DE1548764A1 - Einrichtung zum beruehrungslosen Messen der Lage und/oder Lageaenderung geradlinig bewegter Objekte - Google Patents

Description

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Anmelder: Philips Patentvsrwaltung GmbH.

Α·:βΝ₅. PHD- 812
Anmeldu-v, νοτ.ΐ 28. Okt. 1966

Philips Patentverwaltung GmbH., Hamburg 1, Mönckebergstr.7

"Einrichtung zum berührungslosen Messen der Lage und/oder Lageänderung geradlinig bewegter Objekte"

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum berührungslosen Messen der Lage und/oder Lageänderung geradlinig bewegter Objekte mit Hilfe einer rotierenden Abtastvorrichtung und eines gleichmäßig geteilten Maßstabes, die eine digitale Darstellung des Meßwertes erlaubt.

Anordnungen mit rotierenden Abtastscheiben sind an sich bekannt. Zum Beispiel ist in der Deutschen Auslegeschrift 1 187 382 eine Vorrichtung beschrieben, mit der durch rotierende Spiralen oder Schrauben die Lage eines Linearmaßstabes einmal je Umdrehung abgetastet und angezeigt wird. Nachteilig ist hierbei, daß die Abtastung des Meßwertes nur einmal je Umdrehung der Spirale oder Schraube erfolgen kann und - da die Drehzahl der rotierenden Spiralen oder Schrauben aus mechanischen G-ründen nur begrenzt erhöht werden kann - deshalb zwischen zwei Meßergebnissen eine verhältnismäßig lange Zeit verstreicht.

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Problematisch ist bei dieser Anordnung ferner die Herstellung und Montage von Haßstab und Spiralen mit der notwendigen Genauigkeit.

Bekannt ist auch, mittels rotierender Spiegel oder Prismenräder den optischen Strahlengang eines abbildenden Systems über einen entsprechenden Maßstab zu führen. Daoei wird ein Teil des lichtes aus einer Glühlampe über ein ständig rotierendes spiegelndes Prismenrad auf einen Linearmaßstah geworfen, der Maßstab auf sich selbst abgebildet und aus der Relativstellung von 3ild und Maßstab über eine Fotozelle ein elektrisches Signal abgeleitet. Gleichzeitig wird der andere Teil des Lichtes auf einen kurzen Referenzrnaßstab geworfen und auf die gleiche Weise ein zweites Ausgangssignal gewonnen. Da das Prismenrad ständig rotiert, entstehen zwei Wechselspannung en, die bei ruhendem Maßstab gleiche frequenz und eine bestimmte Phasenlage zueinander naben· Y/ircL der Mafia tab relativ zur Abtastanordnung bewegt, ändert sich die Phasenlage der Wechselspannungen und zwar um je 36o , wenn der Maßstab um eine halbe Teilung verschoben wird.

Auf bekannte Weise kann daraus eine Information über die Maßstabslage bzw. Lageänderung in groben, der halben I'Iaßstabteilung entsprechenden Schritten, und auf ebenfalls bekannte 'leise in feineren Schritten durch genauere Bestimmung der Phasenlage - etv/a durch Einzählen von Zeitimpulsen, deren ?olgefrequenz ein bestimmtes Verhältnis zur Frequenz der Wechselspannungen hat gewonnen werden.

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3ei dieser Anordnung wird der Meßwert je Umdrehung des Prismenrades sooft abgetastet, v/ie dieses Spiegelflächen trägt. In manchen Fällen ist jedoch aus Gründen der Meßsicherheit eine optische Abtastung unerwünscht. Außerdem birgt die Kombination von Glasmaßstäben mit Metallen, aus denen die Keßobjekte (ζ.3. Jerkzeugmaschinen) bestehen, einige Probleme.

Eine induktive oder kapazitive Abtastung der Meßstabstellung erlaubt die Verwendung von Metallmaßstäben, was wesentliche Vorteile bringen kann.

