DE1299894B

DE1299894B - Messvorrichtung zur Bestimmung der Relativbewegung zweier Objekte

Info

Publication number: DE1299894B
Application number: DEF34992A
Authority: DE
Inventors: Shepherd Alexander Turnbull
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1960-10-01
Filing date: 1961-09-23
Publication date: 1969-07-24
Also published as: GB914438A; CH421531A; US3154688A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Relativbewegung zweier Objekte, von denen eines mit einem transparenten optischen Gitter und das andere mit einem reflektierenden optischen Gitter versehen ist, mit einer das reflektierende Gitter durch das transparente Gitter beleuchtenden Lichtquelle und mindestens zwei zur Abtastung des durch die Überlagerung der Gitter entstehenden Musters geeigneten, lichtelektrischen Wandlern, bei der die Gitterebenen zueinander sowie zur Richtung der Relativbewegung parallel und die Gitterlinien des einen Gitters senkrecht zur Richtung der Relativbewegung sowie die Gitterlinien des anderen Gitters bezüglich der Gitterlinien des ersten Gitters schwach geneigt angeordnet sind und der Abtaststrahl nicht senkrecht auf die Gitterebenen geführt ist. Meßvorrichtungen dieser Art haben einen weiten Anwendungsbereich und werden z. B. zur Stellungsüberwachung und Positionierung von Werkzeugen und Werkstücken bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen u. dgl. eingesetzt.
Optische Stellungs- und Bewegungsmeßvorrichtungen mit einem transparenten und einem reflektierenden Gitter (Auflicht-Meßvorrichtungen) sind ebenso bekannt wie Meßvorrichtungen mit zwei transparenten Gittern und durchfallendem Abtaststrahl (Durchlicht-Meßvorrichtungen). Die Vorrichtungen der erstgenannten Art, wozu auch die Gattung des Erfindungsgegenstandes gehört, haben den grundsätzlichen Vorteil, daß nur auf einer Seite der Gitteranordnung Platz für die Strahlführung bzw. für die Abtastlichtquelle und die lichtelektrischen Wandler oder entsprechende Reflexionselemente erforderlich ist. Hierdurch wird eine wesentlich größere und in manchen Anwendungsfällen entscheidende konstruktive Freizügigkeit erreicht. Auch bieten reflektierende Gitter bei größeren Meßwegen bzw. Längenabmessungen herstellungstechnische und ebenfalls konstruktive Vorteile.
Diesen Gattungsvorteilen der vorliegenden Meßvorrichtungen steht jedoch der Umstand gegenüber, daß - sofern nicht unter Inkaufnahme der bekannten Verlust- und Störeffekte mit halbdurchlässigen Reflektionselementen und Strahlaufteilung gearbeitet werden soll - ein endlicher Winkel zwischen einfallendem und reflektiertem Strahl entsprechend der räumlichen Trennung von Abtastlichtquelle und lichtelektrischen Wandlern erforderlich ist. Dies hat bei den bekannten Auflicht-Meßvorrichtungen (s. deutsche Patentschrift 1040268 [F i g. 11]) zur Folge, daß der Abstand zwischen den mit den beiden gegeneinander bewegten Meßobjekten verbundenen Gittern und damit auch die unvermeidlichen Schwankungen des gegenseitigen Abstandes der Meßobjekte quer zur Richtung ihrer Relativ- bzw. Meßbewegung, z. B. infolge Führungsspiels, Herstellungstoleranzen u. dgl., in Form eines veränderlichen Parallaxefehlers in die Abtastsignale und das Meßergebnis eingehen. Besonders stark wirkt sich dieser Fehler bei sehr geringem Abstand der Gitter aus, da hier bereits vergleichsweise geringe Absolutwerte der Abstandsänderung zu großen Anderungen der Helligkeitsverteilung in der Ebene der lichtelektrischen Wandler führen. Auflicht-Meßvorrichtungen mit großem Gitterabstand (s. deutsche Patentschrift 876162) sind aber wegen Beugungseffekten und Abbildungsfehler für hohe Genauigkeitsanforderungen ohnehin wenig geeignet, so daß sich das Interesse gerade auf die für Parallaxefehler an fälligen Ausführungsformen richtet. Demgegenüber ist bei den bekannten Durchlicht-Meßvorrichtungen (s. deutsche Patentschrift 1 040268 [F i g. 1] sowie das Ferranti-Meßsystem gemäß »Electrical Review«, 24. 6. 1955, 5. 