelle umfaßt, welche die von der Oberfläche des Präzisionsmeßstabes reflektierten
Strahlen auffängt.
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Solche Präzisions-Ablesevorrichtungen sind bekannt; sie befriedigen
aber nur, wenn die Amplitude der Schwingungen des Deflektors hinsichtlich der Größenordnung
der zu messenden Abweichungen genügend ist, damit der von der Sinuslinie der Abtastebewegung
benutzte Teil mit einer Geraden verglichen werden kann.
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Wenn die zu messende Abweichung aber hinsichtlich der Abtasteamplitude
relativ groß ist, ist die Verschiebung des Anzeigeorgans dem Abstand zwischen der
Visierachse und dem Richtstrich nicht mehr linear proportional, was in gewissen
Fällen Nachteile mit sich bringt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für Präzisionsablesung sucht diesem
überstand dadurch vorzubeugen, daß sie eine Vorrichtung zur analogischen Ablesung
umfaßt, welche die Abweichung zwischen der optischen Achse der Visiervorrichtung
und einem Teilstrich linear wiedergibt.
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Die Zeichnung zeigt schematisch und beispielsweise drei Ausführungsformen
der Ablesevorrichtung.
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Fig. 1 ist ein optisches und elektrisches Schema der ersten Ausführungsform,
welche einen Vergleichsmaßstab umfaßt; Fig. 2 zeigt teilweise im Schnitt eine Abänderung
der Ausführung des Anzeigers; Fig. 3 zeigt das optische und elektrische Schema der
zweiten Ausführungsform, welche eine Zentriervorrichtung der Mittelstellung des
Bildes des Meßstabstriches auf der optischen Visierachse umfaßt; Fig. 4 zeigt das
optische und elektrische Schema einer dritten Ausführungsform.
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Gemäß Fig. 1 umfaßt die Ablesevorrichtung eine optische Visiervorrichtung,
welche eine Lichtquelle 1 und einen Kondensator 2 umfaßt. Diese Vorrichtung sendet
ein Strahlenbündel aus, welches durch ein Objektiv 6 auf den eingeteilten Präzisionsmeßstab
5 projiziert wird. Zwischen diesem Objektiv und dem Präzisionsmeßstab 5 ist eine
Abtastevorrichtung vorgesehen, welche dem reflektierten Bild eines Teilstriches
eine periodische Hin- und Herbewegung verleiht. Diese Abtastevorrichtung umfaßt
eine von einem mit einer Wicklung 10 ausgestatteten Rahmen8
getragene planparallele
Glaslamelle7, welche durch Vermittlung von Federblättern 11 zwischen den Polschuhen
12 (von denen nur einer dargestellt ist) eines Dauermagneten 13 elastisch aufgehängt
ist. Die Wicklung 10 ist durch die Leitungen 14, 15 mit einem Wechselstrom-Verteilemetz
R verbunden.
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Vor dem Objektiv 6 ist ein Prisma 16 angeordnet, welches einen Teil
der von der Oberfläche 17 des Präzisionsmeßstabes reflektierten Strahlen auf einen
mit einem Spalt 4 ausgestatteten Schirm 3 ablenkt, hinter welchem Spalt eine mit
einem elektronischen Verstärker 19 verbundene photoelektrische Zelle 18 vorgesehen
ist, wobei der Verstärker einen elektronischen Apparat 20 speist, welcher die von
der photoelektrischen Zelle ausgesandten Impulse i in Impulse i, von sehr kurzer
Dauer umwandelt, welche in einen elektronischen KomparatorC geleitet werden.