Zweck der Erfindung ist es, einen Maßstab unter Vermeidung der erwähnten Nachteile mit Hilfe eines rotierenden Abtastrades viele Maie je Umdrehung vorzugsweise inauktiv abzutasten. Srfindun^sjemUß geschieht dies dadurch, daß die Sensice gleichmäßig über den Umfang verteilte vorzugsweise magnetisch leitfähig Streifen trägt, die die Form von Evolventen h-iben, deren gemeinsame Evolute ein Kreis ist,' v.e? uie die Mittelpunkte der ebenfalls vorzugsweise magne-■.iöo.. !.eitfänigen Merkmaie des linearen Maßstabes ver-Li;".üer»>:d 5dri»ie berührt.

Ei;.e solche Einrichtung erlaubt es, den Me.c.-.ert, d.h.. die Laje des Maßstabes, je Umdrehung sooft abzutasten, v/ie Evolventen auf den Umfang der ^btastscheibe verteilt sind. Dazu sinci keine weiteren Mittel, wie etwa die abbildende

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Optik eines lichtelektrischen Abtastsy.stems nötig, sondern die Lage der Evolventen zu den Maßstabmerkmalen kann auf einfache Weise mit einer Induktionsspule in einem Magnetsystem abgetastet werden. Im Gegensatz zu den Anordnungen mit Spiralen oder Schrauben v/ird die Vervielfachung der Abtastungen je Umdrehung der Abtastscheibe erreicht, ohne daß der Abstand zwischen den einzelnen Evolventen zu gering ausfällt. Hat z.B. der Linearmaßstab eine Teilung von 1 rnm, beträgt auch der Abstand der Evolventen 1 mm. Dagegen betrüge der Abstand zwischen den einzelnen Gängen einer mehrgängigen Schraube, mit der ebenfalls eine n-fache Abtastung je Umdrehung erreicht werden könnte, 1/n mm, wenn η die Zahl der Gänge angibt. Solch kleine Abstände sind weder herstellungstechnisch noch elektrisch (gtBt wegen Ö.8B Stceuflusses) erwünscht.

Gegenüber Anordnungen, bei denen statt rotierender Scheiben elektrische Wanderfelder erzeugt und ebenfalls die von der !•la.'Zsta.blage abhängige Phasenlage zv/eier Wechselspannungen aufgewertet v/ird, hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß nur die Periodendauern der erzeugten Wechs.elspannungen, nicht aber deren Amplituden oder Arriplitudenverhältnisse, zum Xeßergebnis beitragen und deshalb Abweichungen von der Sinusforn keine lieSfehler verursachen. Dieses ist mit Rücksicht auf die Herstellungstoleranzen vorteilhaft.

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Αη. Hand der Zeichnung wird die Erfindung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Abtastscheibe und den zugehörigen Maßstab, gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für induktive Abtastung der Relativlage von Maßstab und Abtastscheibe,

Fig. 3 schematisch die Erzeugung und Auswertung der Wechselspannungen in einer Anordnung mit zwei induktiven Abtastspulen, "

Fig. 4 den Einfluß von Änderungen der Helativlage zwischen Maßstab und Abtastanordnung quer zur Meßrichtung,

Fig. 5 die Eliminierung von Fehlern aus einer exzentrischen und 6

Lagerung der Abtastscheibe.

Die vorzugsweise magnetisch leitfähigen Streifen 1 ( Fi.g 1) sind Evolventen der gemeinsamen Evolute, die ein Kreis 2a ist, der die die Mittelpunkte der Maßstabmerkmale 3 verbindende Gerade (2). berührt. Die Streifen 1 drehen sich gemeinsam um den Mittelpunkt 4 der die Streifen tragenden Scheibe 5> Dreht sich diese Scheibe, so kommen, in der rechts der Linie gelegenen Halbebene nach jeweils dem gleichen ."Drehwinkel die

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Streifen 1 wieder mit einem KaSstabmerkmal 3 zur Deckung.

