DE1278126B - Arrangement for generating a signal indicating and / or controlling the position of a movable body relative to a fixed reference system - Google Patents
Arrangement for generating a signal indicating and / or controlling the position of a movable body relative to a fixed reference systemInfo
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Description
Anordnung zum Erzeugen eines die Lage eines bewegbaren Körpers relativ zu einem festen Bezugssystem anzeigenden und/oder steuernden Signals.Arrangement for generating a relative position of a movable body to a fixed reference system indicating and / or controlling signal.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen eines die Lage eines bewegenden Körpers relativ zu einem festen Bezugssystem anzeigenden und/oder steuernden Signals mittels eines Intensitätsfeldes, in dem die Intensität örtlich nach einem periodischen Muster variiert, dessen Lage relativ zum Bezugssystem von der Körperlage abhängt, und mittels einer dem Intensitätsfeld zugeordneten, im Bezugssystem ruhenden Meßfühlererrichtung mit mindestens zwei, elektrische Signale abgebenden Meßfühlern, die Intensitätswerte an solchen Stellen des räumlichen Musters ermitteln, an denen die Phasen des Musters voneinander unterschiedlich sind. The invention relates to an arrangement for producing a indicating the position of a moving body relative to a fixed reference system and / or controlling signal by means of an intensity field in which the intensity varies locally according to a periodic pattern, its position relative to the reference system depends on the body position, and by means of an Sensor device resting in the reference system with at least two electrical signals emitting sensors, the intensity values at such points of the spatial pattern determine where the phases of the pattern are different from each other.
Es sind Einrichtungen bekannt, um die Drehzahl eines umlaufenden Körpers, z. B. einer Welle, zu bestimmen. Bei diesen Einrichtungen wird die Häufigkeit des Erscheinens einer oder mehrerer an dem umlaufenden Körper vorgesehener Marken an einem ortsfesten Meßfühler bzw. Meßumformer bestimmt, der beim Erscheinen der Marken Impulse abgibt, deren Frequenz gemessen wird und ein Maß für die Drehzahl darstellt. Die Impulsabgabe kann dabei auf mechanischem, magnetischem, kapazitivem, induktivem oder lichtelektrischem Wege erzeugt werden. There are devices known to the speed of a rotating Body, e.g. B. a wave to determine. At these facilities the frequency is the appearance of one or more marks provided on the rotating body determined on a stationary sensor or transducer, which when the Brands emits pulses, the frequency of which is measured and a measure of the speed represents. The impulse output can be based on mechanical, magnetic, capacitive, be generated inductively or photoelectrically.
Auch sind Einrichtungen bekannt, mit denen nach dem gleichen Prinzip die Größe einer geradlinigen Bewegung eines Körpers relativ zu einem festen Bezugssystem bestimmt wird. Dazu weist z. B. das Bezugssystem mehrere in gleichem Abstand voneinander angeordnete Marken (Teilstriche) auf, die von einem am bewegbaren Körper befestigten Meßumformer beim Vorbeibewegen des Körpers an den Teilstrichen abgetastet werden. Facilities are also known with which on the same principle the size of a linear movement of a body relative to a fixed frame of reference is determined. For this purpose z. B. the reference system several equidistant from each other arranged marks (tick marks) attached to the movable body by a Transmitter are scanned when the body moves past the graduation marks.
Die Entfernung des Körpers von einer bestimmten Ausgangslage bzw. die vom Körper durchlaufene Strecke läßt sich bei diesen Einrichtungen durch Zählen aller von dem Meßfühler seit dem Entfernen des Körpers aus der Ausgangslage abgegebenen Impulse bestimmen. The distance of the body from a certain starting position or the distance traveled by the body can be determined by counting in these devices all delivered by the probe since the body was removed from the original position Determine impulses.
Eine auf diese Weise vorgenommene Entfernungs-bzw. Lagebestimmung eines Körpers ist um so genauer, je enger und genauer die abgetastete Teilung ist. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, sehr genaue und insbesondere für die Messung kleiner Wegstrecken geeignete Teilungen auf optischem Wege durch die Interferenz von Gitterstrichen zweier übereinanderliegender optischer Gitter zu erzeugen. A removal or removal carried out in this way. Orientation of a body is the more precise, the narrower and more precise the scanned division is. It has therefore already been proposed to be very accurate and especially for that Measurement of small distances suitable divisions optically through the interference from grating lines of two superimposed optical grids.
Die mit dem Abzählen von Impulsen arbeitenden Einrichtungen lassen nur dann eine Lagebestimmung zu, wenn der Körper eine Strecke tatsächlich durch- laufen hat, da anderenfalls gar keine zählbaren Impulse erzeugt werden. Let the devices working with the counting of impulses a position determination only if the body actually traverses a distance to run otherwise no countable pulses are generated.
Soll die Bestimmung der Lage aus der durchlaufenen Strecke auch dann möglich sein, wenn der Körper seine Bewegungsrichtung wechselt, ist eine Unterscheidung der in der einen oder anderen Bewegungsrichtung abgegebenen Impulse und entsprechende Addition bzw. Subtraktion erforderlich. Should the determination of the position from the route traveled also then being possible when the body changes its direction of movement is a distinction the pulses emitted in one or the other direction of movement and the corresponding Addition or subtraction required.
