DE1448795A1

DE1448795A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE1448795A1
Application number: DE19621448795
Authority: DE
Inventors: Mclaren Ronald Robert; Shepherd Alexander Turnbull; Donald Walker
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1961-09-07
Filing date: 1962-08-30
Publication date: 1968-10-31
Also published as: NL142254B; GB967291A; DE1448795B2; US3234361A; CH417979A

Description

PATENTAKWALT

DR. QUARDER 1

STUTTGART ;

Richard-Wagner-Straße 16 Telefon 244446

28. August 1962

FERRANTI LTD. Hollinwood / Lancashire

Patentanmeldung; Deutschland Kennwort; "WeUenmuster-Abtastung"

A 9047 3/Fi

Meß vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Größe und Richtung der Bewegung eines zyklischen WeUenmusters von annähernd sinusförmiger Wellenform in der einen oder anderen von zwei einander entgegengesetzten Richtungen gegenüber einem Bezugssystem.

Das Muster selbst kann sich proportional zu der Bewegung eines Objektes bewegen, beispielsweise einer Meßsonde oder eines Teiles eines Maschinenwerkzeuges, so daß durch die Messung der Musterbewegung diejenige des Objektes bestimmt werden kann.

Es ist bereits bekannt« eine solche Messung durch das algebraische Summieren der Impulse zu bewirken« die indirekt von zwei oder mehr voneinander entfernten PrOf- oder Abtastvorrichtungen entsprechend dem Muster abgeleitet werden, wobei die Impulse das einejoder andere Vorzeichen haben oder entsprechend der Richtung der Bewegung im einen oder anderen

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von zwei Kanälen auftreten können, und ihre Gesamtsumme die Größe der Bewegung angibt.

Unter gewissen ungünstigen Betriebsbedingungen kann dabei jedoch eine Fehlzählung der Impulse auftreten. So kann beispielsweise vorübergehend die zu messende Bewegung so schnell sein, daß die sie darstellenden Impulse so rasch aufeinanderfolgen, daß sie von dem Zähler nicht mehr erfaßt werden, so daß einige von ihnen unwiderruflich verloren sind. Schwingbewegungen können die gleiche Wirkung hervorrufen. Bei einer plötzlichen Bewegungsumkehr können ebenfalls Impulse verlorengehen, wenn der Zähler nicht fähig ist, schnell genug aus der Additionsschaltung in die Subtraktionsschaltung umzustellen. Auch können Impulse durch zeitweilige Störungen im Stromkreis des Zählers verlorengehen, beispielsweise bei einem verspäteten Einsatz eines Multivibrators·

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, bei der eine Messung durch eine Impulszählung bewirkt wird, und die mindestens weitgehend frei von Fehlerquellen, insbesondere von den vorstehend erwähnten ungünstigen Bedingungen ist, die eine Fehlzählung der Impulse verursachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Größe und Richtung der Bewegung eines zyklischen Wellenmusters von annähernd sinusförmiger Wellenform in der einen oder anderen von zwei einander entgegengesetzten Richtungen gegenüber einem Bezugssystem gelöst, die mindestens zwei Anzeigevorrichtungen aufweist, die so angeordnet sind, daß sie elektrisch auf die Stellungen des Mustere jeweils an einer Position unter einer gleichen Anzahl von Positionen ansprechen, die im Hinblick auf das Bezugssystem festliegen. Sie weist ferner je ein mit Abgriffen versehenes Kosinus-Potentiometer und ein Sinus-Potentiometer auf und Schaltstufen zum Erregen dieser Potentionfter durch Signale, die von den Anzeigevorrichtungen abgeleitet sind. Die abgetasteten Stellungen des Musters sind so außer Phase miteinander und die Stufen sind so angeordnet, daß die Signale in jedem Augenblick proportional dem Sinus bzw. Kosinus eines Winkels sind, der eine

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Stellung des Musters in diesem Augenblick charakterisiert. Die Vorrichtung weist außerdem Schaltorgane zum Zuschalten der Abgriffe eines jeden Potentiometers und einen Doppelrichtungs-Schaltzähler auf, der so geschaltet ist, daß er von elektrischen Impulsen betätigt wird, solange die Differenz zwischen den Aus gangs spannungen der zugeschalteten Abgriffe des entsprechenden Potentiometers einen vorbestimmten Wert übersteigt, und der in dieser Schaltstellung so betätigt wird, daß er ein Weiterschalten zwischen den Abgriffen in einer Richtung bewirkt, in der die Differenz zwischen den Ausgange spannungen aufgehoben werden kann.

Der Zähler kann Zifferstufen aufweisen, die jeweils einem bestimmten Winkel zugeordnet sind, der jeweils durch einen bestimmten Abgriff eines jeden Potentiometers dargestellt ist. Jede dieser Stufen hat einen Ausgang, der gegenüber den Ausgängen der anderen Zifferstufen charakteristisch erregt wird, sobald der Zähler die betreffende Ziffer hält. Es sind außerdem Steuerorgane vorgesehen, die diese Ausgangspunkte mit den Schaltorganen so verbinden, daß jeder Ausgangspunkt, wenn er charakteristisch erregt ist, nur mit dem zugehörigen Abgriff eines jeden Potentiometers wirksam verbunden wird.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispieles einer Meßvorrichtung für ein Maschinenwerkzeug beschrieben, bei dem das Muster sich mit dem Werktisch relativ zum Bezugssystem bewegt, das durch den Werkzeugrahmen gebildet wird. In der beiliegenden Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein scheraatisches Schaltbild einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild einer in Fig. 1 schematisch dargestellten Schaltstufe;

Figg. 3 bis 6 einzelne Schaltbilder weiterer Vorrichtungsteile.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet ein Muster 10 mit sinusförmiger Wellenform. Dieses Muster kann ein optisches Muster sein, wie es beispielsweise bei einer Vorrichtung gemäß dem deutschen Patent 1 040 268 der An-

O Π Π 'i η ··'; /Mr η /

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melderin verwendet wird« Das Muster bewegt sich mit dem nicht dargestellten Werktisch an zwei Positionen 11 und 12 vorbei, die gegenüber dem Werkzeugrahmen festliegen. Die Stellungen des Musters an diesen beiden Positionen sind um 90 äußer Phase miteinander und können somit durch die Ausdrücke sin Θ* und cos Q dargestellt werden, wobei Q- selbst die Winkellage des Musters gegenüber einem Bezugspunkt am Werkzeugrahmen angibt.

