DE1164686B - Einrichtung zum Bestimmen und Korrigieren der Lageeines Bauteiles. - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G Ol d

Deutsche Kl.: 42 d-1/15

Nummer: 1 164 686

Aktenzeichen: J 21063 IX b / 42 d

Anmeldetag: 21. Dezember 1961

Auslegetag: 5. März 1964

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Bauteiles und gibt weiter Mittel an, mit denen die Lage des Bauteiles gegebenenfalls korrigiert werden kann.

Es ist bereits bekannt, zur Bestimmung oder Korrektur der Lage eines beweglichen Bauteiles oder von zu fördernden Gegenständen lichtelektrische Einrichtungen zu benutzen und dabei den Rand oder die wirksamen Markierungen als Hilfsmittel heranzuziehen. Meist ist dabei die Aufgabe gestellt, den Bauteil oder Gegenstand hinsichtlich einer oder zweier seitlicher Begrenzungsfiächen auszurichten.

Es ist weiter bekannt, den Abstand eines beweglichen Körpers von einer Geraden mittels eines diese Gerade darstellenden und modulierten Lichtstrahles zu bestimmen, wobei die Modulation durch zwei phasenverschoben gegeneinander oszillierende Elemente hervorgerufen und die Phasenlage der erhaltenen Signale verglichen wird.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen Punkt eines Bauelementes oder Gegenstandes gegenüber einem Bezugspunkt auszurichten. Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Bestimmen und Korrigieren der zentrischen Lageabweichungen eines beweglichen Bauteiles gegenüber einem Bezugspunkt mit photoelektrischen Mitteln zum Abtasten eines mit dem beweglichen Teil verbundenen optischen Abtastmerkmals, bei welcher die durch die Modulation des wirksamen Strahlenbündels erzeugten elektrischen Signale nach Maßgäbe ihres Zeitverhältnisses zu einer vollen Abtastperiode ein Maß für die zu bestimmende Lageabweichungen liefern, mit dem Kennzeichen, daß als optisches Abtastmerkmal eine wenigstens zu zwei Koordinaten symmetrische, nicht kreisförmige öffnung angeordnet ist, deren Mittelpunkt in der Sollage mit dem Bezugspunkt zusammenfällt, daß ferner ein um eine Achse durch den Bezugspunkt rotierendes Lichtstrahlenbündel die Randzonen der Öffnung abtastet und daß dabei die Zeitdauer gemessen wird, während welcher gegenüberliegende Teile der Öffnung den Lichtdurchtritt gestatten.

Weitere Merkmale der Erfindung sind durch die Patentansprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In den Zeichnungen stellt dar

Fig. 1 eine Teilansioht einer Aufzeichnungsplatte in der Sollänge,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm für die Plattenstellung nach Fig. 1,

F i g. 3 die Aufzeichnungsplatte in exzentrischer Lage, Einrichtung zum Bestimmen und Korrigieren der Lage eines Bauteiles

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Donald Harry Cronquist, Santa Clara, Calif.,
Robert Cassius Treseder, San Jose, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Dezember 1960

(Nr. 79 736)

F i g. 4 ein Impulsdiagramm zur F i g. 3,

F i g. 5 und 6 Teilansichten der Aufzeichnungsplatte in Grundriß und Schnitt,

F i g. 7 und 8 (im Schnitt) schematische Darstellungen der Einrichtung zur Feststellung der Exzentrizität,

F i g. 9 ein Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 8,

Fig. 10 Kontakteinrichtungen zu der Fig. 9,

Fig. 11 eine Seitenansicht zu den Fig. 8, 9 und 10 und

Fig. 12 ein Blockschaltbild der gesamten Zentriereinrichtung.

Nach der Erfindung ist ein Lichtpunkt 20 (Fi g. 1) vorgesehen, der um die Achse 22 der Aufzeichnungsköpfe sich auf einer kreisförmigen Bahn 21 bewegt. In jeder Aufzeichnungsplatte 24 befindet sich ein Loch ff, das nicht kreisförmig ist, sondern symmetrische, einander gegenüberliegende Ausbuchtungen aufweist, wie den F i g. 1 und 3 zu entnehmen ist. Der mittlere Durchmesser des Loches entspricht etwa dem Durchmesser des vom Lichtpunkt bestrichenen Kreises. Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 3 ist das Loch H in der Platte 24 aus vier kreisförmigen Löchern kleineren Durchmessers gebildet, deren Mittelpunkte A₁, A₂, A₃ und A₄ auf einem Kreis 26 liegen, so daß hier konkave Bereiche B₁, B₂, B₃ und B₁ entstehen, die durch vier einwärts