Bekannte Einrichtungen, bei denen eine durchleuchtete Strichplatte oder ein Interferenzmuster auf photoelektrischem Wege abgetastet werden, weisen zwei oder drei Photozellen auf, die das Muster in geringem Abstand voneinander abtasten und ständig gegenseitig phasenverschobene Signale abgeben, wobei aus der Phasenverschiebung die Bewegung richtung des Körpers bestimmt wird. Über entsprechend betätigte Kippschaltungen werden die aus einem der Signale abgeleiteten Zählimpulse entweder dem Additions- oder dem Subtraktionskanal eines Zählers zugeleitet. Durch die Verwendung von Gleichstromverstärkern für die Photozellensignale wird sichergestellt, daß solche Einrichtungen auch bei erneuter Körperbewegung nach einem Stillstand ihre Funktion korrekt wieder aufnehmen. Um Nachteile zu beseitigen, die durch Änderung des Gleichstromniveaus auf Grund thermischer Drift oder Alterung der Bauteile entstehen, ist weiterhin vorgeschlagen worden, an Stelle von zwei Photozellen vier, paarweise in einer Gegentaktanordnung betriebene Photozellen zu verwenden.Known institutions in which an illuminated reticle or an interference pattern are scanned photoelectrically two or three photocells that scan the pattern at a short distance from each other and continuously output mutually phase-shifted signals, whereby from the phase shift the direction of movement of the body is determined. Via appropriately operated flip-flops the counting pulses derived from one of the signals are either sent to the addition or fed to the subtraction channel of a counter. Through the use of DC amplifiers for the photocell signals it is ensured that such devices also at renewed body movement after a standstill to correctly resume their function. To eliminate disadvantages caused by changing the DC level thermal drift or aging of the components is also suggested instead of two photocells four, in pairs in a push-pull arrangement to use powered photocells.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit der die Lage eines bewegbaren Körpers relativ zu einem festen Bezugssystem bestimmbar ist, ohne daß der Körper eine Meßstrecke durchlaufen muß, mit der also z. B. auch dann eine Ermittlung der Körperlage möglich ist, wenn der Körper anfänglich noch gar keine Bewegung ausgeführt hat, und die außerdem ohne nur schwer und mit hohem Aufwand zu kompensierende Gleichstromschaltungen auskommt. The object on which the invention is based is to provide an arrangement to create with which the position of a movable body relative to a fixed reference system can be determined without the body having to travel through a measuring section, i.e. with the z. B. A determination of the body position is also possible when the body is initially has not yet performed any movement, and besides, only with difficulty and without high effort to compensate direct current circuits gets by.
Eine eingangs beschriebene Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) eine zyklisch arbeitende Schalteinrichtung, die die einzelnen Meßfühler in unterschiedlichen Bereichen des Schaltzyklus einschaltet; b) eine auf die Schalteinrichtung folgende Summationseinrichtung, in der eine Reihe der aufeinanderfolgenden Ausgangssignale der einzelnen Meßfühler gebildet wird; c) eine Phasenvergleichseinrichtung, die ein der relativen Phasenlage jeweils eines Ausgangssignals der Summationseinrichtung zum Bezugssignal des jeweiligen Schaltzyklus entsprechendes Signal erzeugt. An arrangement described at the outset for solving this problem is according to the invention characterized by the combination of the following features: a) a cyclically operating switching device, which the individual sensors in different Switches on areas of the switching cycle; b) one following the switching device Summing device in which a series of the successive output signals the individual sensor is formed; c) a phase comparison device which one of the relative phase position of an output signal of the summation device corresponding signal generated for the reference signal of the respective switching cycle.
Bei dieser Anordnung wird die von der relativen Lage des bewegbaren Körpers abhängige räumliche Phase des Intensitätsmusters durch ein Signal mit entsprechender zeitlicher Phase repräsentiert. Deren Lage in bezug auf die eine Soll- bzw. Ausgangslage des Körpers repräsentierende Phase eines Bezugssignals gibt ein Maß für die Entfernung des Körpers von der Soll- bzw. Ausgangslage. Eine Bestimmung der Lage des Körpers ist deshalb auch dann möglich, wenn der Körper sich nicht eine bestimmte Strecke bewegt hat. Wegen der zyklisch arbeitenden Schalteinrichtung für die einzelnen Meßfühler sind keine gleichstromgekoppelten Schaltungen notwendig. With this arrangement, the relative position of the movable Body-dependent spatial phase of the intensity pattern through a signal with a corresponding the temporal phase. Their position in relation to the one target or starting position of the body representing the phase of a reference signal gives a measure of the distance of the body from the target or starting position. A determination of the position of the body is therefore possible even when the body does not follow a certain route moved. Because of the cyclical switching device for the individual sensors no DC-coupled circuits are necessary.
Die Phasen des Intensitätsmusters an den Stellen, an denen mittels der Meßfühler die Intensitätswerte bestimmt werden, müssen sich voneinander unterscheiden, wobei es grundsätzlich gleichgültig ist, um welchen Betrag. Um eine möglichst einfache Ausbildung der Anordnung zu erreichen, ist es jedoch zweckmäßig, die Anordnung der Meßfühler so zu wählen, daß sich die Phase des Intensitätsmusters an der Meßstelle jedes einzelnen Meßfühlers von der an der Meßstelle des ersten Meßfühlers um jeweils 1 + X, 2 + B usw. Perioden des Musters unterscheidet. Dabei sind n die Gesamtzahl der Meßfühler und A und B beliebige ganze Zahlen, die auch Null sein können. Es ist jedoch möglich, daß ein Meßfühler jeweils mehrere Stellen gleicher Phase abtastet. The phases of the intensity pattern at the points where means the probe the intensity values are determined must differ from each other, it is basically irrelevant by what amount. To be as simple as possible To achieve the formation of the arrangement, however, it is expedient to change the arrangement of the Choose the sensor so that the phase of the intensity pattern is at the measuring point of each individual sensor from that at the measuring point of the first sensor by 1 + X, 2 + B etc. periods of the pattern are different. Where n is the total number the sensor and A and B any whole numbers, which can also be zero. It however, it is possible that a sensor scans several points of the same phase.