Zur Erzielung einer entsprechenden/dektrisehen Anzeige dieser Stellungen des Musters sind zwei Anzeigevorrichtungen in Form von Photozellen 21 und 22 vorgesehen, die ebenfalls gegenüber dem Werkzeugrahmen eine feste Stellung einnehmen. Aufgrund der vorstehend angegebenen Phasenbeziehung sind die Ausgangssignale der Zellen beim Vorbeigang des Musters um 90 gegeneinander phasenverschoben und proportional sin Q- bzw« cos Q-. Das von der Photozelle 21 gelieferte Signal wird über eine Verstärkerstufe auf eine Phasenteiler stuf e 17 gegeben, deren ausgeglichene Gegegenphasenausgänge mit einem Kosinus-Potentiometer ji 19 verbunden sind. In gleicher Weise werden die von der Photozelle 22 gelieferten Signale über eine Verstärkerstufe 16 auf eine Phasenteilerstufe 18 gegeben, die mit einem Sinus-Potentiometer 20 verbunden ist, Unter einem "Kosinus-Potentiometer" wird ein Potentiometer verstanden, das mit Abgriffen versehen ist, die so angeordnet sind, daß die Spannung an einem dieser Abgriffe dem Kosinus des Winkels entspricht, den dieser Abgriff darstellen soll. In ähnlicher Weise verhält es sich mit dem genannten "Sinus-Pctentiometer". Im allgemeinen gleichen sich Sinus- und Kosinus-Potentiometer hinsichtlich der Wicklung aus Widerstandsdraht und hinsichtlich der Abgriffe, Sie unterscheiden sich lediglich in den Winkelwerten, die den einzelnen Abgriffen zugeschrieben werden.

Das Kosinus-Potentiometer 19 ist an sechs Stellen angezapft, die alle im gleichen T inkelabstand von 36 angeordnet sind, sodaß die Abgriffe den Winkelbereich von 0° bis 180° erfassen. Dabei erweist sich von Vorteil, daß der Bereich eines Kosinus-Potentiometers von 0° bis 180° dem Bereich von 180 bis 360° gleicht, so daß mit den gleichen Abgriffen auch der zuletzt genannte Bereich dargestellt werden kann. Mit den sechs Abgriffen

δ 0 9 3 Π ^r ; 0 8 7 U

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wird also der gesamte Winkelbereich von 360 mit den zehn einzelnen Winkellagen 0°, 36°, 72° 324° erfaßt. Wie später noch beschrieben wird, können die Abgriffe in Abhängigkeit von den zehn Ziffern 0-9 ausgewählt werden. Die Endabgriffe sind mit CT (cosine tap) 0 und CT 5 bezeichnet, da sie nur die Winkel 0 (oder 360 ) bzw. 180° bezeichnen. Die anderen Abgriffe sind dagegen mit CTl/9 (die Winkel 36° und 324° darstellend), CT2/8 (72° und 288 ) usw. bezeichnet.

Die Abgriffe sind einzeln durch Schaltorgane CS (Kosinus-Schalter) 0, CSl /9, usw. mit einer gemeinsamen, dem Potentiometer speziell zugeordneten Auegangsleitung 25 verbunden.

Das Potentiometer 20 ist in gleicher Weise mit Abgriffen im Abstand von 36 versehen. Da dieses Potentiometer jedoch als Sinus-Potentiometer verwendet wird, wird der Bereich von 360° durch die fünf Abgriffe ST (sine tap) 0/5 (die Winkel 0° und 180° darstellend), ST1/4 (36° und 144°), ST2/3 (T2° und 108°), ST6/9 (216° und 324°), und ST7/8 (252° und 288°) erfaUt, von denen der Abgriff STO/5 einen Mittelpunktsabgriff darstellt, und die anderen Abgriffe dazu wie aus der Zeichnung ersichtlich angeordnet sind. Diese Abgriffe sind einzeln über Schalter SS (Sinus-Schalter) 0/5, SSl/4 usw. mit einer dem Potentiometer 20 speziell zugeordneten Ausgangsleitung 26 verbunden.

Der Einfachheit halber werden die Schalter CS und SS als Schalter elektromechanischer Art betrachtet und sind als solche auch in Fig. 1 dargestellt (wo gerade die Schalter CSl/9 und SSl/4 geschlossen sind). In Wirklichkeit werden jedoch im allgemeinen elektronische Schalter verwendet, wie sie nachstehend beschrieben werden.

Die Leitungen 25 und 26 sind mit dem Eingang eines Differenzverstärkers 27 verbunden, dessen Ausgang ein Fehlersignal zur Steuerung der Additions- und Subtraktionstore GA und GS liefert, die parallel zueinander mit dem Ausgang einer Impulsquelle 31 verbunden sind. Die Ausgangeseiten der Tore werden zur Steuerung einer Vorrichtung 32 mit zwei Schaltstellungen verwendet, deren Ausgang Ober Leitungen 33 mit den Additions-/Subtraktions-Steuerscbienen eines Hauptaählers 34 und eines phasenstarren Schaltzählers 35 verbunden

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sind. Die Ausgänge der Tore sind auch mit der Eingangsseite eines ODER* Tores 36 verbunden« dessen Ausgang das Betriebssignal für beide Zähler liefert.