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Da die Wicklung 10 mit Wechselstrom gespeist wird, wird der Deflektor
7 in eine gleichmäßige oszillierende Bewegung versetzt, so daß das durch das Objektiv
6 projizierte und von dem Prisma 16 abgelenkte Bild der Einteilung den Schirm 3
beidseitig einer Abtastemittellage, in welcher der Spalt 4 liegt, abtastet. Daher
erleidet die Intensität des von der Zelle 18 aufgefangenen Lichtstromes jedesmal,
wenn das Bild eines Einteilungsstriches den Spalt 4 durchquert, eine Veränderung,
welche eine Änderung des diese Zelle durchquerenden Stromes und somit die Aussendung
eines Impulses i bewirkt. Dieser wird nach Verstärkung in einen Impuls iE umgewandelt.
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Wenn ein Einteilungsstrich t in der optischen Achse der Visiervorrichtung
liegt und sich sein Bild daher in der Mittellage der dem Strahlenbündel durch den
Deflektor 7 verliehenen Abtastbewegung befindet, werden die Impulse i in regelmäßigen
Zeitintervallen ausgesandt. Für jede andere Stellung des Einteilungsstriches t dagegen
folgen sich die Stromimpulse i in unregelmäßigen Zeitintervallen, wobei der Zeitunterschied
zwischen drei aufeinanderfolgenden Impulsen eine Funktion des Abstandes zwischen
dem Bild des Striches t und der Mittellage der Abtastbewegung des Strahlenbündels
ist.
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Um die Proportionalitätsfehler zwischen dem Unterschied der Zeitintervalle
und dem Wert dieses Abstandes auszuschließen, besonders wenn dieser Wert hinsichtlich
des Amplitudenhubes groß ist, umfaßt die dargestellte Vorrichtung einen halbdurchlässigen
Spiegel 21, dessen schwingende Bewegung mit derjenigen des Deflektors 7 genau synchronisiert
ist. Zu diesem Zweck wird dieser Spiegel von einem mit einer Wicklung 23 ausgestatteten
Rahmen 22 getragen, wobei diese Wicklung durch die Leitungen 24 und 15 mit dem StromnetzR
verbunden ist. Dieser Rahmen ist mit Hilfe von Federblättern 25 zwischen den Polschuhen
eines Dauermagneten (nicht dargestellt), aber in allen Punkten dem Dauermagneten
13 ähnlich, elastisch aufgehängt.
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Der Spiegel 21 liegt auf der optischen Achse einer Beleuchtungsvorrichtung,
die eine Lichtquelle 1 o, einen Kondensator 2 a und ein Objektiv 26 umfaßt, welches
das Bild eines auf die Oberfläche 27 eines Schlittens 28 eingravierten Striches
t1 projiziert, wobei der Schlitten in eine Gleitschiene 29 eingreift. Das durch
das Objektiv 26 projizierte Bild des Teilstriches t1 wird durch den halbdurchlässigen
Spiegel 21 auf einen mit einem Spalt 31 ausgestatteten und durchsichtigen Schirm30
reflektiert; der Spalt befindet sich gegenüber einer photoelektrischen Zelle 32.
Jedesmal, wenn das Bild des Einteilungsstriches t1 im Verlauf der schwingenden Bewegung
des halbdurchlässigen Spiegels 21 mit dem Spalt 31 zusammenfällt, erleidet die Beleuchtung
der photoelektrischen Zelle 32 eine Anderung, welche die Ausstrahlung eines Impulses
n bewirkt. Die Zelle 32 ist mit einem elektronischen Verstärker 33 verbunden, welcher
einen elektronischen Apparat 34 speist, der die Impulse n in Impulse von sehr kurzer
Dauer n, umwandelt, die auf dem elektronischen Komparator C zur Wirkung kommen.
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Dieser Komparator liefert eine Fehlerspannung e, welche nach Verstärkung
durch einen elektronischen Verstärker 35 einen Motor M speist, der einerseits durch
einen von seiner Welle 36 und einer mit einem an dem Schlitten 28 festgemachten
Stange 39 verbundenen Schraube37 angetriebenen Mutter38 auf den Schlitten 28 wirkt
und andererseits durch eine mit der Mutter38 verbundene Schnecke 40 und ein Schneckenrad
41 mit einem Anzeigeorgan 0 verbunden ist, wobei das Schneckenrad das genannte An-Anzeigeorgan
trägt, welches sich gegenüber einer Skala 42 verschiebt.
