DE1202012B - Fotoelektrische Vorrichtung zum genauen Bestimmen der Lage eines Teilungsmerkmales - Google Patents

Fotoelektrische Vorrichtung zum genauen Bestimmen der Lage eines Teilungsmerkmales

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DE1202012B DEW24416A DEW0024416A DE1202012B DE 1202012 B DE1202012 B DE 1202012B DE W24416 A DEW24416 A DE W24416A DE W0024416 A DEW0024416 A DE W0024416A DE 1202012 B DE1202012 B DE 1202012B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
GOId
Deutsche KL: 42 d-1/15
Nummer: 1202 012
Aktenzeichen: W 24416IX b/42 d
Anmeldstag: 7. November 1958
Auslegetag: 30. September 1965
Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Vorrichtung zum genauen Bestimmen der Lage eines Teilungsmerkmals mittels eines in periodische Schwingbewegungen um eine stabile Bezugslage versetzten, die verschiedenen Bereiche eines das Teilungsmerkmal bzw. sein optisches Bild enthaltenden Gesichtsfeldes in regelmäßiger Aufeinanderfolge abtastenden Elementes, bei welcher in jeder Abtasteinstellung des Schwingelementes gegenüber dem Teilungsmerkmal im Zusammenwirken mit einer entsprechenden elektrischen Schaltungsanordnung ein der zu bestimmenden Lage zugeordnetes elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, durch welches in Verbindung mit einer Grobanzeige die Lage des Teilungsmerkmales gegenüber einem Bezugspunkt periodisch festgelegt wird. Die Vorteile dieser Geräte sind sehr hohe Genauigkeit und die Möglichkeit zur Automatisierung von Meß- und Einstellvorgängen, da an fotoelektrischen Mikroskopen das Meßergebnis in Form elektrischer Spannungen erscheint, die über geeignete Verstärker Stellmotoren betätigen können.
Die Nachteile sind ein kleines Gesichtsfeld, eine unlineare Skala und die Tatsache, daß höchste Konstanz außerhalb des Nullpunktes nur mit sehr hohem Aufwand zu erreichen ist, so daß die Geräte am zuverlässigsten als Nullgeräte arbeiten.
Es sind bereits Vorrichtungen zum Einstellen und Messen großer Längen unter Zuhilfenahme eines feingeteilten Zusatzmaßstabes bekannt, woher auch die Möglichkeit besteht, genanntes Prinzip auf fotoelektrische Einrichtungen zu übertragen. Eine solche Ausführung hätte aber den entscheidenden Nachteil, daß der feingeteilte Maßstab ein der Genauigkeit der fotoelektrischen Strichbestimmung gleichwertiges Auflösungsvermögen besitzen müßte. Beträgt beispielsweise die Genauigkeit der fotoelektrischen Strichlokalisierung am Maßstab etwa 1Z100 μΐη, was eine für fotoelektrische Ablesemikroskope keineswegs übertriebene Genauigkeit darstellt, so müßte der Feinmaßstab direkt in V100 μηι geteilt sein. Dies ist aber zweifellos technisch unmöglich.
Die Überbrückung größerer Meßstrecken, z.B. ganzer Millimeter, ist deshalb nicht ohne weiteres möglich. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Vorrichtung, die es gestattet, auch bei Abweichungen von der Nullage und bei Überbrückung größerer Meßstrecken automatisch zu messen oder einzustellen.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der bei dem Abtastvorgang einem elektrischen Nullsignal zugeordnete Teil des Gesichts-
Fotoelektrische Vorrichtung zum genauen
Bestimmen der Lage eines Teilungsmerkmales
Anmelder:
Wenczler & Heidenhain, Patentverwertung,
Traunreut (Obb.), Nansenstr. E 5
Als Erfinder benannt:
Dr. Johannes Heidenhain,
Egerer bei Chieming (Obb.)
feldes in an sich bekannter Weise mittels eines mechanisch betätigbaren Einstellgliedes gegenüber dem
an Teilungsmerkmal verschiebbar ist und daß dabei die in Richtung der Erstreckung des Teilungsmerkmales wirksame Verstellung um einen Proportionalfaktor kleiner ist als die tatsächlich bewirkte Verstellbewegung des Einstellgliedes, derart, daß während dieser Verschiebung die Zeit-Weg-Charakteristik der Schwingbewegungen des von dem Abtastelement abgetasteten Teiles in dem Gesichtsfeld unverändert beibehalten bleibt und daß das Maß der Verschiebung des Einstellgliedes in an sich bekannter Weise durch entsprechende Mittel meßbar ist.