Das Intensitätsfeld kann auf verschiedene Weise verwirklicht sein. Es kann sich um ein magnetisches oder elektrisches Feld handeln. Zum Beispiel ist es möglich, ein periodisches magnetisches Muster auf einem Magnetband von geeigneter Länge festzuhalten und dieses zusammen mit dem bewegbaren Körper an magnetischen Abtastköpfen vorbeizuführen. Auch ist es denkbar, die stehenden elektromagnetischen Wellen in einem Hohlleiter auszunutzen oder ein Feld akustischer, thermischer oder mechanischer Größen zu erzeugen. The intensity field can be realized in different ways. It can be a magnetic or an electric field. For example is it possible to create a periodic magnetic pattern on a magnetic tape of suitable To hold the length and this together with the movable body on magnetic Move scanning heads past. It is also conceivable to use the standing electromagnetic To exploit waves in a waveguide or a field acoustic, thermal or to generate mechanical quantities.
Bevorzugt ist die Verwendung eines Beleuchtungsfeldes, das durch photoelektrische Elemente abgetastet wird und zweckmäßigerweise mittels zweier relativ zueinander bewegbarer optischer Gitter erzeugt wird. Hierbei kann es sich um lichtdurchlässige Gitter handeln, oder eines der Gitter kann als Reflexionsgitter ausgebildet sein. Das Interferenzmuster kann durch geringe Neigung der Linien des einen Gitters gegenüber demjenigen des anderen Gitters oder durch eine unterschiedliche Gitterteilung der beiden Gitter erzielt werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Beugungsgitter eine der Anzahl der Meßfühler bzw. Photozellen entsprechende Anzahl von Unterteilungen aufweist. The use of an illumination field that is preferred is through Photoelectric elements is scanned and expediently by means of two relative mutually movable optical grating is generated. This can be translucent Act grating, or one of the grids can be designed as a reflection grating. The interference pattern can be achieved by the slight inclination of the lines of one grating opposite that of the other grid or by a different grid division of the two grids can be achieved. It is particularly useful if a diffraction grating a number of subdivisions corresponding to the number of sensors or photocells having.
Selbstverständlich kann es sich anstatt des linearen Intensitätsmusters auch um ein polares Muster handeln, wobei die sich wiederholenden Perioden in Winkelabständen um einen Pol herum angeordnet sind. Diese Anordnung ist dann zweckmäßig, wenn die Lage eines Teilkopfes oder eines drehbaren Zeigers bestimmt werden soll. It can of course be used instead of the linear intensity pattern also act around a polar pattern, with the repeating periods at angular intervals are arranged around a pole. This arrangement is useful when the Position of a dividing head or a rotatable pointer is to be determined.
Die zyklische Einschaltung der einzelnen Meßfühler kann in bekannter Weise auf elektronischem Wege durch An- und Ausschalten der Meßfühler, z. B. mit Hilfe von Rechteckimpulsen, geschehen. The cyclical activation of the individual sensors can be done in a known manner Way electronically by turning the sensors on and off, e.g. B. with With the help of square pulses, happen.
J;edoch ist es auch möglich, geeignete Rechteckimpulse mit Hilfe der Ausgangssignale der Meßfühler so zu modulieren, daß die Amplituden der Impulse von den Ausgangssignalen der Meßfühler abhängen.However, it is also possible to generate suitable square-wave pulses using the To modulate the output signals of the sensors so that the amplitudes of the pulses of depend on the output signals of the sensors.
Wird die vorgeschlagene Anordnung z. B. an Werkzeugmaschinen verwendet, die mit Hilfe auf Magnetband gespeicherter Signale gesteuert werden, sind zweckmäßigerweise auch die zur Einschaltung der Meßfühler dienenden Rechtecksignale auf diesem Band gespeichert. If the proposed arrangement z. B. used on machine tools, which are controlled with the help of signals stored on magnetic tape are expedient also the square-wave signals on this tape that are used to switch on the sensors saved.
Ohne Band läßt sich eine einfache und betriebssichere Einschaltung der Meßfühler mit Hilfe eines Rechteckwellengenerators erzielen, dessen Ausgangssignal in einer Verzögerungsschaltung in gegenseitig phasenverschobene Steuersignale für den einzelnen Meßfühlern zugeordnete, elektronische Schalter umgeformt wird. A simple and reliable switch-on can be carried out without a tape the sensor can achieve its output signal with the aid of a square wave generator in a delay circuit in mutually phase-shifted control signals for Electronic switches assigned to the individual sensors are transformed.
Vorteilhafterweise wird vom Ausgangssignal des gleichen Rechteckwellengenerators auch das zum Phasenvergleich dienende Bezugssignal abgeleitet, da dann die Anordnung unabhängig von Frequenz- oder Phasenverschiebungen des Generators immer korrekt arbeitet. Advantageously, the output signal of the same square wave generator the reference signal used for phase comparison is also derived, since then the arrangement always correct regardless of frequency or phase shifts of the generator is working.
Da das Bezugssignal vorzugsweise phasenmodulierbar ist, was sich am einfachsten dann verwirklichen läßt, wenn das Signal des Rechteckwellengenerators eine mehrfach höhere Frequenz als das Bezugssignal hat, und außerdem die Steuersignale für die Meßfühler zweckmäßigerweise die gleiche Frequenz wie das Bezugssignal haben, ist zwischen dem Rechteckwellengenerator und der Verzögerungsschaltung ein Frequenzteiler eingeschaltet. Since the reference signal is preferably phase modulable, which is easiest to realize when the signal of the square wave generator has a frequency several times higher than the reference signal, and also the control signals for the sensors it is advisable to have the same frequency as the reference signal, is a frequency divider between the square wave generator and the delay circuit switched on.