Der Zähler 34 ist ein Zähler mit mehreren Dekaden, der in zwei Richtungen zählen kann und der zur Anzeige der algebraischen Summe der dem Zäliler 35 zugeführten Impulse und damit zur Anzeige der Stellung des Werktisches geschaltet ist.

Der Zähler 3δ ist ein Zweirichtungszähler elektronischer Form mit einer einzigen Dekade mit zehn Ausgängen in Form der Leiter DO bis D9, die die entsprechenden Ziffern des Zählers darstellen. Jede Ausgangsleitung ist jeweils nur einem Winkel zugeordnet, der durch einen Abgriff an jedem. Potentiometer dargestellt ist. Diese Leitungen sind also in einer noch später angeführten Art und Weise und in Fig. 1 nur durch die gestrichelten Linien angedeuteten Art und Weise so verbunden, daß sie die Schalter CS und SS steuern. Sie sind im Vergleich miteinander so charakteristisch erregt, daß wenn der Zähler die Ziffer 0 hält und folglich die entsprechende Ausgangsleitung DO aktiviert ist, nur die Schalter CSO und SSO/5 geschlossen sind, wobei sie die entsprechenden Abgriffe mit den Leitern 25 bzw. 26 verbinden. Hält der Zähler die Ziffer 1, sind nur .die Schalter CSl/9 und SSl/4 geschlossen usw. Ein schrittweises Schalten des Zählers 35 von der Ziffer 0 zur Ziffer 9 und zurück zur Ziffer 0 bewirkt, daß die Abgriffe über einen Bereich von 360 bei 0 beginnend und wieder bei 0 endend abgetastet werden, wobei sie bei einem bestimmten Wert (} beispielsweise in den entsprechenden Potentiometern die durch die augenblicklich zugeschalteten Abgriffe dargestellten Winkel gleich halten. Das über die Leitung 25 gelangende Ausgangssignal ist daher immer proportional dem Produkt aus cos φ und der an dasPotentiometer 1 θ gelegten Spannung. Das Ausgangssignal auf der Leitung 26 ist proportional dem Produkt von sin (f und der das Potentiometer 20 erregenden Spannung.

Befindet sich das Muster um den Winkel Θ- vom Ausgangspunkt entfernt, wird das Potentiometer 19 proportional zu sin Θ· erregt und liefert somit über die Leitung 25 eine Spannung, die proportional dem Produkt ein Θ» cos P

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ist. In gleicher Weise liefert das Potentiometer 20 über die Leitung 26 eine Spannung, die proportional dem Produkt aus cos Q und sin (Jl ist. Der Auegang des Differenzverstärkers 27 liefert somit ein Fehlersignal« das von der Differenz zwischen diesen Spannungen abhängt, also abhängt von:

(sin Q- χ cos φ) - (cos Q- χ sin φ) * sin (Θ- - $,

Für kleine Winkelunterschiede (bis zu etwa 20 ) kann für sir( 9· - $ gleich (Q. - φ) gesetzt werden.

Richtung und Größe dieses Fehlerausgangs3ignales des Verstärkers 27 bewirken, daß das Tor GA geöffnet wird, wenn ψ !deiner ist als Q bis zu einer Größe von mindestens der Hälfte der Vv'inkeldifferenz zwischen den einzelnen Abgriffen - d.h., v/enn G- mehr als 18 größer ist als φ - . Dagegen wird das Tor GS geöffnet, wenn Q- bis zum gleichen Maße kleiner als φ wird. Wie später erklärt werden wird, bewirkt diese Richtungsunterscheidung, daß der Zähler so betrieben wird, daß er die Abgriffe nacheinander in einer Richtung zuschaltet, in der das Fehlersignal aufgehoben werden kann.

Es soll angenommen werden, daß sich bei Inbetriebnahme der Werktisch zunächst in einer Ausgangspotition befindet, in der Q den Bezugs wert O hat. Außerdem soll angenommen werden, daß der Zähler 35 auf die Ziffer 0 geschaltet ist und dementsprechend nur die Schalter CSO und SSO/5 geschlossen sind, und daß jede Dekade des Zählers 34 ebenfalls auf der Ziffer 0 steht. Wenn diese beiden Schalter geschlossen sind, ist der Winkel φ_$ der durch den zugehörigen Abgriff dargestellt ist, gleich 0 . Es sind also Q· = fa so daß kein Aus gangs signal am Verstärker 27 auftritt. Die Tore GA und GS sind also beide geschlossen und keiner der fortlaufend von der Impulsquelle 31 erzeugten Impulse kann zu den Zählern gelangen.

Angenommen, der Tisch und damit das Muster bewege aich vorwärts, so steigt der IVert für θ an. Mit dem bisher nicht ausgelösten Zähler 35 bleiben die Schalter CSO und SSC/5 geschlossen und halten #>auf 0 . Der Verstärker 27 beginnt daher ein Fohlersignal zu erzeugen, das jedoch nicht sofort stark genug ist, um eines der Tore zu beeinflussen. Sobald Q

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jedoch 18 überschreitet, reicht das erzeugte Fehlersignal aus, um eines der Tore zu öffnen, und zwar im vorliegenden Falle das Tor GA, da ψ kleiner ist als ©·. Der nächste von der Impulsquelle 31 erzeugte Impuls gelangt also durch das Tor GA. Dieser Impuls hat zwei Wirkungen: er stellt die Vorrichtung 32 in ihre Additions stellung (wenn sie nicht bereits in dieser Stellung ist), so daß beide Zähler in ihre Vorwärt&Zclhlstellung gebracht sind, und gelangt über das Tor 36 auf die Zähler, um jeden um eine Ziffer vorzustellen.

