DE1207100B

DE1207100B - Vorrichtung zum Bestimmen der Groesse und der Richtung der relativen Bewegung eines ersten Objektes gegenueber einem zweiten Objekt mit zusammenwirkenden Gittern

Info

Publication number: DE1207100B
Application number: DEF36395A
Authority: DE
Inventors: Alexander Turnbull Shepherd; Andrew Guy Kerr
Original assignee: Electrical & General Engineers; Ferranti PLC
Current assignee: Electrical & General Engineers; Ferranti International PLC
Priority date: 1961-03-29
Filing date: 1962-03-28
Publication date: 1965-12-16
Also published as: US3227888A; CH417978A; GB950652A

Description

Vorrichtung zum Bestimmen der Größe und der Richtung der relativen Bewegung eines ersten Objektes gegenüber einem zweiten Objekt mit zusammenwirkenden Gittern Den Ausgangspunkt zu vorliegender Erfindung bildet die in der deutschen Patentschrift 1040268 dargelegte Erfindung. Diese Erfindung betrifft ebenfalls eine Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und Richtung der Bewegung eines Objektes relativ zu einem festen Bezugssystem. Dabei werden von zwei übereinanderliegenden optischen Gittern von denen das eine mit dem bewegten Objekt verbunden ist und das andere in dem Bezugssystem ruht, zyklische, sich in Abhängigkeit von der zu erfassenden Relativbewegung bewegende Wellenbildmuster erzeugt, die von zwei in einem bestimmten Abstand voneinander angeordneten Lichtbündeln durchstrahlt bzw. nicht durchstrahlt werden. Die Lichtbündel treffen nach dem Durchdringen des Musters auf zwei Fotozellen, deren Signale an elektrische Schaltstufen geführt werden, die aus der relativen Phasenlage der beiden Signalfolgen die Richtung und aus der Zahl der während eines Bewegungsvorganges erzeugten Impulszyklen die Größe der Bewegung des Objektes ermitteln. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das Meßergebnis in digitaler Form geliefert, indem ein Impuls oder mehrere Impulse von jeder Periode einer Sinuswelle des Wellenbildmusters abgeleitet wird bzw. werden, und die Anzahl dieser Impulse gezählt wird.
In verschiedenen besonders gelagerten Anwendungsfällen erwies sich die digitale Form des Meßergebnisses als ungünstig, und es wurde eine stetige und gleichförmige Umwandlung der kontinuierlichen Bewegung des Musters in eine ebenso kontinuierliche Anzeigebewegung gefordert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, welche vom Prinzip der der deutschen Patentschrift 1040 268 zugrunde liegenden Meßvorrichtung ausgeht, jedoch die Messung in analoger Form auswertet. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich daher um eine Analog-Analog-Umwandlung der Messung, im Gegensatz zu der Digital-Analog-Umwandlung im Rahmen der obengenannten früheren Erfindung.
Die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Größe und der Richtung der relativen Bewegung eines ersten Objektes gegenüber einem zweiten Objekt löst diese Aufgabe. In bekannter Weise wirken dabei zwei optische Gitter als Mittel zum Erzeugen eines zyklischen, sich in Abhängigkeit von der zu erfassenden Relativbewegung bewegenden Wellenbildmusters zusammen. Außerdem tasten in ebenfalls bekannter Weise mindestens zwei fest angeordnete Vorrichtungen zum Erzeugen elektrischer Ausgangssignale die Lage des mit dem beweglichen Objekt verbundenen Gitters in gegenüber dem zweiten Objekt festgelegten Einstellungen ab. Diese Ausgangssignale sind zu jedem Zeitpunkt proportional dem Sinus oder dem Kosinus eines die Einstellung des Wellenbildmusters in diesem Moment bestimmenden Winkelwertes. Die Meßvorrichtung ist mit einem Kosinuspotentiometer und einem Sinuspotentiometer ausgerüstet, deren Kontaktarme gleichwinklig miteinander verstellt werden. Erfindungsgemäß werden dabei die Sinussignale der Abtastvorrichtung dem Kosinuspotentiometer und die entsprechenden Kosinussignale dem Sinuspotentiometer zugeführt, und ein reversibler Servomotor treibt, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Potentiometer erregt, die miteinander gekoppelten Kontaktarme der Potentiometer im Sinne einer Aufhebung dieser Differenz derart an, daß die Winkellage der miteinander gekoppelten Kontaktarme durch den Servomotor laufend annähernd gleich dem der Lageänderung des Wellenbildmusters zugeordneten Winkel gehalten ist.