Grundsätzlich arbeitet die Anordnung schon mit zwei oder auch drei Meßfühlern. Bevorzugt wird jedoch die Verwendung von vier Meßfühlern, wodurch die Meßgenauigkeit erhöht wird und sich die Verzögerungsschaltung besonders einfach aufbauen läßt, da die erforderlichen Phasenverschiebungen dann 1800 bzw. 900 betragen. In diesem Fall werden die Meßfühler in gleichen Zeitabständen nacheinander und alle für die gleiche Dauer eingeschaltet, z. B. für die Dauer eines halben oder eines viertel Schaltzyklus. Basically, the arrangement works with two or even three Sensors. However, the use of four sensors is preferred, whereby the Measurement accuracy is increased and the delay circuit is particularly simple build up leaves, since the required phase shifts then 1800 and 900 respectively. In this case, the sensors are at equal time intervals one after the other and all switched on for the same duration, e.g. B. for the duration of a half or quarter switching cycle.
Bei einer anderen Ausbildungsform schaltet die Schalteinrichtung mindestens zwei das Intensitätsfeld erzeugende Lichtquellen an Stelle der Meßfühler ein. In another embodiment, the switching device switches at least two light sources generating the intensity field instead of the measuring sensors a.
Das die relative Lage des Körpers repräsentierende Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung kann direkt einer in einem Rückstellkreis zur Änderung der Lage angeordneten Servoeinrichtung zugeleitet werden, um den Körper in einer durch das Bezugssignal vorgegebenen Sollage zu halten. The output signal representing the relative position of the body the phase comparison device can directly change one in a reset circuit the position arranged servo device are fed to the body in a to hold the target position specified by the reference signal.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Erläuterung der Erfindung, Fig. 2 einen Impulsplan für die Anordnung nach Fig. 1, F i g. 3 eine alternativ verwendbare Schaltung eines Teiles der Anordnung nach F i g. 1. The invention is described below with reference to schematic drawings explained in more detail using several exemplary embodiments. 1 shows a schematic Representation of the arrangement to explain the invention, FIG. 2 shows a pulse plan for the arrangement according to FIG. 1, F i g. 3 shows an alternatively usable circuit of a Part of the arrangement according to FIG. 1.
Die Anordnung nach der Erfindung wird in beispielhafter Anwendung bei einer Werkzeugmaschine beschrieben, bei der die Lage eines beweglichen, nicht gezeigten Schlittens relativ zum ortsfesten, ebenfalls nicht gezeigten Bett der Maschine be-Stimmt werden soll. Ein kurzes Beugungsgitter 11 ist in einer zur Bewegungsrichtung des Schlittens parallelen Ebene am Bett so angebracht, daß die bei 12 angedeuteten Gitterlinien rechtwinklig zur Bewegnngsrichtung des Schlittens verlaufen. Am Schlitten ist ein langes Beugungsgitter 13 in geringem Abstand zum Beugungsgitter 11 und in einer zu diesem parallelen Ebene befestigt, so daß sich bei einer Bewegung des Schlittens das lange Beugungsgitter am kurzen Beugungsgitter entlang bewegt. Beide Gitter werden mittels einer auf der Seite des kurzen Beugungsgitters ortsfest angebrachten Beleuchtungsenrichtung, die eine Lichtquelle 14 und eine Sammellinse 15 umfaßt, durchleuchtet, wodurch auf der Seite des langen Gitters ein sich wiederholendes Interferenzmuster unterschiedlicher, räumlich verteilter Lichtintensitäten sichtbar ist, dessen räumliche Lage bzw. Phasenlage, bezogen auf einen orstfesten Punkt, sich nach der relativen Stellung der Gitter und damit des Schlittens richtet. Eine solche Anordnung von Beugungsgittern ist bekannt. The arrangement according to the invention is applied by way of example described in a machine tool in which the position of a movable, not shown slide relative to the stationary, also not shown bed of the Machine is to be determined. A short diffraction grating 11 is in one to the direction of movement of the carriage parallel plane attached to the bed so that the indicated at 12 Grid lines run at right angles to the direction of movement of the slide. On the sledge is a long diffraction grating 13 at a short distance from the diffraction grating 11 and in attached to a plane parallel to this, so that when the carriage moves moves the long diffraction grating along the short diffraction grating. Both grids will be by means of a fixed lighting direction on the side of the short diffraction grating, which comprises a light source 14 and a converging lens 15, transilluminated, whereby on on the side of the long grating a repeating interference pattern of different, spatially distributed light intensities is visible, whose spatial position or phase position, based on a fixed point, according to the relative position of the grids and thus straighten the sledge. Such an arrangement of diffraction gratings is known.
Das Interferenzmuster hat den aus den Fig. 1 und 2 bei 20 ersichtlichen, annähernd sinusförmigen räumlichen Verlauf. Das Muster wird mittels vier, in einer Reihe im Abstand voneinander angeordneter Phototransistoren 16 abschnittsweise »gesehen«, zu denen das Licht durch vier einstellbare Öffnungen 17 und eine Zylinderlinse 18 gelangt. Die Abstände zwischen den Phototransistoren entsprechen einem Viertel der Wellenlänge des Interferenzmusters. Die Öffnungen 17 dienen zum Einstellen der die einzelnen Phototransistoren treffenden Lichtmengen, damit diese sämtlich, unabhängig von individuellen Unterschieden in der Lichtempfindlichkeit, die gleiche effektive Empfindlichkeit besitzen. The interference pattern has that shown in FIGS. 1 and 2 at 20, approximately sinusoidal spatial course. The pattern is made using four, in one Row of spaced-apart phototransistors 16 "seen" in sections, to which the light passes through four adjustable openings 17 and a cylindrical lens 18 got. The distances between the phototransistors correspond to a quarter of the Wavelength of the interference pattern. The openings 17 are used to adjust the individual phototransistors striking amounts of light, so that all of them, independently of individual differences in photosensitivity, the same effective Possess sensitivity.
