DE1623770A1 - Einrichtung zur Bestimmung der Lage einer Messmarke nach zwei Koordinaten - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Bestimmung der Lage einer Meßmarke nach zwei Koordinaten Durch die deutsche AuslegeschrIft 1 233 614 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Lage-von Meßmarken -nach zwei Koordinaten bekannt, bei der als Abtaster eine transparente, rotierende Platte verwendet ist, die mit mindestens einer ihrer Flächen zu einer diese Flächen durchstoßenden Drehachse schräg steht. Der Abtastbereich dieser Platte ist beschränkt. Will man ihn vergrößern, so könnte man zwar die Stärke der Platte vergrößern, doch bringt eine solche Anordnung die unangenehme Erscheinung mit sich, daß die mit der Platte abgetasteten Bilder verwaschen und damit die Signalqualität abnimmt.-Nun gibt es zwar Anwendungen, wo dieser Effekt nicht stört. In aller Regel aber ist man bestrebt., , eine einmal erreichte Signalqualität zu erhalten.
• Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die unter Anwendung der in der genannten Auslegeschrift beschriebenen schräg stehduden Platte als Abtaster es gestattet,-elnen erweiterten Abtastberelch auszuwerten, wobei es nur für den mittel-s der Platte erfaßten Bereich auf genaue oder Fein-Werte ankommt, während das übrige Beobachtungsfeld nur eine Groborientlerung zu bringen braucht. Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Bestimmen der Lage einer Meßmarke nach zwei Koordi-naten, bei der eine mit mindestens einer ihrer Flächen zu einer diese Flächen durchdringenden'Drehachse schräg stehende, transparente, rotierende Platte im Strahlengang verwendet ist. Die Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der rotierenden Platte zwei Abtastmuster-Träger nachgeschaltet sind, von denen der eine ortsfest gelagert Ist, Während der andere synchron mit der Platte rotiert und sein Abtastmuster derart gestaltet ist, daß es, in Richtung der Drehachse gesehen, mindestens einen Teil der Fläche des ortsfesten Abtastmusters frei läßt, daß das erste Abtastmuster exakt in der BIldebene des verwendeten optischen Systems liegt, während das zweite Abtastmuster leicht defocussiert ist, daß der rotierenden Platte mindestens ein Signalgeber zugeordnet Ist, welcher mit dem Umlauf der Platte synchrone Signale liefert, uni daß zur Abtastung der Muster ein fotoelektrischer Empfänger mit nachgeschalteter Auswerteschaltung vorhanden ist. Das Muster des mit umlaufenden Abtastmuster-Trägers kann aus einer exzentrisch gelagevteng geschwärzten Kreisschelbe bestehen.und -um die Achse herum eine dem feststehenden Muster des anderen Musterträgers angepaßte Aussparung aufweisen. Das Muster des mit umlaufenden Abtastmuster-Trägern kann aber auch ein verzerrter Kreis oder ein Gitter sein. Erfindungsgemäß umfaßt die Schaltung zur Auswertung der anfallenden Signale Mittel zur Durchführung folgender FunktionsschrIttes a) Aus den an dem oder den Signalgebern anfallenden Signalen worden zwei symmetrische

  Rechteckspannun,gen abgeleitet, deren Fmequ#emm glie:i"ch :der

  mechanischen Drehfrequenz Ist und die um 9,e gege-ne:i-,na-nde-r

  verschoben sind. b) lUt diesen 1-Rechteckspannungen werden

  die am :,rotoel#ektz-:Lschen Empfänger -anfallenden SIgnale

  multipliziert. c) Das Produkt aus der eInen -Rechteck-

  spannung und den Meßsignalen wird :i-nteZr:1,ei-t -und entspricht

  dann dem- x-Grobwert des anzumessenden L-Ichtpunktes. d) das

  Produkt aus der anderen ]Rechteckspannung und den Meßstjg-

  nalen -wird integriert und entspricht dann dem -y--iG-robwert

  des anzumessenden L:ichtpu-nkteg.