Die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung wird nun an Hand dreier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
In den F i g. 1 bis 3 sind diese Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung wird die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine beschrieben, wobei das erste Objekt der bewegliche Werktisch und das zweite Objekt das Gestell der Maschine sein soll.
In F i g. 1 ist ein sich zyklisch bewegendes Wellenbildmuster, welches z.B. demjenigen in Fig.2 der deutschen Patentschrift 1 040 268 entsprechen kann, mit 300 bezeichnet. Das Muster ist so angeordnet, daß es sich zusammen mit dem nicht dargestellten Werktisch an zwei Punkten 301 und 302 vorbeibewegt, welche bezüglich des Gestells der Maschine feststehend sind. Die Muster sind an diesen zwei Punkten um 900 zueinander phasenverschoben und können somit durch die Ausdrücke sin 0 und cos e dargestellt werden, wobei 0 selbst die Winkelstellung des Musters hinsichtlich eines gegebenen Bezugspunktes darstellt.
Als Abtastvorrichtungen des Wellenbildmusters sind zwei Fotozellen 303 und 304 vorgesehen, welche hinsichtlich des Maschinengestells ebenfalls feststehend sind. Infolge der obenerwähnten Phasenverschiebung sind auch die Ausgangssignale der Fotozellen, wenn sich das Wellenbildmuster an ihnen vorüberbewegt, um 900 phasenverschoben und daher proportional zu sin e bzw cos 0.
Das Signal der Zelle 303 wird über einen Verstärker 305 auf einen Phasenteiler 307 übertragen, über dessen symmetrische Gegenphasenausgänge ein Kosinuspotentiometer 311 gespeist wird. In gleicher Weise wird das Signal der Zelle 304 über einen Verstärker 306 und einen Phasenteiler 308 auf ein Sinuspotentiometer 312 übertragen.
Die Kontaktarme 311' und 312' der Potentiometer sind mit einem Differenzverstärker 313 verbunden, dessen Ausgang als Fehlersignal übertragen wird, um einen reversiblen Servomotor 314 anzutreiben. Die Motorwelle ist mit den Kontaktarmen 311' und 312' gekoppelt, um dieselben gleichwinklig unter dem Winkel 0 miteinander zu verstellen.
Wie bereits erwähnt, bewegt sich das Wellenbildmuster entsprechend der Bewegung des Werktisches an den Fotozellen vorbei, wobei diese Zellen elektrische Signale liefern, welche 900 phasenverschoben sind. Das Potentiometer 311 erhält somit eine zu sin 0 proportionale Spannung und liefert einen zum Produkt von sin 0 und cos 0 proportionalen Ausgang. In gleicher Weise liefert das Potentiometer 312 einen zum Produkt von cos 0 und sin 0 proportionalen Ausgang. Somit ist der Ausgang des Differenzverstärkers 313 proportional zu: (sin e cos P) - (cos 0 sin 0) = sin (6)0).
Das Vorzeichen dieser Ausgangsspannung des Verstärkers 313 ist derart, daß der Motor 314, welcher von dieser Spannung erregt wird, die miteinander gekoppelten Kontaktarme der Potentiometer im Sinne einer Aufhebung dieser Differenzspannung antreibt, wodurch 0 etwa den Wert 0 annimmt. Somit kann die Größe und die Richtung der Werktischbewegung in bezug auf das Maschinengestell aus der Größe und der Richtung der Winkelbewegung der Motorwelle bezüglich eines gegebenen Bezugspunktes bestimmt werden.