Für die vier Phototransistoren 16 ist ein gemeinsamer Außenwiderstand 19 vorgesehen, an den sie in nachstehend zu beschreibender Weise parallel in einem sich wiederholenden Zyklus nacheinander an- geschaltet werden, und zwar jeweils für gleich große Bruchteile der Periodendauer des Schaltzyklus. Die Größe dieses Bruchteils kann grundsätzlich frei gewählt werden; im vorliegenden Beispiel werden die Phototransistoren jeweils für die Dauer einer halben Periode angeschaltet. Da die Phototransistoren dem gemeinsamen Außenwiderstand 19 parallel zugeschaltet werden, entsteht an diesem ein Signal, das eine Komponente mit der Frequenz des Umschaltsignals aufweist und dessen Phasenlage sich nach der räumlichen Lage des Interferenzmusters, d. h. nach der relativen Stellung der beiden Beugungsgitter richtet. Die höherfrequenten Komponenten dieses Signals werden in nachfolgend zu beschreibender Weise ausgefiltert und das verbleibende Signal wird in ein rechteckförmiges Signal umgewandelt, welches das endgültige Ist- bzw. Stellungssignal 21 darstellt und dessen Phasenlage ein Maß für die Stellung des Werkzeugmaschinenschlittens ist. There is a common external resistance for the four phototransistors 16 19 is provided to which they are in parallel in a manner to be described below repeating cycle one after the other are switched, each for equal fractions of the period of the switching cycle. The size of that fraction can in principle be freely chosen; in the present example the phototransistors each switched on for half a period. As the phototransistors the common external resistance 19 are connected in parallel, arises at this a signal having a component having the frequency of the switching signal and whose phase position depends on the spatial position of the interference pattern, d. H. after the relative position of the two diffraction gratings. The higher frequency components this signal are filtered out in the manner to be described below and the remaining signal is converted into a square wave signal, which is the represents final actual or position signal 21 and its phase position a measure for the position of the machine tool slide.
Die Phasenlage des Signals 21 wird durch Phasenvergleich mit einem gleichfrequenten, ebenfalls rechteckförmigen Sollsignal 22 bestimmt, das entsprechend einer gewünschten bestimmten Sollstellung des Schlittens phasenmodulierbar ist. Beim Vergleich zwischen dem Stellungs- bzw. Istsignal 21 und dem Bezugs- bzw. Sollsignal 22 wird ein Fehlersignal 23 erzeugt, das eine Gleichstromkomponente aufweist, deren Größe von dem Phasenunterschied zwischen den Signalen 21 und 22 abhängt. Das Fehlersignal kann zur Anzeige der Schlittenstellung mittels eines elektrischen Meßinstrumentes dienen oder aber einem Stellmotor 24 zugeführt werden, der eine Schlittenbewegung in Richtung auf die Sollstellung bewirkt, bis das Fehlersignal auf Null zurückgegangen ist. The phase position of the signal 21 is determined by phase comparison with a constant frequency, likewise rectangular setpoint signal 22 is determined, the corresponding a desired specific target position of the carriage is phase modulated. When comparing the position or actual signal 21 and the reference or setpoint signal 22, an error signal 23 is generated which has a direct current component whose Size of the phase difference between the signals 21 and 22 depends. The error signal can be used to display the slide position by means of an electrical measuring instrument serve or be fed to a servomotor 24, which a slide movement in the direction of the target position until the error signal has decreased to zero is.
Wenn infolge der Feinheit der Beugungsgitter 11 und 13 der durch eine Periode des Fehlersignals 23 repräsentierte Schlittenweg für ein einwandfreies Arbeiten des Servosystems zu klein ist, kann er um einen Faktor verlängert werden, indem man das Stellungssignal 21 und das Sollsignal 22 vor dem Phasenvergleich durch diesen Faktor dividiert. If due to the fineness of the diffraction gratings 11 and 13 by a period of the error signal 23 represented carriage path for a proper If the servo system is too small, it can be extended by a factor by checking the position signal 21 and the setpoint signal 22 before the phase comparison dividing this factor.
Sowohl ein die zyklische Anschaltung der Phototransistoren 16 an den gemeinsamen Außenwiderstand 19 steuerndes Signal als auch das Sollsignal werden aus einem Signal abgeleitet, das ein mit 10 kHz arbeitender Multivibrator 31 erzeugt, der zwei Transistoren 32 enthält. Both a cyclic connection of the phototransistors 16 on the common external resistance 19 controlling signal and the setpoint signal derived from a signal generated by a multivibrator 31 operating at 10 kHz, which contains two transistors 32.
Ein am ersten der Transistoren 32 abgenommenes 10-kHz-Rechtecksignal wird einem zweistufigen Frequenzteiler 33 zugeführt, der die Impulsfrequenzen im Verhältnis 5 : 1 und 2 : 1 auf 1 kHz heruntersetzt. Von dort gelangt das Signal in eine Verzögerungsschaltung34, die vier rechteckförmige, gleichfrequente Signale von 500 Hz erzeugt, von denen das zweite, dritte und vierte Signal gegenüber dem ersten Signal um 90, 180 und 2700 phasenverschoben sind. A 10 kHz square wave signal taken from the first of the transistors 32 is fed to a two-stage frequency divider 33, which converts the pulse frequencies in Ratio 5: 1 and 2: 1 reduced to 1 kHz. The signal arrives from there into a delay circuit 34, the four square wave signals of the same frequency of 500 Hz, of which the second, third and fourth signals are opposite to the first signal are 90, 180 and 2700 out of phase.