  Die Erfindung Ist -nachfolgend an Hand -von Figuren beIspiels-

  -weis e erläutert. In FIg. 1 Ist eine Aus:f11hrung Sär die neue

  Einrichtung gezeigt, bei der In einem vxtsfest gelagerten

  Gehäuse 10 mittels Kugellagern 11 ein Zylinder 12 drehbar

  gelagert ist. Im Gehäuse 10 sInd Spulen 13 an#gebratht, die

  mit einer auf der Zyl:LuderaußenseIte befInd11,chen Wicklung

  14 (Z. B. Kurzsebl:ußw-icklung) zusainme-nw-ix-lkeu und nach dein

  Anlegen an e2--ne spelsende Quelle 13 d:le RotatIon des

  Zylinders 12 um die Achse A bewirken. Im Zyl2.-nder 1.2 Ist

  eine planparallele Platte 16 befestigt derart, üaß ihre

  Normale mit der Achse A einen W:i-a-kel eInschlIeßt. Das

  untere Ende des Zylinders 12 Ist durch e:1,-,a#e-n Abtastmuster-

  Träger 17 verachlossen, das untere Ende des Gehäuseß 10

  durch einen Abtastmustev-Träger 18. Die Ausführung der

  beiden Abtastmuster Ist darunter dargestellt. Wie ers:icbt-

  lich, besteht das Abtastmuster des Trägem#a- 17 aus einer

  exzentrisch gelagerten geschwärzten KreIssche:ibe 170, deren

  Peripherie die durch die Platte 17 versetzte optische Achse schneidet und um diese herum eine dem Muster des Trägers 18 angepaßte Aussparung 171 aufweist. Das Abta.stmuster des Trägers 18 besteht aus einem Vierfeldmuster 180, dessen Mittelpunkt mit der Achse A zusammenfällt. Am oberen Ende des Gehäuses befindet sich eine Linse 19. Sie ist so gewählt, daß ihre Brennweite f mit der freien Öffnung des Zylinders 12 gerade den zu erfassenden Winkelbereich ergibt. Die Blanplatte 16 ist in ihrer Stärke so gewählt# daß eine Ablenkung erzeugt wird, die nur einen kleinen Teil dieses Bereiches erfaßt. Soll beispielsweise die Auflösung 4 der neuen Anordnung 10 sein, so wird man die Ablenkung mit etwa 201 wählen, woraus ein Bildkreisdurchmesser von 40t resultiert. Bei einer Brennweite f 70 mm entspricht einer Auflösung von 10 4 eine Verschiebung von 3,5/um. Soll die Ablenkung von 20t eine Verschiebung von 420/um erbringen, 0 so muß eine um 45 gegen die Drehachse A geneigte planparallele Platte mit n = 1,7 eine Dicke von 0,91 mm aufweisen Daraus resultiert für den Bildkreis ein Durchmesser von 0,84 mm, was dein Durchmesser des Musters 180 entspricht. Den beiden Abtastmuster-Trägern 17, 18 ist in bekannter und da-her hier nicht mehr dargestellter Weise ein fotoelektrischer Empfänger nachgeschaltet. Der Zylinder 12 trägt an seiner Außenseite einen Magnet 20, der mit einer am Gehäuse gelagerten Pick-up-Spule 21 zusammenwirken kann. Ein Gegengewicht 22 gleicht das Gewicht des Magneten 20 aus.
• Die Aussparung 171 hat den gleichen Radius, wie ihn das kreisende Bild beschreibt, zuzüglich des Betrages, um den der Radius des Unschärfekreises diesen Radius übertrifft. Man ist bestrebt, die Unschärfe so klein wie möglich zu machen und lagert deshalb die beiden Musterträger 17, 18 so dicht wie eben möglich übereinander. Dabei Ist allerdings zu berücksichtigen, daß sich die Träger infolge von Umweltel-nflüssen, z.B. Hitze, verformen können. Auch für diesen Fall muß sichergestellt sein, daß sie sich nicht berühren können. Die Muster sind so justiert, daß der abgelenkte Lichtstrahl, der auf der Drehachse einfiel, durch den Mittelpunkt des Musters 170 geht.
• Die Funktion der Grobmessung Ist unter Zugrundelegung der Fig.2 folgende: Der zu messende Lichtpunkt, z.B. ein Stern, liege in der Verlängerung der Drehachse A. Wegen der schrägetehenden Platte 16 beschreibt sein Lichtpunkt dann um die Achse A einen in Fig.1. Muster 180 eingezeichneten Kreis 181. Dessen Durchmesser entspricht dem Radius den Mustern 180. Fällt der Lichtstrahl von der Marke unter einem leichten Winkel zur Drehachne geneigt ein, so verlagert sich der Kreis ein wenig und aus dem Zusammenwirken den verlagerten Kreisen mit dem Muster 180 entstehen Signaleg die bei an sich bekannter Auswertung eine Aussage über die relative Fein-Lage der Marke machen.