Die Erfindung bezieht sich dabei nur auf die Vereinigung sämtlicher genannter Merkmale.
Es ist nämlich außerdem bereits bekannt, als Zeiger für Meßinstrumente einen Strich zu verwenden, der von einer relativ dazu schrägliegenden Blende nur zu einem Bruchteil freigegeben wird. Diese bekannte Einrichtung erlaubt jedoch lediglich eine ziemlich grobe visuelle Ablesung der Lage des Striches, nicht dagegen die verfeinerte Ablesung mittels eines fotoelektrischen Mikroskops. Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, ein äußerst empfindliches, aber nicht linear anzeigendes fotoelektrisches Mikroskop zur vollkommen linear und kontinuierlich meßbaren Überbrückung sehr großer Strecken zu verwenden, wie dies zur Überbrückung der Intervalle einer Maßstabteilung wünschenswert ist. Die bekannte Einrichtung befaßt sich auch mit der völlig anders gearteten Aufgabe der übersichtlichen Darstellungsweise einer Zeigerbewegung, so daß die erfindungsgemäße Anwendung zur Überbrückung größerer Intervalle keineswegs als naheliegend zu bezeichnen ist.
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Eine andere bekannte Einrichtung, bei der die Koinzidenz zweier Strichgitter fotoelektrisch festgestellt wird, entbehrt ebenfalls des erfindungswesentlichen Vorteiles. Bei ihr nämlich ist überhaupt nur eine diskontinuierliche Anzeige, springend von Koinzidenz zu Koinzidenz der Gitter möglich.
Für die Zwecke unserer Erfindung brauchbar sind zwei Typen von fotoelektrischen Mikroskopen, nämlich solche, die mit schwingenden Lichtbündeln arbeiten und solche, die mit schwingenden Blenden arbeiten. Der Einfachheit halber wird die Erfindung im folgenden nur an einem Gerät des zweiten Typs, und zwar an einem Gerät, das mit schwingendem Draht arbeitet, erläutert.
Fig. 1 zeigt das Gesichtsfeld G eines Schwingdrahtgerätes. Die Mittellinie des Drahtes ist für drei ausgezeichnete Stellungen während des Schwingungsvorganges durch gestrichelte Linien angedeutet. D ist die Mittellinie beim NuHdurchgang; D1 und D2 kennzeichnen die linke bzw. rechte Extremlage. T stellt das Bild des zu messenden Teilstriches dar, der in die Schwingebene des Drahtes abgebildet ist. B ist eine Blende, die das Gesichtsfeld auf die erforderliche Größe beschränkt. Der Meßbereich des Mikroskops umfaßt den Bereich,.der durch den Draht während des Schwingvorganges abgetastet wird.
Die Wirkungsweise des Gerätes ist. kurz folgende: Wenn die Schwerlinie des Teilstrichbildes T, wie in F i g. 1 gezeigt, mit der Drahtruhelage D zusammenfällt, liefert das Gerät die Ausgangsspannung Null. Wird das Teilstrichbild nach links verschoben, so ergibt sich z. B. eine negative Ausgangsspannung, die um so größer wird, je weiter der Strich aus der Nulllage verschoben wird. Bei Verschiebung nach rechts ergibt sich eine entsprechende positive Ausgangsspannung. Liegt der Maßstab auf einem verschiebbaren Tisch, so kann ein Gleichstromstellmotor, dessen Drehrichtung von der Polarität der Speisespannung abhängt und der von der Ausgangsspannung des Mikroskops gesteuert wird, die automatische Einstellung des Teilstrichbildes auf die Nullage übernehmen. Der Motor verschiebt den Tisch dann so lange, bis die Ausgangsspannung des Mikroskops Null ist, d.h. bis das Teilstrichbild genau auf die durch die Drahtnullage gegebene Nullstellung eingefahren ist.