Die Schaltung 34 umfaßt zwei Flip-Flop-Schaltungen 71 und 72 sowie ein Und-Gatter 73. Der Frequenzteiler 33 weist zwei Ausgänge auf, die jeweils gleichfrequente Impulsreihen abgeben, die untereinander um 1800 phasenverschoben sind. Ein Ausgang ist unmittelbar mit dem Eingang der Flip-Flop-Schaltung 71 verbunden, die in zwei Ausgängen gegenphasige rechteckförmige Signale zur Steuerung der Einschaltung des ersten und dritten Phototransistors abgibt. Ein Ausgang der Schaltung 71 ist mit dem Eingang des Und-Gatters 73 verbunden, dessen anderem Eingang die vom zweiten Ausgang des Frequenzteilers stammenden Impulse zugeführt werden, die außerdem einem Eingang der Flip-Flop-Schaltung 72 zugeführt werden, deren zweiter Eingang mit dem Ausgang der Und-Schaltung verbunden ist. Die Flip-Flop-Schaltung 72 gibt zwei gegenphasige rechteckförmige Einschalt-Steuersignale für die beiden anderen Phototransistoren ab. Da die Schaltung 72 kippt, wenn das Eingangssignal vom Und-Gatter positiv wird, wenn also an beiden Eingängen dieses Gatters gleichzeitig Impulse auftreten, was erst der Fall ist, nachdem der mit dem Gatter verbundene Ausgang der Schaltung 71 positiv geworden ist und dann vom Teiler 33 ein Impuls abgegeben wird, ist sichergestellt, daß die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltung 72 zeitlich stets den entsprechenden Ausgangssignalen der Flip-Flop-Schaltung 71 folgen, und, da die beiden Ausgangssignale des Zählers 33 um 1800 außer Phase sind, um 900 nacheilen. The circuit 34 includes two flip-flop circuits 71 and 72 as well an AND gate 73. The frequency divider 33 has two outputs, each with the same frequency Emit pulse series which are phase-shifted by 1800. An exit is directly connected to the input of the flip-flop circuit 71, which is divided into two Outputs anti-phase square signals to control the activation of the first and third phototransistor outputs. An output of the circuit 71 is with to the The input of the AND gate 73 is connected, the other input of which is that of the second output of the frequency divider originating pulses are fed, which also an input the flip-flop circuit 72 are fed, the second input to the output connected to the AND circuit. The flip-flop circuit 72 gives two antiphase Square-wave switch-on control signals for the other two phototransistors away. Since circuit 72 toggles when the input signal from the AND gate goes positive, so if impulses occur simultaneously at both inputs of this gate, what is only the case after the output of the circuit 71 connected to the gate has become positive and then a pulse is emitted by the divider 33, it is ensured that that the output signals of the flip-flop circuit 72 always correspond in time to the corresponding Output signals of the flip-flop circuit 71 follow, and, since the two output signals of counter 33 are out of phase by 1800, lag by 900.
Die vier Steuersignale gelangen an die Basen von vier in den Emitterkreisen der Phototransistoren 16 liegenden Schalttransistoren 35 und schalten über diese die einzelnen Phototransistoren nacheinander für die Dauer einer Halbwelle der Rechteckspannungen an den Widerstand 19, wodurch an diesem ein Signal 38 entsteht, das sich aus vier, jeweils aufeinanderfolgenden und zeitlich überlappenden Komponenten 37 zusammensetzt, von denen jede der jeweiligen Beleuchtungsstärke des zugehörigen Phototransistors entspricht. The four control signals go to the bases of four in the emitter circuits of the phototransistors 16 lying switching transistors 35 and switch over them the individual phototransistors one after the other for the duration of a half-wave of the square-wave voltages to the resistor 19, whereby a signal 38 is generated at this, which is composed of four, composing successive and temporally overlapping components 37, each of which is the respective illuminance of the associated phototransistor is equivalent to.
Die Phototransistoren 16 und die Schalttransistoren 35 werden unter ähnlichen Arbeitspunktbedingungen betrieben, so daß sich ungünstige Auswirkungen einer etwaigen thermischen Drift ungefähr kompensieren. In den Basiskreisen der Phototransistoren angeordnete Potentiometer dienen zum Abgleich der Dunkelströme. The phototransistors 16 and the switching transistors 35 are below similar operating point conditions operated, so that there are unfavorable effects approximately compensate for any thermal drift. In the base circles of the Potentiometers arranged in phototransistors are used to adjust the dark currents.
Das aus den Komponenten 37 zusammengesetzte, stufenförmige Signal 38 wird in einer Integrierschaltung 40 geglättet und gelangt als Signal 39 ohne Gleichstromanteil an den Eingang eines Schmitt-Triggers 41. Dieser kippt jeweils beim Nulldurchgang des Signals 39 und gibt dabei das rechteckförmige Stellungssignal 21 ab, welches die gleiche Frequenz von 500Hz wie die Steuersignale aufweist, dessen Phasenlage jedoch ein Maß für die relative Stellung der beiden Beugungsgitter ist. The step-shaped signal composed of the components 37 38 is smoothed in an integrating circuit 40 and arrives as signal 39 without Direct current component at the input of a Schmitt trigger 41. This triggers each time at the zero crossing of the signal 39 and gives the square-wave position signal 21 from, which has the same frequency of 500Hz as the control signals, its However, the phase position is a measure of the relative position of the two diffraction gratings.