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gerichtete Spitzen D₁, D.,, D_s, und D₄ getrennt sind. schaffen, daß der aus der Linse 38 austretende Licht-Wenn eine Platte mit einem derartigen Ausschnitt zen- kegel 39 auf der Höhe der Lochkante 32 konvergiert; irisch zum Punkt 22 gelagert ist, um den der Licht- er stellt also den in den F i g. 1 und 3 genannten punkt 20 rotiert, so werden die Zeitpunkte, während Lichtpunkt dar. Wenn, abhängig von der Form und

deren der Lichtpunkt auf der anderen Seite der Platte 5 Lage des Loches, bezüglich der Achse 22 der Licht-

beim Vorbeilaufen an den konkaven Bereichen sieht- punkt 20 für den Spiegel 34 sichtbar wird, reflektiert

bar ist und während deren er beim Vorbeilauf den dieser etwa die Hälfte des einfallenden Lichtstromes,

Spitzen unsichtbar wird, jeweils untereinander gleich. dargestellt durch die schattierten Flächen 46. Nach

Liegt die Platte 24 jedoch nicht mehr symmetrisch Reflexion an den Spiegeln 42 und 44 wirft die Linse

zum Punkt 22, wie es in F i g. 3 dargestellt ist, so io 38 einen Lichtstrom 48 in Form eines Teilkegels

werden die Zeitabschnitte der Sichtbarkeit oder der über den Spiegel 36 auf das lichtempfindliche EIe-

Verdeckung des Lichtpunktes in gegenüberliegenden ment 50, das zwischen Lichtquelle und Spiegel 36

Abschnitten sich unterscheiden. Im Beispiel der an der Spitze des reflektierten Teillichtkegels ange-

Fig. 3 ist also der Lichtpunkt beim Durchgang durch ordnet ist.

den Sektor 1 wesentlich kürzere Zeit sichtbar als beim 15 Die Anordnung nach F i g. 7 hat den Vorteil, daß Sektor 3; die Sichtbarkeitsdauer in den Sektoren 2 die Lichtquelle und das lichtempfindliche Element und 4 ist dagegen (Verschiebung in der Γ-Achse über der rotierenden Trommel 34 stationär angeordvorausgesetzt) gleichgeblieben. Analoges gilt bei Ver- net sind und keine Stromzufuhr zu ihnen über Schleifschiebung in Richtung der X-Achse. Die Fig. 2 kontakte erforderlich wird. Für die Arbeitsgenauig- und 4 lassen die Dauer der Sichtbarkeit des Licht- 20 keit der Einrichtung jedoch sind die Lagen der punktes auf der anderen Plattenseite für den Fall Spiegel 36 und 40 und der Linse 38 kritisch. Die der zentrischen bzw. der exzentrischen Lage der Platte F i g. 8 stellt deshalb schematisch eine andere Aus-24 bezüglich des Punktes 22 erkennen. führungsform dar, wo sowohl die Lichtquelle als auch

Es sind Mittel vorgesehen, um die Sichtbarkeits- das photoelektrische Element fest mit der Trommel

dauer des rotierenden Lichtpunktes in den vier Sek- 25 33 verbunden sind, so daß die Lage beider Elemente

toren mittels lichtelektrischer Elemente, wie Photo- unkritisch wird. Hier wirft die Lichtquelle 52 einen

zellen oder Photoelemente, zu registrieren. Durch Kegel 54 über den Spiegel 56 und die Linse 60 auf

Vergleich der Sichtbarkeitsdauer in gegenüberliegen- den Ringspiegel 58, der dem Ringspiegel 34 von

den Sektoren, z. B. durch Subtraktion der beiden F i g. 7 entspricht. Auch hier ist wieder dafür ge-