Die Wirkung des Weiterschaltens des Zählers 35 besteht darin, daß die Schalter CSO und 330/5 geöffnet und die Schalter CSl/9 und SSl/4 geschlossen werden, wodurch der "V/inkel φ in jedem Potentiometer auf 36 vergrößert wird; φ also Q- nachgestellt und möglichst gleichgestellt wird. Dadurch tendiert das Fehlersignal nach Null, und wenn die V. inkeldifferenz kleiner als 18 wird, reicht das Fehlersignal nicht mehr aus, das Tor GA (bzw. GS) offen zu halten, und es gelangen keine weiteren Impulse zu den Zählern, bis Q- wiedermn gegenüber dem neu eingestellten Wert φ eine Differenz von mehr als 18 erreicht hat.

Die Bewegung des Musters ist also begleitet von einem entsprechenden Umschalten zwischen benachbarten Fotentiometerabgriffen durch den Zähler 35, wodurch eine schrittweise Änderung ues Winkels φ jeweils nach einem Zuwachs des sich stetig ändernden Winkels Q- von einem halben Teilungswinkel (18 ) erzielt wird. Die zum Zähler 34 gelangenden Impulse werden dort addiert, und aus ihrer Gesamtsumme ergibt sich eine Anzeige der Stellung des Tisches.

Sollte sich der Tisch aus einer vorgerückten Stellung zurückbewegen, so wird $ kleiner als φ. Die Folge davon ist, daß nunmehr durch das Fehlersignal bei einer ausreichend großen ^: /inkeldifferenz das Tor GS geöffnet und die Vorrichtung 32 ausgelöst wird, und die Zähler in ihre Subtraktionsstellung geschaltet werden. Der Zähler 35 zählt nun in der umgekehrten Richtung wiederum in Anpassung des .vertes von φ an den ^'ert von Q-. Im Zähler 34 werden die Impulse von der Gesamtsumme abgezogen, \vodurch der verringerte Abstand des Tisches von seiner Ausgengsbezugsstellung angezeigt wird.

Der Zähler wird also von den Impulsen in einem Riehtungssinne betätigt, der vom Richtungssinn der Differenz zwischen den Spannungen auf den mit den zugeschalteten Abgriffstellen verbundenen Leitungen 25 und 26 abhängt, und sobald diese Differenz einen vorbestimmten Wert, der durch eine Winkeldifferenz von 18 zwischen der Stellung des Musters und dem Schaltzustand- der Potentiometer bestimmt ist, überschreitet.

Wenn die Tischbewegung aufhört, arbeitet die Vorrichtung solange weiter, bis φ in der Nähe von Q- liegt und die Stärke des Fehlersignals nicht mehr zum Schalten der Tore GA oder GS ausreicht. Dann gelangen keine. Impulse mehr zu den Zählern, und die im Zähler gehaltene Summe zeigt die vom Tisch eingenommene Ruhestellung an.

Sollte eine kurze, vorübergehende Bewegung des Tisches eintreten, die schneller ist als die Grenzansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung, die durch die Folgegeschwindigkeit der von der Quelle 31 gelieferten Impulse bestimmt wird« tritt kein bleibender Fehler auf, solange dadurch φ nicht um mehr als die Hälfte eines Zyklus se a de3 Musters hinter θ zu liegen kommt, denn nach dem Aufhören dieser vorübergehenden Bedingung arbeitet die Vorrichtung weiter, bis φ Q- eingeholt hat> ohne daß irgendwelche Impulse verloren gehen. Vas geschieht, wenn φ einen halben Zyklus hinter Q nacheilt, und wie man sich gegen eine selche Fehlschaltung schützen kann, wird später beschrieben.

Die Vorrichtung arbeitet auch in der vorstehend beschriebenen Weise, wenn irgendein momentanes Versagen von einem der Zähler eintreten sollte, beispielsweise durch das verspätete Auslösen eines Multivibrators. Die Charakteristik der Vorrichtung erlaubt es, den Hauptzähler kurzzeitig anzuhalten, um beispielsweise eine automatische Ablesung vorzunehmen, während der Meß- und Steuerprozeß als solcher insgesamt ununterbrochen weiterlaufen kann. Jeder Impuls in den Zählern stellt ein Zehntel der Tischbewegung dar, die durch einen Zyklus des Musters dargestellt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein unechter, an den Zählern ankommender, von den Photozellen oder selbst von einer lokalen Interferenzquelle ausgehender Impuls nur eine augenblickliche Fehlanzeige der Zähler bewirkt, da, sobald der Impuls aufgehört hat, die Zähler auto- - *

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matiseh in ihre echte Phasenlage zu den Zellenausgängen zurückgestellt werden.

Um zu gewährleisten, daß der bei irgendeiner Umkehrung der Bewegungsrichtung des Musters auftretende Impuls Zeit hat, die Vorrichtung 32 zu betätigen und damit jeden Zähler in die andere Zählrichtung umzuschalten» ehe der Impuls den Zählern zugeführt wird, kann eine Verzögerungsstufe 33 notwendig werden, wie sie in Fig. 1 zwischen dem ODER-Tor 38 und den Zählern gestrichelt angedeutet ist.