Auf bekannte V/eise lä.3t sich von der Relativstellung zwischen Abtastschei.be und Maßstabmertoalen ein elektrisches Signal ableiten und zwar so, daß bei stillstehendem Maßstab und ständig umlaufender Scheibe eine V/echs el spannung enxsteht, deren Periodendauer gleich der Zeit ist, die die Evolventen benötigen, um von einem Maßstabmerkmal 3 zu dem nächsten zu laufen. Wird der Maßstab 2 gegenüber der Abtast3cheibe in Längsrichtung verschoben, ändert sich die Frequenz der erzeugten Wechselspannung ^e nach Bewegungsrichtung zu höheren oder niedrigeren V/erten hin. Die daraus resultierende Phasenverschiebung kann auf bekannte V/eise, z.B. gegenüber einer festen, von der Maßstabbewegung unabhängigen frequenz gemessen und ausgewertet werden.

Pig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel eine induktive Abtastvorrichtung. In einem Ständer 7 ist die Scheibe 5 mit den magnetisch leitfähigen Streifen 1 drehbar gelagert. Sie wird z.B. durcn einen Elektromotor ständig angetrieben, so daß die Streifen 1 an den Merkmalen 3 des Maßstabes 1o vorbeilaufen. An dem Ständer 7 ist außerdem ein Permanentmagnet 8, der von einer Spule 9 umfaßt wird, befestigt. Die Maßstabmerkmale 3 sind ebenfalls magnetisch leitfähig und über den Maßstab_r teil 11 in den durch die Linie 12 angedeuteten magnetischen Kreis eingefügt. Durch entsprechende Ausführung des Kreises

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kann leicht erreicht werden, daß bei einer Drehung der Scheibe 5 nur der magnetische Widerstand im Luftspalt 13, abhängig von der Helativstellung zwischen den Evolventen-Streifen 1 und den Maßstabmerkmalen 3 moduliert wird. Deshalb wird in der Spule 9 eine Wechselspannung induziert, deren Phasenlage ein Maß für die Lage des Maßstabes relativ zur Abtastscheibe ist.

Xeben der schBisatisch dargestellten Anordnung zur Erzeugung der Wechselspannung sind auch andere, insbesondere auch nicht induktive Abtastsystene, möglich. So kann, abhängig von der Heiativstellung der Kaßstabmerkmale zu den-Evolventen, durch kapazitive, optische oder mechanische Abtastung ein Signal # ι § i ΐ § -ς w§ r α en,

Pig. 3a zeigt eine Anordnung, die es gestattet, ohne ein von der Kaiοtablage unabhängigem Referenzsignal die Lage des Maßstabes aus der phasenlage der erzeugten Wechselspannungen abzuleiten. Zu ciiesera Zweck ist der Maßstab 1o alt 2 äquidistant geteilten, starr und parallel zueinander angeordneten Reihen von Maistabnerkmalen 3 versehen, vor denen sich die Scheibe :r.it Svolventensxreifen 1 ständig dreht. Symmetrisch zum Mittelpunkt 4- der Scheibe ρ 'sind zwei Abtastsysteme 15 und 16, z.3. Magnet-SpulensysteLie nach ?ig. 2, starr an den'Gestell angebracht, in äem sich die Scheibe 5 dreht. In den Abtastsystemen 15, Ic werden die Wechselspannungen 17 und 18 erzeugt.