Das Ansprechen der Meßvorrichtung, in welcher der Meßwert in Form einer Wellendrehung dargestellt wird, erfolgt gleichmäßiger und stetiger als bei einer Meßvorrichtung, welcher eine Impulszählung zu- grunde liegt. Die Größe der Stetigkeit und Gleichförmigkeit hängt von der Dichte ab, mit welcher die Potentiometer 311 und 312 gewickelt sind. Je geringer die Potentialdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden durch die Kontaktarme eingenommenen Stellungen ist, um so größer ist die erreichte Gleichförmigkeit. Das gleichförmige und stetige Ansprechen der Meßvorrichtung während der Bewegung des Wellenbildmusters wird durch die Trägheit des Motors zusätzlich begünstigt.
Wenn die Richtung der Bewegung des Werktisches und damit des Musters sich ändert, ändert sich auch das Vorzeichen des Ausdruckes (0-Q>), mit dem Ergebnis, daß der Motor seine Drehrichtung umkehrt.
Wo es notwendig ist, die Anzeige der Meßvorrichtung gegen Phasenstörungen zu stabilisieren, kann die Anordnung nach Fig. 1 in eine solche, wie in F i g. 2 dargestellt, abgewandelt werden. Die Störungen können verursacht werden durch Änderungen der Speisespannungen oder, wenn das Wellenbildmuster ein optisches Muster ist und die Abtastvorrichtungen Fotozellen sind, durch Helligkeitsänderungen der Lichtquelle, welche das Muster beleuchtet.
In F i g. 2 hat das Wellenbildmuster 300 drei Abtaststellungen 321 bis 323, welche dem Muster entsprechend um 1200 gegeneinander phasenverschoben sind. Das Licht dieser drei Punkte fällt auf die Fotozellen324 bis 326. Somit sind die Ausgangssignale der Fotozellen, wenn sich das Muster an diesen vorüberbewegt, ebenfalls um 1200 gegeneinander phasenverschoben.
Die eigentliche Stabilisation wird durch eine Stabilisierungsstufe 327 in einer noch zu beschreibenden Weise erreicht. Die Signale der drei Abtastvorrichtungen werden auf diese Stufe übertragen und von dort über die Leiter P, Q und R als Dreiphasenausgangssignal auf einen Phasenwandler 328 gegeben, welcher dieses in Zweiphasenform, d. h. in zwei um 900 phasenverschobene Signale umwandelt, wobei das voreilende Signal durch die Richtung der zu erfassenden Lageänderung bestimmt wird. Diese zwei Signale werden über die Leiter A' und B' auf die Phasenteiler 307 und 308 übertragen. Die übrige Anordnung ist wie in F i g. 1 beschrieben.
Die Stabllisierungsstufe 327 kann die in F i g. 2 gezeigte Form mit drei Transistoren 331 bis 333 mit gemeinsamer Emitterimpedanz in Form eines Widerstandes 334 annehmen, über den sie an eine Quelle von positivem Potential angeschlossen ist. Die entsprechenden Kollektoren sind über die Belastungswiderstände 335 bis 337 am Nullpotential gelegt und mittels der Leiter P, Q und R an den Phasenwandler 328 angeschlossen. Die Ausgänge der drei Abtastvorrichtungen liegen an den Basiselektroden.
Die Stabilisierungswirkung ergibt sich aus der den drei Eingangskreisen gemeinsamen Impedanz 334 und aus der Tatsache, daß in einem symmetrischen Dreiphasensystem die Summe der betreffenden Phasenströme in jedem Augenblick Null ist. Somit ist der Strom durch den Widerstand 334 ein konstanter, durch die Transistorkennlinien bestimmter Gleichstrom, und kein Rückkopplungssignal aus der Signalfrequenz kann über ihn ausgebildet werden.
Wenn also eine Phasenstörung der Eingangssignale vorhanden ist, d. h. wenn sich irgendwie zwei oder alle drei Phasen gleichzeitig in der gleichen Weise ändern, z. B. infolge einer Abnahme der Speisespannung, ändert sich der Strom durch die Impedanz 334 entsprechend, um so die betreffenden Basis-Emitter-Ströme im wesentlichen konstant zu halten.