1140, 1141) grundsätzlich ohne besondere Reflexionselemente eine zur Gitterebene senkrechte Führung des Abtaststrahls und damit eine Ausschaltung des erläuterten Parallaxefehlers möglich.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Auflicht-Meßvorrichtung, welche unter Wahrung der erwähnten Gattungsvortelle gleichzeitig eine Beseitigung oder doch praktisch ausreichende Unterdrückung des Parallaxefehlers infolge Gitterabstandsänderung auch für geringe Gitterabstände ermöglicht und somit auch die wesentlichen Vorteile der bekannten Durchlicht-Meßvorrichtungen mit zur Gitterebene senkrechter Abtaststrahlführung verwirklicht. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß die lichtelektrischen Wandler so zueinander angeordnet sind, daß die gegebenen Zwischenräume für die zur Abtastung dienenden Parallelstrahlen Eingangsblenden bilden und daß jedem lichtelektrischen Wandler ein auf eine Querschnittsfläche unmittelbar neben dem betreffenden Wandler begrenztes Parallelstrahlenbündel zugeordnet ist und daß die durch das jeweils einem lichtelektrischen Wandler zugeordnete, einfallende und reflektierte Parallelstrahlenbündel gebildete Ebene senkrecht zur Richtung der Relativbewegung der Gitter angeordnet ist.
Durch die Anordnung der einfallenden und reflektierten Strahlen in einer zur Relativbewegungsrichtung der Gitter senkrechten Ebene wird erreicht, daß eine Gitterabstandsänderung jedenfalIs keine Verschiebung der reflektierten Strahlen und damit der Helligkeitsverteilung, d. h. des augenblicklichen Abtastmusters, an den lichtelektrischen Wandlern parallel zur Richtung der Relativbewegung zur Folge hat. Unter der Annahme zueinander genau paralleler und zur Relativbewegungsrichtung senkrechter Gitterlinien beider Gitter würde sich hierdurch bereits eine vollständige Beseitigung des Parallaxefehlers ergeben. Infolge der zur Bestimmung der Phasenlage der Abtastsignale bzw. zur Bestimmung des Richtungssinns der Relativbewegung dienenden Neigung der Gitterlinien eines der Gitter gegen die Senkrechte zur Relativbewegung sind mit Gitterabstandsänderungen jedoch noch schwächere Verschiebungen des Abtastmusters senkrecht zur Relativbewegung bzw. parallel zu den Gitterlinien verbunden, die ebenfalls einen - wenn auch wesentlich geringeren - Fehler in den Abtastsignalen bedingen.
Diese Fehlerkomponente kann durch Geringhaltung des Winkels zwischen einfallenden und reflektierten Strahlen auf ein praktisch unschädliches Maß vermindert werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Begrenzung der einfallenden Strahlen auf eine unmittelbar neben jeweils einem lichtelektrischen Wandler befindliche Querschnittsfläche und die Zuordnung des so begrenzten Parallelstrahlenbündels zu eben diesem Wandler, d. h. durch Abschirmung aller mit größerem Winkel einfallenden Strahlen mittels der als Eingangsblenden wirkenden Wandlerzwischenräume erreicht. Insgesamt ergibt sich also ohne besonderen Vorrichtungsaufwand eine praktisch vollständige Beseitigung aller Parallaxefehler.
Die Erfindung wird weiter an Hand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung in einer zur Richtung der Relativbewegung der Gitter senkrechten Schnittebene, F i g. 2 einen zur Relativbewegungsrichtung der Gitter parallelen Schnitt durch die Achse A in Fig. 1 und F i g. 3 in schematisch vereinfachter Form zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse der Strahlführung.
Die dargestellte Meßvorrichtung möge etwa zur Positionierung der Werkzeughalterung 13 einer Werkzeugmaschine, z. B. einer nicht weiter dargestellten Fräsmaschine, in bezug auf eine Werkstückhalterung 11, etwa einen Maschinentisch od. dgl., eingesetzt sein.
An der Werkstückhalterung 11 ist ein reflektierendes Gitter R von größerer, dem maximalen Meßweg entsprechender Länge angebracht, dessen äquidistante Gitterlinien 12 parallel zur Zeichnungsebene, d. h. senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück- und Werkzeughalterung verlaufen. Das Gitter R wirkt reflektierend für gemäß der Zeichnung von rechts einfallendes Licht.