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Der Wert der von dem Komparator C ausgesandten Fehlerspannung e ist
eine Funktion des Phasenunterschiedes zwischen den Impulsen i, und n, welche ihm
zugeleitet wurden, wobei sich diese Spannung e annulliert, wenn sich diese Impulse
i, und nt in Phasengleichheit befinden. Man sieht somit, daß der Proportionalitätsfehler
zwischen den Zeitinter-
vallen der aufeinanderfolgenden Impulse il, wenn der Abstand
des Einteilungsstriches t gegenüber der optischen Visierachse hinsichtlich des vom
Deflektor 7 verliehenen Amplitudenhubes groß ist, durch einen den genau gleichen
Wert aufweisenden Proportionalitätsfehler zwischen den Zeitintervallen der aufeinanderfolgenden
Impulse n, selbsttätig ausgeglichen wird. Die Fehlerspannung e hebt sich auf, wenn
der Einteilungsstrich t, hinsichtlich der optischen Achse des Objektivs 26 eine
Stellung einnimmt, bei welcher die Zelle 32 Impulse aus sendet, deren Unterschiede
zwischen den Zeitintervallen gleich den Zeitunterschieden der von der Zelle 18 produzierten
und durch die Verschiebung des Einteilungsstriches t gegenüber der optischen Achse
des Objektivs 6 verursachten Impulse sind. In dieser Weise zeigt das Anzeigeorgan
0 verstärkt und mit einer großen Genauigkeit den Abstand des Einteilungsstriches
t des Meßstabes 5 gegenüber der optischen Achse der Visiervorrichtung an. Überdies
ist die Abweichung dieses Anzeigeorgans 0 gegenüber einer Nullstellung in linearer
Proportion zum Abstand des Einteilungsstriches t.
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Man kann sich leicht davon Rechenschaft geben, daß diese Ablesevorrichtung
eine dem Verhältnis der Amplituden der beiden Abtastebewegungen entsprechende erste
Vergrößerung aufweist, welche leicht von der Größenordnung von 10 000 sein kann,
und eine dem Verhältnis zwischen den Verschiebungen des Schlittens 28 und den Verschiebungen
des Anzeigeorgans 0 längs der Skala 42 entsprechende zweite Vergrößerung, welche
leicht von der Größenordnung von 1000 sein kann, so daß die Vergrößerung oder Gesamtverstärkung
leicht von der Größenordnung von 106 sein kann. In Anbetracht dieser beträchtlichen
Verstärkung ist es klar, daß die kleinen Fehler der mechanischen Übertragung ohne
Einfluß auf die Genauigkeit der Ablesung bleiben; diese Übertragungsfehler können
überdies durch eine Präzisionsbearbeitung der Schraubenmutter 38, der Schraube 37,
der Schnecke 40 und des Schneckenrades 41 auf ein Minimum reduziert werden. Folglich
gibt die beschriebene Vorrichtung zur analogischen Ablesung den Abstand zwischen
der optischen Achse der Visiervorrichtung und einem Strich t der Einteilung linear
wieder.
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In der durch die Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist das Anzeigeorgan
durch eine Meßvorrichtung 43 von bekannter Art gebildet, deren Steuerwelle 44 durch
ein Zahnradgetriebe 45, 46, 47 mit der Schraubenmutter 38 verbunden ist, welche
ihrerseits durch die Zahnräder 48 und 49 mit der Welle 36 des Motors M verbunden
ist. Auch hier geben die Angaben der Meßvorrichtung, welche zur Amplitude der Winkelverschiebung
der Welle 44 direkt proportional sind, den Abstand des Striches t der Einteilung
gegenüber der optischen Achse der Visiervorrichtung linear wieder.