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Fig. 3b erläutert die Abhängigkeit der Phasenlage dieser Spannungen von der Maßstablage. Bei einer bestimmten Stellung des Maßstabes sind die beiden V/echselspannungen 17 und 18 in Phase und schneiden die Nullinie im gemeinsamen Punkt 19· Wird der Maßstab in eine andere Lage gebracht, verschieben sich die Spannungen gegeneinander, da wegen der Anordnung der Abtastsysteme 15 und 16 bei einer Bewegung des Maßstabes die Frequenz 17 erhöht und die Frequenz 16 gesenkt wird oder umgekehrt, je nach Bewegungsrichtung des Maßstabes. Die Phasenverschiebung wird 36o° betragen, wenn der Maßstab um eine halbe Teilung verschoben wird. Wie bei bekannten Anordnungen kann daraus eine Information über die Lageänderung des Maßstabes in Schritten von einer halben Teilung gewonnen v/erden. Eine feinere Information wird durch genauere Bestimmung der Phasenlage gewonnen, indem man den Zeitabschnitte t oder dessen Änderung gegenüber der vorangehenden Abtastperiode zwischen den beiden gleichsinnig erfolgenden Nulldurchgängen 2o und 21 auf ebenfalls bekannte V/eise bestimmt.

Figuren 4a und 4b zeigen, da3 durch die Anordnung zweier Abtastsystem 15, 16 nach Fig. 3a der EinfluS von Verschiebungen dsr .-.btastscheibe quer zur Me3richtung unwirksam gemacht ./erden kann, v/as z.3. im Hinblick auf die Kontagetoleranz des Ma3stace3 an einer Maschine sehr wichtig ist. 2s sind in Fig. 4a zwei Evolventen 1 dargestellt, die ΐ,ιΐΐ je einem Maßstabmerkmal 3 in Deckung sind, wenn der Maßstab seine Sollage einnimmt. V.'ird der Maßstab quer zu seiner Längserstreckung verschoben

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(gestrichelte Lage) sind Merkmale und Evolventen nicht mehr in Deckung; solange die Querverschiebung klein genug bleibt, können beide Evolventen durch Drehen der Scheibe 5 entgegen der Pfeilrichtung wieder annähernd gleichzeitig zur Deckung gebracht werden. Das gleiche gilt auch für die übrigen, nicht dargestellten Evolventen-Maßstabmerkmal-Paarungen.

Aus diesem Grunde werden die beiden Wechselspannungen in ihrer Phasenlage bei einer Querverschiebung um den gleichen Betrag vor- oder nacheilen, wie in Pig. 4b dargestellt, ohne daß der Zeitabschnitt Δ t zwischen den Nulldurchgängen 2o und 21 beeinflußt wird. ■

Als weitere Fehlerquelle bei der Bestimmung der Lage des Maßstabes Io kommt eine exzentrische Lagerung der die Evolventen tragenden Scheibe 5 zu dem Drehpunkt 4 in Präge. Die Figuren 5a und 5b zeigen, wie daraus resultierende Fehler eliminiert werden können. In Fig. 5a sind starr zu den beschriebenen Abtastsystemen 15 und 16 zwei weitere Systeme 22 und 23 angeordnet. Ss können dies beispielsweise induktive Systeme bekannter Art sein. ■ Während die Abtastsysteme 15 und 16 die Lage der Maßstabmerkmale 3 abtasten, tasten die Systeme 22 und 23. nur die Winkellage der Scheibe 5 ab. Zu diesem Zweck sind konzentrisch zu den Evolventenstreifen 1 die Teilungsmerkmale 24 auf der Scheibe 5 äquidistant und mit dem gleichen Teilungswinkel wie die Evolventen 1 angebracht. Sie sind z.B. magnetisch leitfähig und so^ausgebildet, daß bei Drehen der Scheibe 5 in den Abtastsystemen 22 und 23 Wechselspannung 25 und 26 entstehen.