Die Glättung des Signals 38, d. h. die Ausfilterung höherfrequenten Komponenten ist zweckmäßig, um ein Signal 39 zu erhalten, das eine relativ große Komponente mit der Frequenz der die Einschaltung der Phototransistoren steuernden Signale bzw. des Sollsignals 22 enthält, was einen genaueren Phasenvergleich ermöglicht. Wichtig ist, daß die dazu verwendete Schaltung eine möglichst von den vorkommenden Frequenzen unabhängige Phasenverschiebung bewirkt. Neben der angegebenen Integrierschaltung 40 lassen sich bekannte, als Bandpaß- oder Tiefpaßfilter ausgebildete RC- oder LC-Schaltungen verwenden. The smoothing of the signal 38, i. H. filtering out higher frequencies Components is useful in order to obtain a signal 39 which is a relatively large Component with the frequency that controls the activation of the phototransistors Contains signals or the setpoint signal 22, which enables a more precise phase comparison. It is important that the circuit used for this is one of the existing ones if possible Frequency independent phase shift causes. In addition to the specified integrating circuit 40 known RC or LC circuits designed as band-pass or low-pass filters can be used use.
Der zeitliche Verlauf der Signale 37, 38 und 39 ist in F i g. 1 und 2 nur der Deutlichkeit halber einzeln dargestellt. Tatsächlich treten die einzelnen Signale 37 nur jeweils einzeln in den Kollektorkreisen der Phototransistoren 16 auf, und der Summierungs- und Integrationsvorgang ist derart kombiniert, daß direkt das Signal 39 erzeugt wird, ohne daß es möglich ist, das Signal 38 getrennt nachzuweisen. The time course of signals 37, 38 and 39 is shown in FIG. 1 and 2 shown individually only for the sake of clarity. Indeed, the individual occurs Signals 37 only in each case individually in the collector circuits of the phototransistors 16 on, and the summation and integration process is combined in such a way that directly the Signal 39 is generated without it being possible to detect the signal 38 separately.
Zur Bildung des Sollsignals 22 triggert ein am zweiten Transistor 32 des Multivibrators 31 abgenommenes Rechtecksignal eine monostabile Kippschaltung 43, die eine entsprechende Impulsreihe über eine Oder-Schaltung 45 und eine Und-Schaltung 46 an einen Frequenzteiler 47 abgibt. Dieser leitet für je zehn Eingangsimpulse einen Impuls an eine Flip-Flop-Schaltung48, die jeweils beim Eintreffen eines Impulses kippt und dadurch das rechteckförmige Sollsignal 22 erzeugt, dessen halbe Periodendauer der Dauer von zehn der dem Frequenzteiler 47 zugeführten Impulse entspricht. A triggers on the second transistor to form the setpoint signal 22 32 of the multivibrator 31 picked up square wave signal is a monostable multivibrator 43, which a corresponding pulse series via an OR circuit 45 and an AND circuit 46 outputs to a frequency divider 47. This conducts every ten input pulses a pulse to a flip-flop circuit48, each time a pulse arrives tilts and thereby generates the rectangular target signal 22, half of the period duration corresponds to the duration of ten of the pulses fed to the frequency divider 47.
Das Stellungssignal 21 und das Sollsignal22 sind somit Rechteckwellen von gleicher Frequenz, zwischen denen gegebenenfalls eine Phasenverschiebung auftritt, die sich nach einem etwa vorhandenen Unterschied zwischen der tatsächlichen Stellung des Schlittens der Werkzeugmaschine und der durch das Sollsignal vorgegebenen Stellung des Schlittens richtet. The position signal 21 and the nominal signal 22 are thus square waves of the same frequency, between which a phase shift may occur, which look for any difference between the actual position of the slide of the machine tool and the position specified by the setpoint signal of the sledge.
Die beiden Signale 21 und 22 werden einer Flip-Flop-Schaltung 49 zugeführt, die ein Ausgangssignal 23 in Abhängigkeit vom Phasenunterschied zwischen den Signalen 21 und 22 erzeugt, welches nach entsprechender Verstärkung, wie beschrieben, dem Stellmotor zugeführt wird. The two signals 21 and 22 are sent to a flip-flop circuit 49 fed, which an output signal 23 depending on the phase difference between the signals 21 and 22 generated, which after appropriate amplification, as described, is fed to the servomotor.
Für eine Veränderung der Sollstellung des Schlittens muß die Phasenlage des Sollsignals 22 verändert werden. Dies geschieht in einfacher Weise, indem den in der Zeiteinheit dem Frequenzteiler 47 normalerweise zugeführten Impulsen zur Vorverlegung der Phase ein Impuls hinzugefügt bzw. zur Verzögerung der Phase ein Impuls entnommen wird. Dazu werden je nachdem, in welche Richtung die Sollstellung des Schlittens verlegt werden soll, entweder der Klemme 51 oder der Klemme 52 ein oder, für eine größere Verlegung, mehrere Befehlsimpulse zugeführt. Die Eingabe von Befehlsimpulsen bewirkt über den jeweiligen Klemmen 51 bzw. 52 zugeordnete, identische Synchronisationsschaltungen, die eine Flip-Flop-Schaltung 61, eine Und-Schaltung 62, eine Flip-Flop-Schaltung 63, eine Und-Schaltung 64 und eine Umkehrschaltung 65 umfassen, das Einfügen eines zusätzlichen Impulses an der Oder-Schaltung 45 bzw. das Unterdrücken eines Impulses an der Und-Schaltung 46, wobei Impulse aus einer an den Multivibrator 31 angeschlossenen Kippschaltung44 benutzt werden, die die gleiche Form und Frequenz wie die aus der Schaltung 43 aufweisen, gegenüber diesen aber um 1800 phasenverschoben sind. For a change in the target position of the slide, the phase position must of the setpoint signal 22 can be changed. This is done in a simple manner by using the in the unit of time to the frequency divider 47 normally supplied pulses A pulse is added to advance the phase or on to delay the phase Pulse is taken. This depends on the direction in which the target position of the carriage is to be relocated, either clamp 51 or clamp 52 or, for a larger installation, several command pulses are supplied. The input of command impulses caused via the respective terminals 51 or 52 assigned, identical synchronization circuits, a flip-flop circuit 61, an AND circuit 62, a flip-flop circuit 63, an AND circuit 64 and an inverting circuit 65 include the insertion of an additional pulse at the OR circuit 45 or the suppression of a pulse at the AND circuit 46, with pulses from a to the multivibrator 31 connected toggle circuit 44 are used, which the have the same shape and frequency as those from circuit 43, compared to these but are out of phase by 1800.