Werte, erhält man entweder kein Signal als Anzeige 30 sorgt, daß das Licht der Lichtquelle 52 sich (62)

für die zentrische Lage oder ein Signal, das das Aus- innerhalb des Loches punktförmig konzentriert. Auch

maß der Exzentrizität angibt. Letzteres kann dazu hier ist wieder der Weg des vom Ringspiegel 58

dienen, einen Einstellmechanismus zur Zentrierung reflektierten Lichtes schattiert dargestellt und mit

der Platte zu steuern. 64, 66 bezeichnet. Er trifft am Punkte 68 das licht-

Die Lochform der F i g. 1 und 3 ist nicht die ein- 35 empfindliche Element 70. Hier sind statt dreier ge-

zige, die für die erfindungsgemäße Einrichtung neigter Spiegel nur noch ein solcher erforderlich,

brauchbar ist. Die F i g. 5 stellt ein Loch anderer Alle optisch wirksamen Teile sind an demselben

Form dar, das ebenfalls brauchbar ist. Dieses besteht Träger, nämlich der Trommel 33 angeordnet, mit

aus vier Kreisbögen E₁, E.„ E₃ und E₄, deren Radius Ausnahme des Ringspiegels 58. der in diesem Falle

größer ist als der mittlere Radius des Loches. Es ent- 40 ein kreisförmiger Spiegel sein könnte, wenn auf die

stehen hier vier Ausbuchten F₁, F₂, F₃ und F₄. Da es Zugänglichkeit zum Trommelinnern verzichtet wer-

wichtig ist, daß der innere Rand des Loches vollkom- den soll. Das lichtempfindliche Element kann auch

men unbeschädigt ist, kann die Umgebung des Loches unmittelbar hinter der Linse 60 angebracht werden,

vorzugsweise so ausgebildet werden, wie es die wie es in Fig. 8 durch die Bezeichnung72 ange-

Schnittdarstellung der F i g. 6 darstellt, wo die Flä- 45 deutet ist.

chen 28 und 30, deren Rand für die lichtelektrische Wie die Anordnung nach F i g. 8 praktisch aus-

Abfühlung von Interesse ist, zurückgesetzt ist und geführt werden könnte, ist in F i g. 9 schematisch

nur noch die vor Beschädigungen geschützte Dicke dargestellt. Die hohle Trommel 33 sitzt auf der Achse

32 aufweist. 74. Auf einem Block 76, der mit der Trommel fest

F i g. 7 stellt schematisch die optische Einrichtung 50 verbunden ist, sind Aufzeichnungs- und Abfühl-

zur Abtastung des Lochrandes dar. Eine Trommel 33 elemente 78 unterhalb der Platte 24 angeordnet. Diese

rotiert um die Achse 22. An dieser Trommel können Elemente 78 können z. B. Magnetköpfe zur magne-

auch die Aufzeichnungs- (oder Wiedergabe-) Köpfe tischen Aufzeichnung oder Abfühlung auf und von

angeordnet sein, welche die auf der Platte 24 enthal- der Platte 24 sein. Diese Platte 24 befindet sich in

tene Aufzeichnung abtasten (oder aufzeichnen). Kon- 55 dem Zwischenraum zwischen der Trommel 33 und

zentrisch zur Trommel befindet sich über der Platte dem Ringspiegel 58, der nur auf der rechten Seite

24 ein Ringspiegel 34, dessen mittlerer Durchmesser ausgezogen dargestellt ist. Die Platte 24 ruht auf den

etwa dem mittleren Durchmesser des Loches H ent- Stützen 80. Die Lichtquelle 52 befindet sich in einem

spricht. Außermittig befindet sich über dem Spiegel Tubus 82. von dem aus das Licht über Prismen und

34 eine Lichtquelle 35, deren Lichstrom 37 über den 60 in Rohren (allgemein mit 84 bezeichnet) zu einem

etwa in der Achse 22 befindlichen geneigten Spiegel Prisma geführt wird, das dem Spiegel 56 der F i g. 8

36 durch die stationäre Linse 38 auf den ebenfalls entspricht und ebenso bezeichnet ist. Das lichtemp-

innerhalb der Achse 22 angeordneten und mit der findliche Element 70 ist in der Nähe des Prismas 56

Trommel 33 rotierenden Spiegel 40 geworfen wird. angebracht.