• Bei größerer Abweichung den Lichtetrahla von der Drehaohne ergibt @ich beispielsweise als Umlaufbahn für den Lichtpunkt der punktiert gezeichnete Kreis mit dem Radius R. Beim Auftretfen den Bildes des Lichtpunktes auf die Figur 170 ergibt sich ein Dunkellmpuls für die Dauer des Durchlaufens einen Winkels Dabei Ist der Winkel durch die VerbIndungslInfe der Achse Al mit dem Mittelpunkt der Figur 170 sowie durch die Verb:Lndu-ngsllnie'der Achse A' mit dem Schnittpunkt des punktierten Kreises mIt-der Peripherie der Figur 170 gekennXelühnet. Aus diesem Dunkellmpuls läßt sich also -die -.Größe R, die Abweichung der Lage der Meßmarke von der Drehachse gemäß der in Fig. 2 angegebenen Formel leicht bestimmen.
• Ein Beispiel für die Schaltung zum Auswerten der am fotoelektrischen Empfänger anfallenden Impulse Ist In FIC.3 dargestellt. Der als fotoelektrischer Empfänger benutzte Multiplier 115 liegt mit einem 'Widerstand 116 In Reihe und erzeugt an diesem Spannungalmpulse, die den auf den Multiplier auftreffenden Hell-Dunkel-LichtImpulsen-entsprechen. Diese Spannungsimpulse werden in einer Triggerstufe 117 ,rechteckig geformt. Die Verarbeitung der der FeInmensung mittels den Mustern 180 zugeordneten Spannungelmpulee erfolgtv wie bekannt, mittels zweler Pltp-Plop-Stufen 118, 119, denen je eine Integratoratufe 120 bzw. 121 nachgeschaltet ist. Es ist natUrlich auch möglich, die Ausgangsnignale der ]Plip-Flop-Stufen 118, 119 durch abwechselnd poeitiv-noCativen Zählen mit einer olockTFrequenz zu digitalizieren-. Zur Abtrennung der zur Grobmessung gehörenden Signale wird die Tatsache ausgenutzt, daß diese im Gegensatz zu den anderen Signalen nur einmal je Umlauf unterbrochen werden, Aus diesem Grund auch geben die Flip-Flop-Stufen 118, 119 bei einer Grobabwelchung des Llchtpunktes von der Achse exakt Null aus. 'Wie, aus Flg. 2 -ersichtlich, sind alle an-,steigenden und abfallenden Planken der am Empfänger 115' anfallenden $lgnale jeweM-s gleich weit voneinander entfernt, so daß sich an den Flip-Flops 1189 119 zwangsläufig symmetrische Rechtecke.ergeben, deren Integrale (x fein, y fein) Null sind. Das: unsymmetrisch anfallende Grobsignal ließe sich durch Integration In den entsprechenden Polarwert R umwandeln. Um j edoch Lagewerte In x- und y-Komponenten zu erhalten, werden die AusgangssIgnale des TrIggers 117 In Modulatoren 122, 123 mit zwei Rechteckspannungen multipliziert, deren Frequenz gleich der Umlauffrequenz des Zylindern 12 ist und die um 900 gegeneinander in der Phase verschoben sind und daher exakt mit x Ünd y ihr Vorzeichen wechseln. Den Modulatoren 122, 123 sind Integratoren 124, 125 nachge-.schaltet, deren AUsgangespannungen den gesuchten x- und y-Grobwerten entsprechen.
• Die Schaltspannungen für die Modulatoren lassen sich auf verschlädene Welne gewinnen. So ist es beispielsweise möglich, am Gehäuse 10" um»jeweils 90 0 versetzt, vier Pick-up-Spulen anzubringen, doch Ist diese Möglichkeit in der Herstellung zu teuer. In Flgil ist nur eine Pick-up-Spule 21 gezeigtt die jeweils nach einer Umdrehung des Zylinders-12 um'3600 anspricht. Dieser Spule 21 entspricht in Flg.3 die Spule 110. Die an dieser Spule anfallenden'Signale mit der Frequenz f durchlaufen einen Verstärker 126 und werden einer Flip-Flop-Stufe 127 zugeführt. Die In dieser entstehenden Rechteckeignale weisen die Frequenz f/2 auf. Ein steuerbarer Oszillator 128 mit nachgeschalteter Trigg erstufe 129 erzeugt