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In der durch die Fig. 3 dargestellten Ausführungsform umfaßt die
Ablesevorrichtung eine optische Visiervorrichtung ähnlich derjenigen der ersten
Ausführungsform, und ihre bereits in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Organe und Elemente
tragen die gleichen Bezugszeichen.
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Ein durch einen mit Wechselstrom gespeisten Motor 51 in regelmäßig
schwingende Bewegung angetriebener Deflektor 50 verleiht dem von der Oberfläche
12 des Meßstabes 5 reflektierten Bild eine regelmäßige Abtastebewegung.
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Wie in der ersten beschriebenen Ausführungsform ist ein Teil der
von der Oberfläche 17 des Präzisionsmeßstabes 5 reflektierten Strahlen durch das
Prisma 16 auf den Schirm 3 abgelenkt, dessen Spalt 4 gegenüber der photoelektrischen
Zelle 18 gelegen ist. Diese Zelle sendet nun Impulse aus, jedesmal, wenn das Bild
des Teilstriches t des Maßstabes den Spalt 4 durchquert. Nach Verstärkung im Verstärker
19 werden diese Impulse i durch den elektronischen Apparat 20 in Impulse i, von
sehr kurzer Dauer umgeformt. Diese werden einem elektronischen Apparat A von bekannter
Art geliefert, welcher eine den Zeitintervallen zwischen den aufeinanderfolgenden
Impulsen, proportionale Fehlerspannung e1 liefert.
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In dieser Weise ist, wenn der Teilstrich t in der optischen Achse
der Visiervorrichtung liegt, die Spannung e1 gleich Null, da die Zeitintervalle
gleich sind. Wenn der Teilstrich t gegen die linke Seite der Zeichnung verschoben
wird, nimmt die Spannung e1 z. B. in positivem Sinne zu. Wenn der Teilstrich t dagegen
nach der rechten Seite der Zeichnung verschoben wird, nimmt die Spannung e1 in negativem
Sinne zu.
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Die Gleichstromspannung e1 wird an den Rotor 53 eines elektrodynamischen
Motors 55 angeschlossen.
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Dieser zwischen den Polflächen eines Dauermagnetenpl angeordnete Rotor
ist auf einer Welle 57 fixiert, deren eines äußere Ende einen Hilfsdeflektor 58
trägt, der zwischen dem Objektiv 6 und dem Deflektor 50 angeordnet ist, während
sein anderes Ende einen Spiegel 59 trägt. Dieser reflektiert einen von einer Vorrichtung
ausgestrahlten Lichtstrahl auf eine Skala 60.
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Diese Vorrichtung umfaßt eine Lichtquelle 61, einen Kondensator 64
a und einen mit einem Spalt 63 sowie einem Objektiv 64 ausgestatteten Schirm 62.
Wenn die Spannung e1 gleich Null ist, d. h., wenn der anvisierte Teilstrich in der
optischen Achse liegt, wird der Hilfsdefiektor 58 von dem Rotor 53 in einer senkrechten
Ebene zur optischen Achse der Visiervorrichtung gehalten. Der Hilfsdeflektor 58
bewirkt daher keine Ablenkung der optischen Achse der Visiervorrichtung, und der
Spiegel 59 reflektiert das von dem Objektiv 64 projizierte Strahlenbündel auf den
Nullpunkt der Skala 60.
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Sobald dagegen der Strich t eine Abweichung gegenüber dieser optischen
Visierachse aufweist, wächst der absolute Wert der Spannung e1 in dem der Abweichung
entsprechenden Sinne, da die Zeitintervalle zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen
i unregelmäßig sind, so daß der Deflektor 58 im Winkel verschoben wird, um die Gleichheit
der Zeitintervalle zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen i wiederherzustellen.