Dieser Spiegel 40 wirft das Licht radial nach außen 65 Um die Exzentrizität der Platte 24 bestimmen und

auf den gleichfalls auf den mit der Trommel rotie- korrigieren zu können, muß der das lichtempfindliche

renden Spiegel 42, dex das Licht senkrecht nach oben Element 70 treffende Lichtstrom den vier Sektoren

auf den Ringspiegel 34 umlernet. Die Optik ist so be- (s. F i g. 1 und 3) zugeordnet werden und die Beiich-

tungszeiten innerhalb der vier Sektoren gemessen und die Belichtungszeit zweier gegenüberliegender Sektoren verglichen werden können. Eine Möglichkeit zur Zeitmessung ist in F i g. 12 dargestellt. Ein Oszillator 90 mit der Frequenz von beispielsweise 100 kHz liefert konstante Schwingungen. Während der Dauer der Beaufschlagung des lichtempfindlichen Elementes 70 wird die Torschaltung 92 geöffnet, sie läßt die Schwingungen des Oszillators passieren, und je nach dem gerade abgetasteten Sektor laufen die durchgelassenen Schwingungen zu den Zählern C1 bis C 4, welche den Sektoren zugeordnet sind.

Die Aufteilung der von der Torschaltung 92 durchgelassenen Schwingungen auf die Zähler wird von den Toren Gl bis G 4 vorgenommen. Die Steuerung der Tore G erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise. Die Achse74 (Fig. 9, 10 und 11) ist mit einem geschwärzten Band 96 versehen, das sich über einen der Sektorbreite entsprechenden Winkelbereich, d. h. 90°, erstreckt und dessen Mitte mit der Lage des Lichtpunktes 20 zusammenfällt. Nahe der Achse 74 und in Höhe des besagten Bandes sowie auf einem Radius durch den Höchstpunkt eines der vier Kreisbogen sind je eine Photozelle 51 bis 54 angeordnet (Fig. 10 und 11). Jede dieser Photozellen ist leitend, solange sie der glatten Oberfläche der Achse 74 gegenübersteht, und wird nichtleitend, sobald das geschwärzte Band 96 vor ihr erscheint. Mittels einer nicht näher beschriebenen Schaltung werden nun die Tore G geöffnet, sobald die Photozellen 51 bis 54 nichtleitend werden. In dem Blockschaltbild der Fig. 12 sind die über Leitungen93 mit den Toren G verbundenen Blöcke der Einfachheit halber mit derselben Bezeichnung 51 bis 54 versehen, wie die Photozellen der Fig. 10 und 11.

Wenn die Belichtungszeiten des lichtempfindlichen Elementes 70, festgehalten durch die Zähler C, verglichen werden sollen, so muß natürlich der Beginn der Zählung jeweils nach einem vollen Umlauf festgelegt werden, damit nur solche Belichtungszeiten verglichen werden, die während des Durchganges des Lichtpunktes durch einen vollen Quadranten entstanden sind. Dazu liegt im Leitungszug vom Oszillator 90 zu der Torschaltung 92 eine weitere Steuereinrichtung, so daß die Torschaltung 98, wie kurz gesagt, dann durchlässig wird, wenn der Lichtpunkt 20 einen Umlauf vollendet hat. Zur Steuerung der Schaltung98 kann ein schwarzer Fleck 100 (Fig. 10 und 11) auf der Achse 74 dienen, der von einer weiteren Photozelle S_} abgeführt wird; die nach jedem Umlauf der Achse 74 kurzzeitig auftretende Leitfähigkeitunterbrechung von 5/ läßt die Torschaltung 98 kurzeitig durchlässig werden. In diesem Augenblick beginnt die Abtastung des Sektors I.

Um nutzlose Arbeit der Zähler zu vermeiden, können weiter Maßnahmen getroffen werden, die die Torschaltung 98 im blockierten Zustand erhalten, solange keine Platte 24 der Einrichtung von F i g. 9 zugeführt ist. Diese Aufgabe übernimmt eine weitere Photozelle 5_r, deren Belichtung durch die Lampe 102 bei Gegenwart einer Platte 24 unterbrochen ist. Die Torschaltung 98 wird also nur durchlässig, wenn bei aufliegender Platte 24 der Zählbeginn erreicht ist.

Die Torschaltung 98 tritt aber nach jedem Umlauf der Achse 74 wieder in Tätigkeit. Aus diesem Grunde liegt die Torschaltung nicht unmittelbar in der Ausgangsleitung des Oszillators 90, sondern steuert lediglich die an dieser Stelle liegende selbstverriegelnde Torschaltung 104 (Fig. 12). Bei aufliegender Platte 24 und beim Beginn eines Umlaufes der Achse 74 betätigt also die Torschaltung 98 die Torschaltung 104, welche offen bleibt und nun fortlaufend Impulse zu den Zählern C durchlaufen läßt. Dieser Vorgang wird erst unterbrochen, wenn nach Entfernung der Platte 24 die Photozelle 5_r belichtet wird; dadurch wird die Rückstelleinrichtung 124 für die Torschaltung 104 in Tätigkeit gesetzt und der Impulsstrom des Oszillators 90 unterbrochen.