  eine Rechteckspannung mit der Frequenz 2f. Aus dieser werden

  die

  mittels Flip-Flop-Stufen 130, 131 in bekannter Weise um 90

  gegeneinander verschobenen Schaltspannungen erzeugt. Eine von diesen wird in einer weiteren Flip-Flop'Stufe 132 auf die Frequenz f/2 untersetzt. Sie soll dann mit den Ausgangssignalen der Flip-Flop-Stufe 127 gleich sein. Ist.dies nicht der Fall, so gibt ein Differenzverstärker 133 Korrektursignale au den Oszillator 128 und zieht diesen nach. Während beim Vorhandensein eines Grobsignals die Ausgänge für die Feinmeßeignale von selbst auf Null sind, könnten die Feinsignaleauch über den Auswerteweg für die Grobmeßeignale Spannungen erzeugen, die sogar richtig wären, wenn die Phasenlage sehr genau stimmte. Dann aber wären Grob2-- und Feinmeßeignale nicht voneinander unterscheidbar. Darüber hinaus reicht für die Grobmessung eine grobe'Phasen-.justierung aus. Es Ist daher ein Gatter 134 vorhanden, welches ein Signal gibt, wenn entweder ein x- oder ein y-Felnmeßs'ignal vorliegt. Dieses Signal sperrt dann mittels zweier nand-Gatter-135, 136 die Eingänge der Modulatoren 1229 123- An Stelle der oben erwähnten Anordnungen zum Erzeugen der beiden um 90 gegeneinander in der Phase verschobenen Rechteckspannungen kann auch eine Anordnung treten, bei der am Gehäuse zwei Plek-Up-Spulen befestigt sind, die mit zwei am rotierenden Zylinder befestigten Permanentmagneten zusammenwirken. Dabei sind vorzugsweise die beiden 0 Spulen xa gegeneinander um 90 , die beiden Magnete gegeneinander um 1800 versetzt. Die Erzeugung der Signale und ihre Auswertung erfolgt in bekannter,Weise. Es Ist auch möglich, die aus der Flip-Flop-Stufe 127 austretenden Signale der Frequenz f/2 zu integrieren, wobei - sich eine Dreleckspannung ergibt. Diese Spannung wird einem Zweiwegi.-Gleichrichter zugeführt, welchem eine Triggerstufe nachgeschaltet ist, an deren Ausgang eine Rechteckspannung mit der Frequenz f ansteht. Führt # man diese Spannung über eine weitere Integratorstufe und einen weiteren Zwelweggleichrichter, dem eine Triggerstufe und anschließend eine FlIp-Flop-Stufe nachgeschaltet sind, so erhält man eine Spannung mit-der Frequenz f. die zur Ausgangsspannung der ersten Triggerstufe um 90 0 phasenverschoben ist.
• Mit der neuen Anordnung lassen sich unter bescheidenem Aufwand mit nur einen MultiplIer und nur einer Optik die an sich gegensätzlichen Forderungen nach einem großen Meßfeld und hoher Noßgenauigkeit in der Nähe-der *ohne erfüllen. Wenngleich im beschriebenen AunfUhrungebeiapiel das Munter den Trägers 17 &In geschwärzter Kreis ausgeführt ist, so kann das Muster dieses Trägers auch andere Formen aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, diesem Muster die Form eines verzerrten Kreises zu geben, welcher die R-Funktion von Null ausgehend linearisiert. Dieser verzerrte Kreis muß der Formel R = ±K . gehorchen, wobei R die radiale Abweichung des Bildes des Lichtpunktes von der Mitte, -der Winkel und K eine Konstante ist.
• Schließlich ist darauf hinzuweisenl* daß an Stelle der planparallelen Platte 16 auch eine leicht kellförmige Platte verwendet werden kann, ohne daß sich-die Funktion der Anordnung dadurch ändert.