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Laufen die Evolventen 1 auf der Scheibe 5 exzentrisch zu dem Mittelpunkt 4 um, erhalten Die Spannungen 17 und 18 eine von der Winkelstellung der Scheibe 5 abhängige zusätzliche Phasen-Verschiebung 27 gegenüber ihrer, einer gev/issen Kawstabteilung entsprechenden Sollage, die in J?ig. 5o gestrichelt dargestellt ist. Sind die Abtastsysteme 22 und 23 ungefähr symmetrisch zum Mittelpunkt 4, etwa auf die Linie 6, angeordnet, weichen auch die darin erzeugten Wechselspannungen 25 und 25 um den gleichen Betrag 27 von ihrer Sollage ab und schneiden die IJullinie nicht mehr gemeinsam in dem Punkt 19· Da die Phasenverschiebung der Spannungen 17 und 25, ebenso die der Spannungen 18 und 26 jeweils nach Betrag und Vorzeichen zumindest annähernd gleich sind, kann der ?ehler aus einer exzentrischen lagerung der Abtastscheibe 5 unwirksam gemacht v/erden.

In 3?ig. 5b ist dargestellt, wie die der Χ&ίί st ablage entsprechende Phasenverschiebung der Wechselspannung gewonnen v/erden kann, indem nicht mehr die gesamte Zeitdauer zwischen den gleichsinnigen Kulidurchgängen 2o, 21 der Spannungen 17 und als Maß für die MaSstablage bestimmt wird, sondern die Zeit zwischen den gleichsinnigen 5TuIldurchgängen 28 und 29 der Spannungen 25 und 26 unberücksichtigt bleibt, indem z.B. zwischen den Zeitpunkten 2o und 28 auf bekannte Weise Zeitimpulse zur Bestimmung der Phasenlage gezählt werden, zwischen

den Zeilen 28 und 29 die Zählung unterbrochen und vom Zeitpunkx I
bis zum Zeitpunkt 21 wieder aufgenommen wird.

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Pig. 6a zeigt schließlich, aaß eine Überlagerung von Exzentrizität der Scheibe 5 zum Drehpunkt 4 und Querversqhiebung an der Peelerelimination nichts ändert.

Pig. 6b zeigt, cla3 bei einer Vertauachung der Zeitpunkte 28 und 29 zwischen diesen Punkten die Zählung nicht unterbrochen werden darf, sondern auf bekannte Weise entweder mit doppelter Frequenz gezählt werden muli, oder Impulse der ursprünglichen frequenz mit dem '.'ert 2 in einen Zähler eingegeben w erden mti s s en.

Die beschriebene liinrichvan,·; erlaubt ee, also, ohne wesentliche Beein^räcntigunc durch koniagetoleranzen die Lage ein'es linear bewegten Objektes durch bekannte elektronische Kittel ciif.*iViI aarzustellen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Einrichtung zum berühungsiosen Messen der lage und/oder Lageänderung geradlinig bewegter Objekte mit Hilfe einer rotierenden Abtastscheibe und eines gleichmäßig geteilten Maßstabes, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheins (5) gleichifiäiig über den Umfang verteilte vorzugsweise magnetisch leitfähige Streifen (1) trägt, die die Form von Zvoiventen ha'cen, deren gemeinsame Evolute ein Kreis (2a) ist, der die die Mittelpunkte der ebenfalls vorzugsweise magnetisch leitfähigen Merkmale (1) des linearen Maßstabes verbindende Gerade (2) berührt.

   Hinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß c-.er lineare Maßstab zwei parallele Leihen äcuidistanter l-.ürkmale trügt und die Lage des 'Maßstabes symmetrisch zum Mittelpunkt(4) der Abtastacheibe (5) von den umlau-

   Lir.ricntun; nach einem der vorangehenden Ansprüche, aa- ^.::'ch gekennzeichnet, da£ 2 v/eitere xibtastsysteme (22, 2'-j) und auf dor 3c;:ei~e (b) ein gieicngeteuter, zu den Evolventen konzentrischer 'Jeilkreis (24) vorgesehen sind.

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   4» Einrichtung naoh einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Teilkreis (24) auf der Scheibe (5) eine andere Zahl von Teilungen besitzt, als Evolventen (1) über den Umfang der Scheibe (5) verteilt sind.

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