F i g. 1 und die bisherige Beschreibung entsprechen dem Stand der Technik und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. Das Prinzip der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Figur unterscheidet sich von F i g. 1 dadurch, daß das Teilstrichbild relativ zum Schwingdraht schräg gestellt ist und daß eine zusätzliche, mit dem Spalt £ versehene Blende C vorgesehen ist, die nur einen kleinen Teil des Teilstriches freigibt und die relativ zum Strichbild in der eingezeichneten Richtung verschiebbar ist. Die Schrägstellung des Telstrichbildes kann dadurch erfolgen, daß bei Abtastung nur eines einzigen Striches dieser unter dem Mikroskop entsprechend gedreht wird. Wenn mehrere Striche eines Maßstabes abgetastet werden sollen, so kann ein Maßstab nach F i g. 3 verwendet werden. Die gestrichelt gezeichnete Gerade t stellt die Teilungsrichtung dar. Die Teilstriche T sind unter sich parallel und gegen die Senkrechte zur Teilungsrichtung geneigt. Der Abstand homologer Punkte der Teilstriche in Teilungsrichtung entspricht dem Teilungsintervall/. Schließlich kann auch ein normaler Maßstab verwendet werden. Dann wird das ganze Mikroskop so gedreht, daß die Richtung des Schwingdrahtes gegen die Richtung der Teilstriche geneigt ist. In diesem Fall muß ein Empfindlichkeitsverlust des Gerätes in Kauf genommen werden, da der Schwingdraht nur mit einer Komponente in Teilungsrichtung mißt. Die Verschiebung der Blende C relativ zum Strichbild kann dadurch erfolgen, daß die Blende selbst verschoben wird, aber auch dadurch, daß das Mikroskop bei feststehender
ίο Blende senkrecht zur Teilungsrichtung verschoben wird oder daß der Maßstab bei feststehender Blende senkrecht zur Teilungsrichtung verschoben wird. Schließlich kann auch bei feststehender Blende der Strahlengang im Mikroskop durch einen schwenkbaren Spiegel oder durch eine planparallele Platte so abgelenkt werden, daß das Teilstrichbild in der durch Pfeile angedeuteten Richtung verschoben wird. Alle diese Methoden sind hinsichtlich ihrer Wirkung äquivalent. Im folgenden soll das Prinzip an einem Mikroskop mit in Pfeilrichtung verschiebbarer Blende erklärt werden.
Die Blende bewirkt zunächst, daß nur ein kurzes Stück des Teilstrichbildes für das Mikroskop zur Messung freigegeben wird. Die Vermessung solcher kurzer Strichabschnitte bietet keine Schwierigkeiten. Wird nun die Blende verschoben, so wandert der freigegebene Abschnitt des Teilstrichbildes mit einer Komponente in Teilungsrichtung aus. Die Größe dieser Komponente hängt außer von dem Verschiebeweg der Blende von der Neigung des Teilstrichbildes zur Richtung des Schwingdrahtes ab. Vor allem geht die seitliche Verschiebung des freigegebenen Abschnittes exakt linear mit dem Verschiebungsweg der Blende, wenn der Teilstrich gerade ist. Die Herstellung vollkommen gerader Teilstriche ist möglich und von der Technik der Gitterherstellung her bekannt.
Es soll zunächst erläutert werden, wie mit der beschriebenen Vorrichtung Verschiebungen gemessen werden können. Dazu sei angenommen, daß das fotoelektrische Mikroskop fest montiert ist und der Maßstab auf einem in Teilungsrichtung beweglichen Schlitten liegt, dessen Verschiebung gemessen werden soll. Zunächst wird von Beginn der Verschiebung die Blende so eingestellt, daß das Mikroskop die Ausgangsspannung Null anzeigt. Dann wird der Schlitten um den zu vermessenden Betrag verstellt und anschließend die Blende so verschoben, daß das elektrische Meßgerät des Mikroskops wieder Null anzeigt. Die Verschiebung der Blende, die etwa an einer entsprechend angebrachten Skala abgelesen wird, ist ein Maß für die Verschiebung. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung hängt hauptsächlich vom Winkel zwischen Strichbild und Draht ab.