Wie bereits erwähnt, sind die Schalter CS und SS vorzugsweise elektronische Schalter. Eine vorteilhafte Ausführung eines solchen Schalters - beispielsweise des Schalters CSl/9 - ist in Fig. 2 dargesteEt. Der zugeordnete Abgriff CTl /9 ist mit der Leitung 25 über zwei einander entgegengesetzte Punkte einer Gleichrichter brücke 41 verbunden, deren andere beiden einander entgegengesetzten lunkte mit dem .Qmitter bzw. dem Kollektor eines Schalttransistora 42 verbunden äind. Die Basis des Transistors 42 ist über einen Widerstand 43 mit der Kollektorelektrode eines weiteren Transistors 44 verbunden, die außerdem über einen Widerstand 45 an eine negative Spannungsquelle gelegt ist. Der Emitter ist an eine positive Spannungsquelle gelegt. Die Basis ist mit dem Abgriff eines Widerstandes 46 verbunden, der zwischen einer positiven und einer negativen Spannungsquelle in Reihe mit einem Widerstand 47 liegt. Die Ausgänge der Ziffernstufe 1 und der Ziffernstufe 9 des Zählers 35 sind mit dem Verbincungspunkt der Widerstände 46 und 47 Über die Dioden 48 bzw. 49 verbunden (um eine gegenseitige Beeinflussung der Schalter zu vermeiden). Jede Diode ist so gepolt, daß sie leitet, wenn der Zifferstufenausgang ins Positive ansteigt und damit das Vorliegen dieses Ziffernwertes anzeigt.

Die Brücke leitet für den FaU, daß das Potential des Abgriffes CTl/9 - wie indirekt durch die Aus gangs spannung der Zelle 21 bestimmt - oberhalb oder unterhalb des Potentials der Leitung 25 liegt, das durch die Eingangsvorspannung des Verstärkers 27 bestimmt wird. Wenn der Transistor 42 leitet, nimmt die Leitung 25 über die Brücke das Potential des Abgriffes CTl/9 an, wodurch der Abgriff effektiv zugeschaltet ist, unabhängig vom Vorzeichen

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der Potentialdifferenz. Wenn der Transistor gesperrt ist, ist der Stronipfad zwischen dem Abgriff CTi/9 und der Leitung 25 unterbrochen. Die der Basis des Transistors 42 von dem Zähler 35 über den Transistor 44 zugeführten Potentiale sind so gewählt, daß der Transistor nur leitend ist und das Potential des Abgriffet* CTl /9 auf die Leitung 25 gelangt, \7enn der Zähler entweder die Ziffern 1 oder 9 hält. Der Transistor 44 dient zum Modifizieren der Gleichstromsignale der Ziffernausgange des Zählers 35 sowohl hinsichtlich der Richtung als auch der Größe, wodurch gewährleistet wird, daß der Transistor 42 bei diesen Signalen voll geschaltet wird.

Der Ausgang der Ziffernstufe 1 des Zählers 35 ist über eine weitere Diode 48 mit dem Schalter SSl /4, und der Ausgang der Ziffernstufe 9 über eine Diode 49 mit dem Schalter SS6/9 verbunden. Jeder dieser Schalter ist ähnlich dem bereits beschriebenen Schalter CSl/9 aufgebaut.

Von allen anderen Ziffernausgängen des Zählers 35 führen Verbindungen über nicht dargestellte Dioden zu den zugeordneten anderen Behältern.

Wenn der Zähler von Ziffer zu Ziffer weiters ehr eitet, erfolgt eine Veiterschaltung zwischen den Abgriffen, wenn die entsprechenden Transistoren leitend werden.

Die Abgriffe werden vorzugsweise mit Hilfe eines Zählers weitergeschaltet, der unabhängig vom Hauptzähler iot, selbst dann, wann, wie vorstehend beschrieben, der Hauptzähler die Grundmeßeinheit in diü erforderliche Anzahl von Schritten aufteilt, da der \ eiterochaltzähler notwendigerweise phasenstarr zu dem Muster sein muß und daher nicht auf 0 zurückgestellt werden kann, wenn nicht das Muster in seine stets gleiche Ausgangsstellung, zurückgestellt ist. Bei einem unabhängigen phasenstarr en Zähler kann der Hauptzähler auf 0 zurückgestellt werden, sobald das Muster in irgendeine · willkürliche und passend gewählte Stellung gebracht worden ist.

Es ist wünschenswert, daß das Muster mit gleichmäßiger Intensität beleuchtet wird, da andernfalls die resultierenden Schwankungen der Photozellenausgangsfignale entsprechende Schwankungen de* Fehlersignales hervorrufen können, die ausreichen können, um die Tore GA und GS in uner-

B P q 9 0 c / η ß ^ U BAD

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wünschter Weise zu öffnen, so daß eine falsche Zahl von Impulsen zu den Zählern gelangt. Um eine ausreichende Konstanz der Lichtintensität zu erzielen, kann eine Schaltungsanordnung nach Fig. 3 verwendet v/erden. In ihr ist ein. weiteres Sinus-Potentiometer vorge;3ehen, indem das Kosinus-Potentiometer 19 (von dem nur ein Teil dargestellt ist) zusätzlich fünf, entsprechend der Sinusfunktion angeordnete Abgriffe S TO/5, S Tl/4 usw. erhält. In gleicher Weise ist das Sinus-Potentiometer 20 mit zusätzlichen sechs, entsprechend der Kosinusfunktion angeordneten Abgriffen C TO, C Tl/9 usw. versehen, wodurch ein weiteres Kosinus-Potentiometer geschaffen wird. Diese zusätzlichen Abgriffe sind durch Schalter 8 SO/5, 3 Sl/4 usw. mit einer tusgangsleitung 25 bzw. über Schalter C du, C 31/9 usw. mit einer „lUisgungsleitung 26" verbunden, Die Schalter entsprechen der in Tig. 2 uargoötellten ...aioführung, werden durch zusätzliche Steueroi'gane in gleicher ",-/eise durch die Ziffernausgänge des Zähleriä 35 gesteuert und arbeiten wieder über Dioden, um unerwünschte Zwischenverbindungen zwischen den 'ehalte:, zu verhindern. So wird der Ziffernauögang 1 mit dem. Ziffernauügang 8 zur Steuerung der Schalter CSl/9 und C kjl/9, und mit dem ZifXc maus gang 4 zur steuerung der Schalter 3Sl/4 und 3 31/4 verwendet. Die Leitung 2ö wird auf diese Weise in Abhängigkeit von Γ . sin Q . sin φ, und die Leitung 26 in Abhängigkeit von E , cos G . cos y& erregt, wobei E die Amplitude der auf die Potentiometer gegebenen Signale ist, die selbst von der Helligkeit der Lichtquelle abhängt.