Die Zähler C₁ und C₂ sind als positive und die Zähler C₃ und C₄ als negative zu betrachten. Die Zähler, welche zwei gegenüberliegenden Sektoren zugeordnet sind, speisen jeweils eine Subtraktionseinrichtung S_x und Sy. Jede in den beiden Subtraktionseinrichtungen enthaltene Differenz der Belichtungszeiten ist also ein Maß für die Exzentrizität der Platte 24 gegenüber der Mittelachse.

Neben einer möglichen visuellen Anzeige der Exzentrizität dienen die Differenzwerte in den Einrichtungen S_x und Sy zur Steuerung von ServoeinrichtungenM_x und M_y für die Beeinflussung der Plattensteuerung hinsichtlich zweier rechtwinkliger Koordinaten.

Jedesmal, wenn der Lichtpunkt einen vollen Umlauf beendet hat (zwischen den Sektoren I und IV), werden die Zähler C und die Subtraktionseinrichtungen 5 gelöscht, so daß die von den Servoeinrichtungen neu festgelegte Lage der Platte 24 während des neuen Umlaufs geprüft werden kann. Die Löschung von C und 5 kann (durch nicht dargestellte Einrichtungen) aus dem Block 5, der F i g. 12 abgeleitet werden. Wenn die beiden Subtraktoren den Wert 0 anzeigen, so wird dieser Zustand von den 0-Detektoren Z_x und Z_v festgestellt; die Torschaltung 116 wird dadurch geöffnet und durch diese ein normalerweise geschlossenes Luftventil 118 (Fig. 11 und 12) geöffnet. Dadurch wird an die Rohrleitungen 114 Unterdruck angelegt, der die Platte 24 in der eingestellten Lage festhält. Die eigentliche Aufzeichnungs- oder Abfühloperation kann jetzt vorgenommen werden. Um diesen Bereitschaftszustand anzuzeigen, ist an die Sammelunterdruckleitung 122 ein für Unterdruck empfindlicher Schalter 120 angeschlossen, der bei Unterdruck schließt und wahlweise optische oder akustische Signale betätigt oder die Magnetköpfe in Tätigkeit tritt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Bestimmen und Korrigieren der zentrischen Lageabweichungen eines beweglichen Bauteiles gegenüber einem Bezugspunkt mit photoelektrischen Mitteln zum Abtasten eines mit dem beweglichen Teil verbundenen optischen Abtastmerkmals, bei welcher die durch die Modulation des wirksamen Strahlenbündels erzeugten elektrischen Signale nach Maßgabe ihres Zeitverhältnisses zu einer vollen Abtastperiode ein Maß für die zu bestimmende Lageabweichungen liefern, dadurchgekennzeichnet, daß als optisches Abtastmerkmal eine wenigstens zu zwei Koordinaten symmetrische, nicht kreisförmige Öffnung angeordnet ist, deren Mittelpunkt in der Sollage mit dem Bezugspunkt zusammenfällt, daß ferner ein um eine Achse durch den Bezugspunkt rotierendes Lichtstrahlenbündel die Randzonen der Öffnung abtastet und daß dabei die Zeitdauer gemessen wird,

während welcher gegenüberliegende Teile der öffnung den Lichtdurchtritt gestatten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der öffnung aus vier Kreisbögen besteht, deren Radius kleiner ist als der mittlere Radius der öffnung.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der öffnung aus vier Kreisbögen besteht, deren Radius größer ist als der mittlere Radius der Öffnung.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Zeitdauer des Lichtdurchtritts die Schwingungen

eines frequenzkonstanten Oszillators während dieser Zeitdauer einem Zählwerk zugeführt werden.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer des Lichtdurchtritts an zwei gegenüberliegenden Sektoren der öffnung mit zwei Zählwerken getrennt ermittelt und deren Differenz nach Größe und Richtung zur Korrektur der Lage des Bauteils ausgewertet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 004 386.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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