In einer zum Gitter R parallelen Ebene sowie auf der Lichteinfallsseite vor diesem ist ein mit der Werkzeughalterung 13 fest verbundenes transparentes Gitter T mit bezüglich der Gitterlinien 12 schwach geneigten Gitterlinien 14 angeordnet. Hierdurch erzeugen die beiden Gitter ein in Richtung des Pfeils 15 in Fig. 1 periodisches und bei der Relativbewegung der Gitter ebenfalls in Richtung des Pfeils 15 fortschreitendes Abtastmuster mit entsprechender Helligkeitsverteilung.
Wie aus F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, sind mit Abstand rechts von den Gittern R und T als lichtelektrische Wandler vier Fotozellen Pl bis P 4 angeordnet, und zwar in Form von stabartigen, zueinander parallelen und sich gemäß F i g. 2 quer zu den Gitterlinien sowie parallel zur Gitterebene erstrekkenden Elementen. Durch entsprechende Anbringung in einer Halterung 16 sind zwischen benachbarten Fotozellen sowie oberhalb der obersten FotozelleP1 spaltförmige, als Eingangsblenden wirkende Zwischenräume G 0/1, G1/2, G 2/3 und G 3/4 gebildet. Die an eine übliche, nicht dargestellte Auswerteschaltung für das Abtastmuster angeschlossenen Fotozellen sind so ausgebildet, daß sie nur gegen das vom Gitter R, gemäß Fig. 1 und 2 also von links auftreffende Licht empfindlich sind. Die Fotozellen sind zusammen mit einer PunktlichtquelleS und einem im Beispielsfall nur durch eine LinseL angedeuteten Kondensor in einem Tubus 17 mit lichtabsorbierender Innenfläche untergebracht, in dessen linke Stirnseite das transparente Gitter T eingesetzt ist.
Die optische Achse A des Kondensors verläuft senkrecht zur Gitterebene und durch die Mitte der Fotozellenanordnung. Die Punktlichtquelle S ist in der dem Kondensorbrennpunkt F (s. F i g. 1) entsprechenden Brennebene, jedoch in Richtung parallel zu den Gitterlinien bzw. quer zur Längsrichtung der stabartigen Fotozellen gegen die optische Achse versetzt angeordnet. Durch diese Versetzung wird eine leichte Neigung der durch die Zwischenräume G0/1 bis G 3/4 zur Gitteranordnung einfallenden Parallelstrahlenbündel gegen die optische Achse A erreicht. In Fig. 2 ist ein einfallendes Parallelstrahlenbündel B 3 angedeutet. Weiterhin ist hierdurch der geringe Winkel 0 zwischen einfallendem und reflektiertem Parallelstrahlenbündel bestimmt (s. Fig. 1), welch letzteres jeweils auf eine zugehörige Fotozelle trifft. In Fig. 1 sind zwei derartige Paare von Parallelstrahlenbündeln B 1 und B2 angedeutet, die in der zu den Gitterlinien (genau bzw. annähernd, gemäß der schwachen gegenseitigen Neigung der Gitterlinien) parallelen Ebene geringster Abhängigkeit vom Gitterabstand liegen. Ferner ist auf diese Weise das zu einer jeden Fotozelle gelangende Licht genau auf das neben der betreffenden Fotozelle einfallende Parallelstrahlenbündel beschränkt, so daß also unter einem größeren Winkel als 5)/2 einfallendes Licht nicht zu einer Fotozelle gelangen kann, wobei die Zwischenräume der Fotozellen als Eingangsblenden wirken. Damit ist ein Optimum der von der Größe des Winkels 0 umgekehrt abhängigen Meßgenauigkeit im Hinblick auf Parallaxefehler durch Gitterabstandsänderungen gewährleistet.
In F i g. 3 sind die geometrischen Verhältnisse der Strahlenführung im einzelnen dargestellt. Hierin ist 2w die Breite einer Fotozellen und 2g diejenige eines Zwischenraumes zweier Fotozellen, während d der Abstand zwischen einer mittleren Ebene der Gitteranordnung und der Ebene der Fotozellenvorderseite ist. Der mittlere Strahl eines einfallenden Parallelstrahlenbündels ist in F i g. 3 mit B' bezeichnet. Für den Einfalls- und Reflexionswinkel gilt dann 0/2 = l/2- (w + g)/d.