Die Leitungen 25 und 26 sind mit den Eingängen einer summierenden Verstärkerstufe 51 verbunden, deren Ausgangsspannung in einem Komparator 52 mit einer vorbestimmten Vergleichs spannung verglichen wird, die über einen verstellbaren Abgriff von einem an eine feste Spannung gelegten Potentiometer 53 abgenommen wird. Die Aus gangs spannung des Komparators, die nach Größe und Richtung von der Differenz zwischen den beiden ihm zugeführten Spannungen abhängt, wird über einen Regulator 54 zur Steuerung der Helligkeit der das Muster beleuchtenden Lampe 55 verwendet.

Im Betrieb i^t die " uögang;jspannung des Verstärkers 51 proportional E (sin Q.. Hin φ t cos <=» . cos '/ ) - T. . cos (fr - f.·) ^ E, vx-nn, wie-es gewöhnlich der Fall sein wird, fr ungefähr gleich ^!{ i:.:t. Der Jchleifer des

SvD f 8 0 930?/0 874

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Potentiometers 53 ist so justiert* daß der Ausgang des Xoraparators gleich O - ist, wenn E den gewünschten, der geforderten Intensität des Lichtes der Lampe 55 entsprechenden Vert hat. Irgendeine Abweichung der Lichtintensität von dem gewünschten Wert erzeugt im Komparator 53 ein Fehler signal mit entsprechendem Vorzeichen, das den Regulator 54 einschaltet, um die Lampe auf die gewünschte Helligkeit zurückzustellen.

In den bisher beschriebenen Schaltungen wird die Vorrichtung umgeschaltet« sobald ψ gegenüber Q um mehr als eine halbe Periode des Wellenmusters nacheilt oder voreilt, d.h. daß dann Impulse subtrahiert anstatt addiert werden oder umgekehrt« Es ist jedoch unwahrscheinlich, daß eine solche Umschaltung eintritt, wenn nicht ein Fehler auftritt. Um in einem solchen Falle ein Warnsignal oder eine andere Anzeige zu bewirken, kann die Vorrichtung nach Fig· I mit einer in Fig. 4 dargestellten Hilfsvorrichtung versehen werden» Diese Hilfsschaltung berücksichtigt den Umstand, daß solch ein Fehler durch zu viele, beispielsweise mehr als drei, von der Impulsquelle 31 zu den Zählern gelangende aufeinanderfolgende Impulse bewirkt wird. Die Ausgangsimpulse des ODER-Tores 36 werden deshalb zusätzlich als Eingangs signale auf einen Hüfszähler 61 gegeben, der als binärer Zweistufenzähler aufgebaut ist. Dieser Stufe wird jeder Impuls der Impulsquelle 31 in der Weise zugeführt, daß er den Zähler auf eine Bezugs zahl, im allgemeinen 0, zurückstellt, sobald kein synchroner Impuls ji vom Tor 36 erscheint. Das "Überlauf"-Ausgangssignal oder Obertragungssignal von der Ziffer drei zur Ziffer vier der Stufe wird über einen Leiter 62 zu der Anzeigeschaltung geleitet.

Im Betrieb wird der Zähler 61 nur ein Übertragungssignal entwickeln ' und dadurch ein Warnsignal abgeben, wenn er einen vierten, aufeinanderfolgenden Impuls vom Tor 36 empfängt. Unter normalen Betriebsbedingungen, wenn sich ψ nahe Q hält, werden die Tore GA und GS für die von der Impulsquelle 31 kommenden Impulse geschlossen, ehe vier von ihnen paseiert sind. Der erste gesperrte Impuls der Quelle, der den Zähler 61 erreicht, ohne dafi dort auf dem additiven Eingang ein synchroner Impuls vom Tor 36 erscheint« stellt die Stufe auf Q zurück. Solange also nicht vier aufeinanderfolgende Impulse sum Zähler gelangen, wird die Stufe 61 nicht wirksam und keine Fehlerwvniing abgeben. ■

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Wo es notwendig ist, die Vorrichtung gegen Verschiebungen von Schaltkreiskonstanten zu stabilisieren, können anstelle von zwei Photozellen vier FhotozeEen verwendet v/erden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, sind die vier Zellen 21 bis 24 zum Ansprechen auf die Stellung des Mustors 10 an den Positionen 11 bis 14 angeordnet, die jeweils gegeneinander um 90 versetzt sind. Die Ausgänge der Zellen 21 und 23, die entsprechend in Gegenphase liegen, werden einem Potentiometer 19 über eineiDifferenzverstärker 65 zugeleitet, der zwei Transistoren auf v/eisen kann, von denen jeder einer Zelle zugeordnet ist, und die sich beide in eine gemeinsame Emitterbelastung teilen. Die gegenphasigen A us gangs signale der Zellen 22 und 24 werden Über einen gleichen Diifereniävexvstärker 66 dom Potentiometer 20 zugeführt. Die V irkungöweiae entspricht der im Zusammenhang mit Fig. 1 des deutschen Patentes 1 060 609 der Anmelderin beschriebenen.

Wenn zur Stabilisierung die Verwendung von drei Photozellen bevorzugt wird, die auf die Stellung des Musters in Abständen von 120 ansprechen - wie dies im einzelneu in der schwebenden Patentanmeldung F 34 820 der Anmelderin beschrieben ist - können die um 90 gegeneinander versetzten Versorgungsspannungen für die Potentiometer 19 und 20 durch eine Schaltung gemäß Fig. 6 gewonnen werden.