Der Meßvorgang kann weitgehend automatisiert werden. So kann die Verschiebung der Blende durch einen Gleichstromstellmotor, dessen Drehrichtung von der Polarität der Speisespannung abhängt und der von der Ausgangsspannung des Mikroskops gesteuertwird, erfolgen. Dieser Motor schiebt die Blende automatisch so, daß die Ausgangsspannung am Gerät im statischen Zustand immer Null ist. In diesem Fall kann an der Skala, die die Verschiebung der Blende anzeigt, jederzeit die Stellung des Schlittens abgelesen werden. Statt der Ablesung der Blendenskala am Mikroskop kann auch eine Vorrichtung zur Fernablesung bekannter Bauart, z. B. unter Verwendung der digitalen Fernablesetechnik vorgesehen sein. Soll die Verschiebung automatisch registriert werden, so kann
die Blende so ausgebildet sein, daß bei der Verschiebung ein veränderlicher Widerstand geändert wird, der in einem Brückenzweig eines Kompensationsschreibers liegt.
Die Vorteile der Meßmethode sind, neben der durch das fotoelektrische Mikroskop bedingten Genauigkeit vor allem hohe Konstanz, da das Mikroskop nur als Nullinstrument verwendet wird und gute Linearität.
Die Umkehrung der beschriebenen Meßmethode führt zu einer exakten Verstellmethode. Die einzige erforderliche Änderung besteht darin, daß der Stellmotor in diesem Fall nicht die Verschiebung der Blende bewirkt, sondern daß er an der Verstellvorrichtung des Tisches angreift. Nach dem vorher Beschriebenen ist die Wirkungsweise klar: Der Motor schiebt den Tisch jeweils so, daß der freigegebene Abschnitt des Teilstrichbildes auf den Schwingungsmittelpunkt des Drahtes zu liegen kommt. Durch einfaches Verschieben der Blende können definierte Verschiebungen des Tisches eingeleitet werden.
Die Anwendungsmöglichkeit der zuletzt erläuterten Verstellvorrichtung betreffen alle Arbeitsmaschinen, bei denen hohe Genauigkeit der Verstellung von Tischen oder Werkzeugen gefordert wird, z. B. Teilmaschinen zur Herstellung sehr feiner Unterteilungen, Graviermaschinen, Fräsmaschinen usw. Auf einen Punkt sei jedoch noch gesondert hingewiesen. Durch Ausrüstung der Verstelleinrichtung mit Servomotor ist auch eine laufende kontinuierliche Verstellung möglich. Es können also etwa Kurvenzüge kopiert werden, indem der abzutastende Strich von Anfang an entsprechend dem herzustellenden Teil ausgebildet wird. Es können aber auch Kurvenformen erreicht werden, indem die Blende nach einer geeigneten Funktion durch einen zweiten Bewegungsvorgang der Maschine gesteuert wird. Ein Vorteil liegt bei der Herstellung sehr kleiner Teile darin, daß keine nachträgliche Verkleinerung durch mechanische Untersetzungen erforderlich ist, was im allgemeinen wegen des unvermeidlichen Spiels zu Ungenauigkeiten führt. Sollen Messungen oder Verstellungen über beliebig lange Strecken durchgeführt werden, so ist dies möglich, wenn ein Maßstab nach Fig. 4 verwendet wird. Sie entspricht F i g. 3, nur ist Neigung und Länge der Teilstriche T so, daß nach Erreichen der höchsten Blendenstellung, dargestellt durch die Linie h, jeweils der nächste Teilstrich in der untersten Blendenstellung, dargestellt durch die Linie K, erfaßt werden kann. Die Gerade t stellt wieder die Teilungsrichtung dar. Zur Erzielung einer kontinuierlichen Verstellung über mehrere Teilstriche hinweg ist eine diskontinuierliche Verschiebung der Blende erforderlich.
Durch die in Fig. 5 dargestellte Drehblende wird dieser Nachteil vermieden. Es bedeutet P den lichtundurchlässigen Blendenkörper, S einen spiralförmigen lichtdurchlässigen Spalt, M den Drehpunkt der Blende und G das Gesichtsfeld des Mikroskops. Die Teilstrichbilder eines Maßstabes, der entsprechend Fig.4 ausgebildet ist, sind mit T bezeichnet. Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, daß sich der lichtdurchlässige Spalt der Blende im Gesichtsfeld in Richtung des Drahtes verschiebt, sobald die Blende um ihren Drehpunkt M gedreht wird. Wenn der Tisch durch einen Stellmotor gesteuert wird, so bewirkt eine Drehbewegung der Blende eine Verschiebung des Tisches in Pfeilrichtung. Diese Verschiebung ist nicht auf den Bereich eines Striches begrenzt.