Claims (1)

1. A n 9 p r ü c h e Einrichtung zur Bestimmung der Lage einer Meßmarke nach zwei Koordinaten, bei der eine transparente, rotierende Platte im Strahlengang verwendet ist, die mit mindestens e&ner ihrer Flächen zu einer diese Flächen durchdringenden Drehachse schräg st eht, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierenden Platte (16) twei Abtaatmuster-Träger (17, 18) naghgeschaltet sind'" von denen der eine ortsfest gelagert ist, während der andere synchron mit der Platte rotiert und sein Abtastmuster (170) derart gestaltet ist, daß es, in Richtung der Drebachse gesehen, die Fläche des ortsfesten Abtastmusters.(180) frei läßt, daß das eine Abtast-Muster (180) exakt in der Bildebene des verwendeten optischer Systems (19) liegt, während das zweite Abtastmuster (170) leicht defocussiert Ist, daß der rotierenden Platte (16) mindestens ein Signalgeber (20, 21) zugeordnet ist, welcher mit demUmlauf der Platte synchrone Signale liefert und daß zur Abtastung der Muster ein fotoelektrischer Empfänger (115) mit nachgeschalteter Auswerteschaltung (Fig. 3) vorhanden Ist. Einrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß das Muster den mit umlaufenden Musterträgers (17) aus einer exzentrisch gelagerten, geschwärzten Kreisscheibe (170) besteht, deren Peripherie die versetzte Drehachse (A') des Musterträgers schneidet und um diese herum eine dem feststehenden,Muster den anderen Musterträgers (18) entsprechendE Aussparung (171) aufweist. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster des mit umlaufenden Musterträgers ein 11verzerrter Kreis' 1 R ±K ist. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster des mit umlaufenden Musterträgers ein Gitter Ist. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß In der Schaltung zur Auswertung der anfallenden Signale Mittel (117... 1:36) zur Durchführung folgender Funktionsschritte vorhanden sindt a) aus den an dem oder den Signalgebern anfallenden Signalen werden zwei symmetrische Rechteckspannungen abgeleitet, die um 90 0 gegeneinander verschoben sind; b) mit diesen Rechteckspannungen werdun die am fotoelektrischen Empfänger anfallenden Signale multipliziert; c) das Produkt aus der einen Rechteckspannung und den Meßeignalen wird Integriert und entspricht dann dem x-Grobwert des Meßpunktes; das Produkt aus der anderen Rechteckspannung und dem Meßeignal wird integriert und entspricht dann dem Y-Grobwert des Meßpunktesi e) beim Vorliegen von Signalen aus der Abtastung des Musters 180 werden die Auswertekanäle für die Grobmessung über Gatter gesperrt..