In dieser Schaltung sind drei Transistoren 71 biß 73 auf eine gemeinsame .' Emitterbelastung 74 geschaltet. Die Kollektorelektroden der Transistoren sind über Belastungawiderst&nde 75 bis 77 auf Erdpotential gelegt und miteinander durch eine Ringanordnung von Widerständen 81 bis 83 verbunden, die eine Phasenuraforraerstufe bilden. Die drei nicht dargestellten Photoaellen sind jeweils mit einer Basis der drei Transistoren verbunden; falls notwendig jeweils über eine VerstÄrkerstufe. Die um 90 gegeneinander versetzten Ausgangssignale werden über passend angeordnete Abgriffe am Widerstandsring 81 bis 83 angenommen. Der Ring wirkt wie eine in Dreieck geschaltete Netsbelastung für eine von den Zellen gelieferte Dreiphasen-VereorgungSf spannung und liefert so alle Phasenwinkel angefangen von 0 (beiapielaweise am Abgriff 84, an dem der Kollektor des Transistors 71 mit dem Ring verbunden ist) Über den Winkel»⁰ (am Abgriff 35 nach drei Vierteln des Weges entlang dem Widerstand 81), den Winkel 180° (am Abgriff 88 in der Mitte

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des "Widerstandes 82 und diametral gegenüber dem Abgriff 84), den Winkel 270° (am Abgriff 87 des Widerstandes 83, diametral gegenüber dem Abgriff 85) usw. Das Koeinus-Potentiometer 19 ist an die Abgriffe 84 und 86 angeschlossen und das Sinus-Potentiometer 20 an die Abgriffe 85 und 87.

il'ie s,tabilifciei-ung g«gen Änderungen -.ier ockultkreiskonstanten wird durch die Verwendung eines gemeinsamen Emitterbelastungswiderstandes erzielt, der mit den drei Transistoren eine .'rtabiliüie rungs stufe bildet, wie dies hier im einzelnen nicht angeführt zu werden braucht und im übrigen in der ychwebsnden Γatentaiimuldung '■'' Jl 020 der Amaelderin im einzelnen beschrieben ist«

Ähnliche phasenverschiebende Hetzwerke können verwendet werden, um eine/90⁰ gegeneinander versetzte Versorgungs3oannung von den Zellen zu erreichen, wenn mehr als vier Anzeigeorgane verwendet werden.

ΪΊ; ißt nicht notwendig, daß die Potentiometer-Versorgungsspannungen genau um 90 gegeneinander verschoben sind, es ist jedoch vorteilhaft, darauf zu achten. Es wurde festgestellt, daß auch Phasendifferenzen in einem Bereich zwischen 45 und 13O¹ annehmbare Resultate lieferten. Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, daß das zyklische Muster genau sinusförmig verläuft, obwohl auch hier dieser Verlauf die besten Ergebnisse zt.:'.ligt.

Koben zahlreichen Einzelteilen der Schaltungen, die im. nahmen dieser Erfindung abgewandelt werden können, Lüruien auch uie Wähler unterschiedlich aufgebaut sein. ϊ-> können beiepitlb'/eibe anstelle von dditions- und Subtraktion schienen, die vorgesehen ;iiid, um jeden Ljjigangsimpuls richtig zu leiten, der, ob additiv oder subtraktiv, i-tett; auf die gleiche Elektrode geliefert wird, die Zähler zwei Eingang3elektroden aufweisen, auf die die Impulse verteilt werden, je nachdem, ob si.e addiert oder subtrahiert werden sollen. In diesem Fülle können die A usgänge der Tore GiL und GS direkt mit jedem Zähler verbunden werden. i)ie Vorrichtung 32 könnte entfallen, jedoch wird ein <_·DiDII-Tor entsprechend dem Tor 06 beibehalten, das von beiden Impulszügen einen einzelnen Impulszug ableitet und dem Zähler öl (Fig. 4) zuführt.

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Das ".YeUenbilcmuster braucht kein optisches Muster zu sein. Es kann beispielsweise auch ein magnetisches Muster sein, wobei dann die Anzeigevorrichtungen keine Fhotczellen, sondern elektromagnetische Übertrager sein müssen.

Pie Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Messen von Bewegungen von Ilaschinenwerkzeugen begrenzt, sondern kann vielseitig angewandt werden, beispielsweise bei Meßsonden, Pruckreglern, Fehnungsmessern usw., wo eine sehr genaue Messung einer Bewegung erforderlich ist.

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Claims

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1.) Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und dichtung der Bewegung eines zyklischen Vv ellenmusters von annähernd sinusförmiger Wellenform in der einen oder anderen von zwei einander entgegengesetzten Richtungen gegenüber einem Bezugssystem, dadurch gekennzeichnet! daß sie mindestens zwei elektrisch auf die Stellung des Musters an einer gleichen Anzahl von gegenüber dem Bezugssystem feststehenden I oditionen ansprechende Anzeigeorgane, je ein jewails mit Abgriffen versehenes Kosinus- und äinus-Potentiometer, 3owie Schaltungen zur Erregung der Potentiometer durch von den .nzeigeorganen abgeleitete Signale aufweist, wobei die Stellungen des Musters an den Anzeigepunkten so gegeneinander aufler Phase und die Erregerschaltungen für die Potentiometer so angeordnet sind, daß die Signale in jedem Augenblick dem Sinus oder dem Kosinus eines Winkels proportional sind, der eine augenblickliche Stellung des Musters bezeichnet; und daß sie Schaltorgane zum Verbinden der Abgriffe eines jeden Potentiometers aufweist und einen Zweirichtungs-Schaltzähler, der von elektrischen Impulsen betätigt wird, solange die Differenz zwischen den gerade zugeschalteten Abgriffen der entsprechenden Potentiometer einen vorbestimmten Wert überschreitet, und der dabei so geschaltet ist, daß er einen Wechsel zwischen benachbarten .:'bgriffverbinJungen in einer Richtung verursacht, in der diese Differenz zum Verschwinden gebracht werden kann.