Dieser Deflektor nimmt dann eine Gleichgewichtsstellung ein, für welche die Spannung
e1 gleich Null ist. Es ist klar, daß die Winkelverschiebung des Hilfsdeflektors,
welche für die Wiederherstellung der Gleichheit dieser Intervalle erforderlich ist,
um so größer ist, je größer die Abweichung des Striches t ist.
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Es folgt daraus, daß die Winkelverschiebung des Spiegels 59, der
mit dem Deflektor 58 verbunden ist, dieser Abweichung streng proportional ist und
daß der durch das vom Objektiv 64 projizierte Strahlenbündel auf der Skala 60 gebildete,
leuchtende Strich m in jedem Augenblick hinsichtlich dem Nullpunkt dieser Skala
eine Stellung einnimmt, die der Stellung des Einteilungsstriches t gegenüber der
optischen Achse der Visiervorrichtung genau entspricht. Auch hier überträgt die
Vorrichtung zur analogischen Ab-
lesung die Abweichung des Einteilungsstriches t
mit einer praktisch ebenso großen wie gewünschten Vergrößerung linear.
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Der Deflektor 58 ist noch mit einer Stabilisierungsvorrichtung 56
ausgestattet, die durch einen mit einer Wicklung ausgestatteten Rahmen 54 gebildet
ist, welcher zwischen den Polen eines Dauermagneten p dreht. Die in die von dem
Rahmen 54 getragene Wicklung bei einer Drehung der Welle 57 induzierte Spannung
wird dem Apparat A geliefert. Diese Spannung, welche der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Welle 57 proportional ist, wird durch den Apparat A mit der Spannung e1 kombiniert,
um eine Stabilisatorwirkung zu erreichen.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 umfaßt die Ablesevorrichtung
eine Visiervorrichtung, welche der in bezug auf Fig. 1 beschriebenen ähnlich ist.
Jedoch ist der Deflektor7 von der Welle 73 eines elektrodynamischen Motors 65 getragen,
der mit Wechselstrom gespeist ist. Dieser Deflektor ist somit in eine regelmäßig
schwingende Bewegung angetrieben und verleiht dem reflektierten Bild der Einteilung
t eine regelmäßige abtastende Bewegung.
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Die von der photo elektrischen Zelle 18 ausgesandten Stromimpulse
i werden nach Verstärkung im Verstärker 19 durch den Apparat 20 in Impulse von sehr
kurzer Dauer i, umgeformt, welche ein elektronisches Relais 66 steuern. Dieses letztere
steuert seinerseits die Speisung einer Flackerlampe 67, so daß diese Lampe einen
Lichtblitz jedesmal aussendet, wenn das Bild eines Einteilungsstriches t des Präzisionsmeßstabes
5 den Spalt 4 des Schirmes 3 durchquert.
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Eine optische Vorrichtung, welche einen Kondensator 68 und einen
mit einem Spalt 70 ausgestatteten Schirm 69 umfaßt, bildet einen leuchtenden Strahl,
der durch ein Objektiv 71 auf einem von der Welle 73 eines elektrodynamischen Motors
65 getragenen Spiegel 72 projiziert wird.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird, da der Spiegel 72 mit dem
Deflektor 7 starr verbunden ist, jedes Aufflackern der Lampe 67 genau in dem Augenblick
ausgestrahlt, in dem der Strich t den Spalt 4 durchquert. Der leuchtende Strich
m nimmt in diesem Augenblick eine genau übereinstimmende Stellung zu derjenigen
des Striches t ein. Die Fehler, welche durch die Sinusform der Abtastbewegung verursacht
sind, sind genau ausgeglichen, so daß der auf der Skala 60 durch das vom Spiegel
72 reflektierte Strahlenbündel gebildete leuchtende Strich m hinsichtlich der Nullstellung
dieser Skala eine mit der Stellung des Striches t gegenüber der optischen Achse
der Visiervorrichtung linear übereinstimmende Stellung einnimmt.