Derartige Signaländerungen treten daher in den Leitern P, Q und R nicht in Erscheinung.
Die auf diese Weise durchgeführte Stabilisierung der Signale gegen Phasenstörungen macht das umständlichere und teurere Verfahren der Einzelstabilisation aller irgend möglichen Ursprünge solcher Störungen unnötig. Bei den einzelnen Störungen handelt es sich um Änderungen der Speisespannungen oder, wenn das Wellenbildmuster optisch abgetastet wird, um Helligkeitsänderungen des Lichtes und um Störungen, die in den Ansprechcharakteristiken der Fotozellen zu suchen sind.
Ein wichtiges Merkmal der Stabilisierungsstufe 327 besteht darin, daß sie gleichstromgekoppelt ist.
Eine solche Kopplung wird gefordert, damit die Meßvorrichtung einen Anzeigezustand aufrechterhält, welcher der durch den Werktisch erreichten Lage entspricht, wenn immer dieser seine Bewegung beendet. Erst bei einer erneuten Bewegung des Tisches beginnt auch die Meßvorrichtung wieder zu arbeiten.
Der Phasenwandler 328 kann verschiedene bekannte Formen annehmen, solange er gleichstromgekoppelt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht der Wandler aus einer Potentiometerschaltung mit zwei Widerständen 338 und 339, welche zwischen die Leiter P und Q bzw. Q und R gelegt sind. Der Leiter A' ist an einen Abgriff des Widerstandes 338 und der Leiter B' an einen Abgriff des Widerstandes 339 angeschlossen.
Da die Phasen der Potentiale der Widerstände 338 und 339 sich bezüglich der Phase des Potentials des Leiters Q allmählich von 0° auf 1200 ändern, wenn die Abgriffe vom Leiter Q aus nach außen bewegt werden, ist es natürlich möglich, diese Abgriffe so einzustellen, daß deren Potentiale um 450 zu dem des Leiters Q vor- bzw. nacheilen. Die Signale in den Leitern A' und B' haben dann die erforderliche Phasenverschiebung von 900.
Die Widerstände 338 und 339 sollten im Vergleich zu den Belastungswiderständen 335 bis 337 einen hohen Widerstandswert haben und die Eingangskreise der Phasenteiler 307 und 308 mit einem noch höheren Widerstand ausgerüstet sein.
Wie in Fig.3 gezeigt ist, kann eine stabilisierte Anordnung auch durch die Benutzung von vier Abtastvorrichtungen 345 bis 348 erreicht werden, die auf die Zustände des Wellenbildmusters 300 in den Punkten 341 bis 344 ansprechen, wobei diese Punkte um 900 gegeneinander phasenverschoben sind. Das Muster kann auch hier ein optisches Muster sein, wobei dann die Abtastvorrichtung aus Fotozellen besteht.
Die in Gegenphase befindlichen Ausgänge der Fotozellen 345 und 347 sind an die Basiselektroden von zwei Transistoren 351 und 352 angeschlossen, deren Emitter über einen gemeinsamen Widerstand 353 mit einer positiven Spannungsquelle verbunden sind. Die Kollektoren sind an das Kosinuspotentiometer 311 angeschlossen, dessen Erdpunkte mit der 0-Volt-Schiene für die Transistoren verbunden sind.
Das Sinuspotentiometer 312 wird in gleicher Weise von den Fotozellen 346 und 348 mittels Transistoren 354 und 355 mit gemeinsamen Emitterwiderstand 356 gespeist. Die Verbindungen von den Potentiometern zum Verstärker 313 und der Antrieb der Kontaktarme 311' und 312' vom Motor 314 sind wie vorbeschrieben.
Die Stabilisierungswirkung ist im Prinzip gleich wie bei der Anordnung der Fig.2; irgendwelche Phasenstörungen werden durch die gemeinsamen Emitterwiderstände ausgeglichen. Im übrigen arbeitet die Anordnung ähnlich derjenigen in Fig. 1, wobei jedes Potentiometer durch getrennte, in Gegenphase befindliche Fotozellen - statt durch eine Zelle und einen Phasenteiler - erregt wird.
In jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann das optische Wellenbildmuster durch ein magnetisches Muster ersetzt werden, wobei die Abtastvorrichtungen die Form eines magnetischen Abtastkopfes haben, welcher eine Lageinformation abgibt, d. h. welcher ein Ansprechen auf die Lage des Wellenbildmusters erlaubt, auch wenn dieses feststeht.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Bestimmen der Größe und der Richtung der relativen Bewegung eines ersten Objektes gegenüber einem zweiten Objekt mit zusammenwirkenden Gittern als Mittel zum Erzeugen eines zyklischen, sich in Abhängigkeit von der zu erfassenden Relativbewegung bewegenden Wellenbildmusters und mit mindestens zwei die Lage des mit dem beweglichen Objekt verbundenen Gitters in gegenüber dem zweiten Objekt festgelegten Einstellungen abtastenden, fest angeordneten Vorrichtungen zum Erzeugen elektrischer Ausgangssignale, welche zu jedem Zeitpunkt proportional dem Sinus oder dem Kosinus eines die Einstellung des Wellenbildmusters in diesem Moment bestimmenden Winkelwertes sind, und mit einem Kosinuspotentiometer und einem Sinuspotentiometer, deren Kontaktarme gleichwinklig miteinander verstellt werden, dadurch gekennzeichn e t, daß die Sinussignale und die Kosinussignale dem Kosinuspotentiometer bzw. dem Sinuspotentiometer zugeführt werden und daß ein reversibler Servomotor, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Potentiometer erregt, die miteinander gekoppelten Kontaktarme im Sinne einer Aufhebung dieser Differenz derart antreibt, daß die Winkel lage der miteinander gekoppelten Kontaktarme durch den Servomotor laufend annähernd gleich dem der Lageänderung des Wellenbildmusters zugeordneten Winkel gehalten ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Abtastvorrichtungen, bei welcher die entsprechenden Einstellungen des Wellenbildmusters um 900 gegeneinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe für die Speisung der Potentiometer einen Phasenteiler aufweisen, an dessen Eingang die zugehörige Abtastvorrichtung angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit drei Abtastvorrichtungen, bei welcher die entsprechenden Einstellungen des Wellenbildmusters jeweils um 1200 gegeneinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe für die Speisung der Potentiometer einen einer Stabilisierungsstufe nachgeschalteten Phasenwandler aufweisen, durch welchen von dem Dreiphasenausgang der Abtastvorrichtungen zwei Signale mit 900 Phasenverschiebung. ableitbar sind, derart, daß durch die Richtung der zu erfassenden Lageänderungen bestimmt wird, welches dieser Signale das voreilende Signal ist, und daß dabei jedem Potentiometer ein Phasenteiler zugeordnet ist, so daß dieses Potentiometer in Abhängigkeit von dem entsprechenden Signal der beiden Signale gespeist wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierstufe drei Verstärkervorrichtungen aufweist, welche als Eingänge die Signale von den drei Abtastvorrichtungen empfangen und mit einer allen drei Eingangskreisen gemeinsamen Impedanz zusammenwirken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit vier Abtastvorrichtungen, bei welcher die entsprechenden Einstellungen des Wellenbildmusters um 90= gegeneinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe für die Speisung der Potentiometer für jedes Paar von in Gegenphase des Wellenbildmusters zueinander angeordneten Vorrichtungen eine Stabilisierstufe aufweisen, durch deren Ausgang das entsprechende Potentiometer gespeist wird.
6. Vorrichtung nach AnspruchS, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stabilisierstufe zwei Verstärkervorrichtungen aufweist, welche als Eingänge die Signale von den zugeordneten zwei Abtastvorrichtungen empfangen und mit einer beiden Eingangskreisen gemeinsamen Impedanz zusammenwirken.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet, daß das Wellenbildmuster fotoelektrisch abtastbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbildmuster magnetisch abtastbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 040 268, 1 044-959; britische Patentschriften Nr. 807 219, 843 565; Clarence' L. Johnson, »Analog Computer Techniques«, McGrans-Hill Book Company, Inc., 1956, vgl. S. 79 bis 82.