F i g. 6 zeigt den Übergang der Blende von einem Teilstrich auf den nächstfolgenden. Es ergibt sich auch in dem Augenblick, indem zwei Teilstriche T und T gleichzeitig erfaßt werden, ein eindeutiger Einstellwert. Bei einer vollen Umdrehung der Blende ergibt sich eine Schlittenverschiebung um genau ein Teilungsintervall. Durch entsprechende Ausbildung der Spirale kann Proportionalität zwischen Drehwinkel der Blende und Stellweg des Tisches erreicht
ίο werden. An Stelle eines Maßstabes mit schräggestellten Strichen kann auch ein normaler Maßstab verwendet werden. Das Mikroskop muß dann um einen entsprechenden Winkel gedreht werden.
Die Vorrichtung gestattet die Umwandlung einer
Drehbewegung in eine lineare Bewegung oder umgekehrt einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung. Im letzteren Falle muß der Stellmotor an der Drehblende angreifen.
Die Vorrichtung kann überall verwendet werden,
wo Drehbewegungen sehr exakt in Längsvorschübe umgesetzt werden müssen. Als Beispiel sei etwa eine Spindelschleifmaschine angeführt. In diesem Falle wird die Drehblende fest mit der Welle gekoppelt, die das Werkstück dreht. Der Vorschub zwischen Werkzeug und Werkstück wird automatisch durch einen Stellmotor mit hoher Genauigkeit durchgeführt, wobei laufend der Anschluß an einen genauen Maßstab gewahrt bleibt. Die auf diese Weise hergestellte Spindel hat nicht nur kleine innere Fehler, sondern auch
einen kleinen absoluten Fehler über die ganze Länge. Natürlich kann auch so gearbeitet werden, daß der Vorschub willkürlich erfolgt und das Werkstück durch einen Stellmotor gedreht wird, der gleichzeitig die Drehblende dreht.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Fotoelektrische Vorrichtung zum genauen Bestimmen der Lage eines Teilungsmerkmals mittels eines in periodische Schwingbewegungen um eine stabile Bezugslage versetzten, die verschiedenen Bereiche eines das Teilungsmerkmal bzw. sein optisches Bild enthaltenden Gesichtsfeldes in regelmäßiger Aufeinanderfolge abtastenden Elementes, bei welcher in jeder Abtasteinstellung des Schwingelementes gegenüber dem Teilungsmerkmal im Zusammenwirken mit einer entsprechenden elektrischen Schaltungsanordnung ein der zu bestimmenden Lage zugeordnetes elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, durch welches in Verbindung mit einer Grobanzeige die Lage des Teilungsmerkmals gegenüber einem Bezugspunkt periodisch festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der bei dem Abtastvorgang einem elektrischen Nullsignal zugeordnete Teil des Gesichtsfeldes in an sich bekannter Weise mittels eines mechanisch betätigbaren Einstellgliedes (C, E bzw. P, S) gegenüber dem Teilungsmerkmal (T) verschiebbar ist und daß dabei die in Richtung der Erstreckung des Teilungsmerkmals (T) wirksame Verstellung um einen Proportionalfaktor kleiner ist als die tatsächlich bewirkte Verstellbewegung des Einstellgliedes (C, E bzw. P, S), derart, daß während dieser Verschiebung die Zeit-Weg-Charakteristik der Schwingbewegungen des von dem Abtastelement (D) abgetasteten Teiles in dem Gesichtsfeld unverändert beibehalten bleibt, und daß das Maß der Verschiebung des Einstell-
gliedes (C, E bzw. P, S) in an sich bekannter Weise durch entsprechende Mittel meßbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Blende in ihrer wirksamen Breite zu verändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende als drehbare Spiralblende ausgebildet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 374305, 876162, 890420, 932037;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1032 931, 457, 1059 671, 1079336; schweizerische Patentschrift Nr. 261419; französische Patentschrift Nr. 1150 777;
Dipl.-Ing. Karl Nitsehe, »Einführung in die Längenmeßtechnik«, 1957, S. 58, 59, 63 (Bild 60).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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