Zur Erzeugung und Phasenschiebung des Sollsignals 22 kann auch jede andere geeignete Schaltung verwendet werden. Beispielsweise läßt sich das Sollsignal aus den vier rechteckförmigen, die Einschaltung der Phototransistoren steuernden Signalen erzeugen, die an ein als Brückenschaltung ausgebildetes Potentiometer gelegt werden, von dem eine in der Phasenlage von der Schleiferstellung des Potentiometers abhängige Spannung abnehmbar ist, die nach Filterung und Rechteckformung dem Signal 22 entspricht. Any other suitable circuitry can be used. For example, the setpoint signal from the four rectangular ones that control the activation of the phototransistors Generate signals that are applied to a potentiometer designed as a bridge circuit one of which is in the phase position of the wiper position of the potentiometer dependent voltage can be removed after filtering and square-wave shaping the signal 22 corresponds.
In manchen Fällen ist es zweckmäßig, die Eingänge der Frequenzteiler 33 und 47 miteinander zu vertauschen, so daß nunmehr die Steuerspannungen für die Phototransistoren phasenmoduliert sind und das resultierende Stellungs- bzw. Istsignal mit den nun phasenkonstanten Sollsignal 22 verglichen wird. In some cases it is useful to use the inputs of the frequency divider 33 and 47 to be interchanged, so that now the control voltages for the Phototransistors are phase modulated and the resulting positional or the actual signal is compared with the setpoint signal 22, which is now phase-constant.
In einer abgewandelten Ausführungsform werden die zur Steuerung der Phototransistoren erforderlichen rechteckförmigen Signale aus einem auf Magnetband aufgezeichneten rechteckförmigen Signal gewonnen. Dazu wird das Magnetband in üblicher Weise mit einem als Differentiator wirkenden Abtastkopf abgetastet (Fig.3), der auf die Flanken der aufgezeichneten Rechteckkurve anspricht und ein Ausgangssignal 80 von abwechselnd positiven und negativen Impulsen erzeugt. Diese werden bei 81 verstärkt und der Primärwicklung eines Übertragers 82 zugeführt, dessen in der Mitte angezapfte Sekundärwicklung in einer Gegentaktschaltung mit den beiden Eingängen einer Flip-Flop-Schaltung 83 verbunden ist. Die beiden Ausgangssignale der Schaltung83 sind rechteckförmige Einschaltsignale 84 bzw. 85 für den ersten und dritten Phototransistor. In a modified embodiment, to control the Phototransistors required square wave signals from an on magnetic tape recorded rectangular signal obtained. For this purpose, the magnetic tape is used in the usual Way scanned with a scanning head acting as a differentiator (Fig. 3), the responds to the edges of the recorded square wave and an output signal 80 generated by alternating positive and negative pulses. These are at 81 amplified and fed to the primary winding of a transformer 82, its in the middle tapped secondary winding in a push-pull circuit with the two inputs a flip-flop circuit 83 is connected. The two output signals of the circuit 83 are square-wave turn-on signals 84 and 85 for the first and third phototransistors.
Das Signal 85 dient außerdem nach Integration in der Schaltung 86 zum Triggern einer Kippschaltung 87, die rechteckförmige und gegenüber den Signalen 84 und 85 jeweils um 900 phasenverschobene Einschaltsignale 88 bzw. 89 für die beiden anderen Phototransistoren abgibt. Diese Anordnung ist relativ störungsfrei und erlaubt außerdem, komplizierte Arbeitsgänge, z. B. an der Werkzeugmaschine, mit Hilfe geeigneter, auf dem gleichen Band aufgezeichneter Programmsignale durchzuführen.The signal 85 is also used after integration in the circuit 86 to trigger a flip-flop 87, the square and opposite the signals 84 and 85, turn-on signals 88 and 89, each phase shifted by 900, for the two other phototransistors emits. This arrangement is relatively trouble-free and allowed moreover, complicated operations, e.g. B. on the machine tool, with the help of suitable, program signals recorded on the same tape.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
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GB1278126X | 1959-08-07 |
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DER28512A Pending DE1278126B (en) | 1959-08-07 | 1960-08-08 | Arrangement for generating a signal indicating and / or controlling the position of a movable body relative to a fixed reference system |
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Citations (3)
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DE849454C (en) * | 1949-11-01 | 1952-09-15 | Licentia Gmbh | Device for speed comparison measurement on counters |
DE899534C (en) * | 1951-05-01 | 1953-12-14 | Licentia Gmbh | Device for testing electricity meters |
DE925454C (en) * | 1952-10-29 | 1955-03-21 | Hispano Suiza Suisse S A | Spinning and twisting machine with a worm drive for each spindle |
-
1960
- 1960-08-08 DE DER28512A patent/DE1278126B/en active Pending
Patent Citations (3)
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