Dieser Winkel sollte durch entsprechende Wahl der Größen d, g und w unter der Annahme einer idealen Punktlichtquelle auf einen Minimalwert gebracht werden. Unter Berücksichtigung der endlichen Ausdehnung der Lichtquellen üblicher Art hat sich in der Praxis ein Verhältnis g = 2 w/3 als günstig erwiesen, da hierbei auch unter den realen Bedingungen der Winkel e gleich demjenigen Winkel (angenähert) ist, unter dem die Breite einer Fotozelle von der Gittermittelebene aus betrachtet erscheint.
Ausgehend von dem dargestellten Beispiel, ergeben sich verschiedene Abwandlungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. So kann z. B. gegebenenfalls die Lichtquelle auf der optischen Achse A des Kondensors, diese jedoch zur Senkrechten auf die Gitterebene um den Winkel 0/2 geneigt angeordnet werden. Weiterhin kann unter Umständen mit Vorteil eine lineare Lichtquelle an Stelle einerPunktlichtquelleverwendet werden, sofern erstere parallel zu den Gitterlinien verläuft. Nachteilige Wirkungen treten hierbei unter der Voraussetzung nicht auf, daß l/f (l= Länge der Lichtquelle, f = Kondensorbrennweite) klein gegen das Verhältnis s/d (s = Wellenlänge des periodischen Abtastmusters, d s. F i g. 3) ist. Ferner versteht es sich, daß entsprechende Ausführungen mit einer geringeren Anzahl von z. B. nur zwei Fotozellen und entsprechenden Eingangsblenden mit den gleichen Vorteilen denkbar sind. Weiter kann z. B. das kurze, mit dem Tubus 17 verbundene Gitter reflektierend und das längere, mit der Werkstückhalterung 11 verbundene Gitter transparent ausgebildet werden, wobei letzteres in geeigneter Weise zwischen reflektierendem Gitter und Fotozellen hindurchgeführt wird. Im allgemeinen ist jedoch die reflektierende Ausbildung des längeren Gitters herstellungstechnisch günstiger.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Meßvorrichtung ist ferner mit den gleichen Vorteilen auch bei rotierenden an Stelle von gegeneinander linear bewegten Meßobjekten bzw. Gittern anwendbar.
Hierbei können die Gitter z. B. auf relativ zueinander rotierenden, koaxialen Zylindern oder auch auf ebenfalls koaxial drehbaren Kreisscheiben od. dgl. angebracht werden. Im ersten Fall sind die Gitterlinien (genau bzw. angenähert) achsparallel, im zweiten Fall radial angeordnet. In beiden Fällen liegt die Ebene der einfallenden und reflektierten Strahlen in entsprechender Weise parallel bzw. angenähert parallel zu den jeweils abgetasteten Gitterlinien und senkrecht zur - in diesen Fällen tangentialen -Richtung der Relativbewegung der Gitterlinien.

Claims

Patentanspruch: Meßvorrichtung zur Bestimmung der Relativbewegung zweier Objekte, von denen eines mit einem transparenten optischen Gitter und das andere mit einem reflektierenden optischen Gitter versehen ist, mit einer das reflektierende Gitter durch das transparente Gitter beleuchtenden Lichtquelle und mindestens zwei zur Abtastung des durch die Überlagerung der Gitter entstehenden Musters geeigneten, lichtelektrischen Wandlern, bei der die Gitterebenen zueinander sowie zur Richtung der Relativbewegung parallel und die Gitterlinien des einen Gitters senkrecht zur Richtung der Relativbewegung sowie die Gitterlinien des anderen Gitters bezüglich der Gitterlinien des ersten Gitters schwach geneigt angeordnet sind und der Abtaststrahl nicht senkrecht auf die Gitterebenen geführt ist, d a d u r c h g ekennzeichnet, daß die lichtelektrischen Wandler (Pl bis P4) so zueinander angeordnet sind, daß die gegebenen Zwischenräume (G0/1 bis G3/4) für die zur Abtastung dienenden Parallelstrahlen Eingangsblenden bilden und daß jedem lichtelektrischen Wandler (P1 bis P4) ein auf eine Querschnittsfläche unmittelbar neben dem betreffenden Wandler begrenztes Parallelstrahlenbündel zugeordnet ist und daß die durch das jeweils einem lichtelektrischen Wandler zugeordnete, einfallende und reflektierte Parallelstrahlenbündel (B 1, B2) gebildete Ebene senkrecht zur Richtung der Relativbewegung der Gitter angeordnet ist.