2.) ^wellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler Ziffernstufen aufweist, von denen jede einem bestimmten, jeweils durch einen Abgriff eines jeden Potentiometers bezeichneten Winkel zugeordnet ist» und daß jede dieser Ziffernstufen einen Ausgang aufweist, der im Vergleich zu den anderen Ausgängen der anderen Ziffernstufen charakteristisch erregt wird, sobald der Zähler jene Ziffer hält, und dafl Steuervorrichtungen vorgesehen sind, die die Ausgänge so mit den Schaltorganen verbinden, daß jeder Ausgang, wenn charakteristisch erregt, nur das Zuschaltendes zugeordneten Abgriffes eines jeden Potentiometers verursacht« _x<.

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3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei anzeige vor richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß diesen Anzeigevorrichtungen zugeordnete Abtaststellungen des Musters um 90 elektrische Grad gegeneinander außer Phase sind, und daß die von jeder Anzeigevorrichtung abgeleiteten Signale über eine Phasenverteüerstufe dem jeweils zugehörigen Potentiometer zugeführt werden.

• ) Vorrichtung nach Anspruch 1 mit drei Anzeigevorrichtungen, dadurch ge·»

kennzeichnet, daß die entsprechenden Stellungen des Musters um 120 elektrische Grad außer Phase miteinander sind, und daß die von den Vorrichtungen abgeleiteten Signale den Potentiometern über eine Stabilisierstufe und ein Phasenumkehrnetzwerk zugeführt werden,

5, ) Vorrichtung nach Anspruch 1 mit vier Anze ige vor richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Stellungen des Musters um 90 elektrische Grad außer Phase miteinander sind, undcaß die von jedem Paar von Anzeigevorrichtungen abgeleiteten Signale, die Gegenphasenlagen des Musters entsprechen, dem zugeordneten Potentiometer über eine stabilisierende Differenzstufe zugeführt werden.

1.) Vorrichtung nach einem oder mehreren der -Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltorgane für jeden Abgriff einen charakteristischen Transistor aufweisen, der von dem zugehörigen Ziffernstufenausgang gesteuert wird oder, wenn der Abgriff mehr als einen Winkel charakterisiert, von den zugehörigen Ziffernstufenausgängen gesteuert wird.

.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung

so ausgeführt ist, daß bei einer charakteristischen Erregung eines Ziffernstufenausganges der von ihm gesteuerte Transistor leitend wird und dadurch den zugehörigen Abgriff eines jeden Potentiometers mit einer gemeinsamen, dem Potentiometer speziell zugeordneten Ausgangsleitung verbindet.

.) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse von einer Impulsquelle in stetiger Folge auf ein Additions- und ein Subtraktionstor gegeben werden, von denen dasjenige

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Tor« dessen Tätigkeit in Richtung auf eine Aufhebung der besagten Differenz sielt, jeweils Impulse zum Zähler durchläßt, die entweder addiert oder subtrahiert werden, solange diese Differenz den vorbestimmten Y'ert überschreitet.

9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines ν arnsignales umfaßt, die anspricht, sobald mehr als eine vorbestimmte Anzahl von aufeinanderfolgen Jen Impulsen der Impulequellc zum ^chaltzähler gelangt, und oaß zu diesem Zweck ein Ililfszähler vorgesehen ist, der alle Ir.vpulse, die zur.-, . chaltzähler gelangen, und unmittelbar alle von der Quelle erzeugten Impulse empfängt, und der jedesmal auf eine FczugBziffer zurückgestellt wird, wenn einer der zuletzt erwähnten Impulse nicht gleichzeitig mit einem zum Schaltzahler gelangenden Impuls erscheint, und daß eier Rilfszähler außerdem das Warnsignal erzeugt, sobald dae Zählergebnie die Bezugsziffer (Grenzzahl) überschrei tet.

10.) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dae Muster ein von einer Lichtquelle beleuchtetes optisches Muster ist und daß zur Erziclvmg einer genau konstanten Lichtintensität je ein weiteres, jeweils mit abgriffen in bestimmten ν inkelintervallen versehenes Sinus- und Kosinus-Potentiometer vorgesehen sind, die durch von den Anzeigevorrichtungen gelieferte Signale erregt werden, die in jedem Augenblick proportional dein Siiuu: oder tlc-m Kosinus des Kinkels des T lUKtersdnd; und daß sie Schalterganc zum Verbinden der Abgriffe eines jeden der weiteren Potentiometer aufweist und außerdem weitere Steuervorrichtungen, wobei der Schaltzählcr die weiteren ^chaltorgane iso betätigt, naß die in den beiden v. eiteren i'Hentirraetcrn entsprechend verbundenen Abgriffe ΰι jedem »ugcnblick - en riit der gerade erregten Ziffernstufe charakterisierten V'inkcl d..r. tollen; dail sie eine Additionsbtufc ium Ableiten einer lannung aufvreii-t, die ven 'er ?umme der Ausgangs spannungen der verbundenen Abgriffe der weiteren Γ otentiometer abhängt; und ami ^ic v'rganc zum tt uci-n uer Helligkeit der Lichtquelle in Abhängigkeit von der ""ifferenz zwischen der so abgeleiteten Spannung und einer vorbestimmten Bezugs spannung t-tPucrt.

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11.) Vorrichtung nach eineni oder mehreren der /nsprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen weiteren Zweirichtungszähler aufweist, der die algebraische oumrae der zu dem Schaltzäliler gelangenden Impulse anzeigt.

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