-
Me#vorrichtung für Relativbewegungen Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen des Betrages und/oder der Geschwindigkeit
von Relativbewegungen zwischen zwei gegeneinander verscjoebbaren Körpern, wie z.B.
einem Werkzeugträgerschlitten und der Schlittenführung einer Werkzeugmaschine, oder
zum Einleiten einer Steuerbewegung in Abhängigkeit von einer derartigen Relativbewegung,
Die Erfindung betrifft insbesondere Vorrichtungen der Art, die zwei gegeneinander
verschiebbare,
im Abstand voneinander angeordnete Gitter aufweisen, um ein Muster von Interferenzstreifen
zu erzeugen, und die au#erem mit Empfängern ver@ sehen sind, die ein Bezugsfeld
bilden und ein meb@@a sige. Atis.;i:?.£>i;r .n" <b«? dv' , r:I.riex<i ezugssignal
um einen Winkel phase@verschoben @s@ der der Verschiebung der Interferenzstreifen
gegenüber einer Bezugslage proportional ist.
-
Eine bekannte Vorrichtung dieser Art weist drei Lichtquellen auf,
die von verschiedenen Phasen einer mehrphasigen Stromquelle gespeist werden Das
Licht dieser Lichtquellen durchsetzt zwei Gitter, die an gegeneinander verschiebbaren
Körpern montiert sind, und trifft auf eine Reihe von Fotozellen, deren Ausgangssignale
zu einem mehrphasigen Ausgangs signal zusammengesetzt werden, welches gegenüber
der elektrischen Stromquelle um einen Winkel phasenverschoben ist, der proportionel
zur Verschiebung der Interferenzstreifen und somit auch der beiden Körper gegeneinander
ist. Die Phasenverschiebung kann hierbei dadurch in eine mechanische Bewegung umgewandelt
werden, da# der St@tor einer mehrphasigen
dynamoelektrischen Maschine
mit der elektrihohen Stromquelle und der Läufer dieser Maschine mit dem mehrphasigen
Ausgangssignal der Fotozellen verbunden wird.
-
Eine andere bekannte Ausführungsform weist anstellt optischer magnetische
Gitter auf, um magnetische Interferenzstreifen zu erzeugen, auf deren verschiebung
Luftapaite ansprechen, die von verschiedenen Phasen einer mehrphasigen Stromquelle
gespeist werden. Die Ausgangssignale dieser Luftspalte werden zu einem mehrphasigen
Signal zusammengesetzt, das ebenso wie bei der optisch wirkenden Vorrichtung bezüg;ocj
der Stromquelle phasenverschoben ist.
-
Um bei Vorrichtungen, die auf der Basis sich verschiebender Interferentstreifen
arbeiten, eine genügend grosse Genauigkeit zu erzielen, mu# man bei den bekannten
Verfahren Gitter mit einer entsprechend engen Strichteilung, mindestens etwa in
der Grö#enordnung von einem gen 103 je mm verwenden, die Jedoch insofern Schwierigkeiten
boreiten, als für eine weitgehend erschütterungsfreie Ausftellang bew. Montage dieser
Gitter sowie eine
exakte Parallelführung des bewegten Gitters und
die Einhaltung einer konstanten Umgebungstemperatur Sorge getragen werden mu#. So
ergibt beispielsweise bei zwei gekreuzten Gittern mit einer Teilung von 40 Strichen
Je cm und einem Interferenzstreifenabstand von etwa 2,5 cm eine Abweichung von 5
x 10-3 mm von einer exakten Parallelverschiebung auf eine Strecke von lo cm einen
Fehler von 10 % Für Me#vorrichtungen an Werkzeugmaschinen kommen somit optische
Gitter nicht in frage Der Erfingung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Me#vorrichtung
der vorgenannten Art su zchaffen, die lit verhältnismä#ig groben Gittern, mit einer
Teilung von einigen Strichen Je mem, arbeitet und trotzdem eine ausreichende Me#genauigkeit
von beispielsweise ~ 2 x 10-4 mm aufweist.
-
Bei Vorrichtungen der vorgenannten Art mit Je einem mit einem beweglichen
Objekt und einem mit dem Bezugssystem verbundenen Strichgitter oder auch magnetischen
Gitter, deren Lia@ien @@@ mmgleicher, einen Honiuseffekt ergebender
Gitterkonstante
parallel zueinander verlaufen, und deren Linien bei gleicher Gitterkonstante einen
kleinen Winkel miteinander bilden, und durch deren Zusammenwirken ein periodisches
System von Interferenzstreifen entsteht, deren Verschiebung von geeigneten Me#geräten
registriert wird und als Maß für die Geschwindigkeit bzw. für den Betrag einer Relativbewegung
dient, wird disse Aufgabe dadurch gälöst, da# das Streifenfeld in eine Mehrzahl
von gleichmä#ig über die Periode des Streifenmusters verteilten Binzelzonen unterteilt
ist, denen eine entsprechende Anzehl von Empfängeru zugeordnet ist, von denen Wechselstromsignale
mit einer dem Energiefluß durch die einzelnen Zonen entsprechenden Amplitude abgegeben
und den Elementen eines Phasenschiebernetzwerkss zugeleitet werden, dem Uber einen
Übertrager ein zusammengesetztes Ausgangssignal entnommen wird, das bezüglich des
Bezugssignales um einen Winkel phasenverschoben ist, der proportional zu der Verschiebung
der Interferenzstreifen gegenüber der Bezugslage ist, und das zur Steuerung der
Verschiebung des beweglichen Objektes gegenüher dom Bezugssystem mit dem Bezugssignal
verglichen wird.
-
Die Einzelzonen weisen vorteilhafterweise eine viersckige, vorzugsweise
eine rechteckige oder parallelogrammförmige Gestali und in Versehieberichtung des
Streifenmusters eine Breite auf, die ungsfähr der durch die Zahl der Einzelzonen
geteilten Breite einer Interferenzstreifenperiede entso@icht.
-
Weun die Zuordnung je einer Fotzelle zu jeder Einzelzone Schwierigkeiten
bereitet, so können die Einzenzonen auch voneinander getrennt und so angeordnst
seln, da# sie sich in ihrer Gesemtheit /über mehrere Perioden des Interferenzstreifenmusters
erstrecken.
-
Eine besonders hohe Me#genauigkeit wird gemä# der Erfindung dadurch
erzielt, da# die Gitteranordnung so getroffen wird, da# Interferenzstreifen entstehen,
die zur Verschieberichtung geneigt, vorzugsweise parallel zur Diagonale der Einzelzonen
vo@laufen, was durch Verwendung zweier unterschie4dlich geteilter und um einen kleinen
Winkel gegeneinander geneigter Gitter erzielt wird.
-
Für eine möglichst getreue Widergabe der Verschiebung der Interferenzstreifen
durch eine entsprechende Phasenwinkeländerung
des Ausgangssignales
ist es wesentlich, da# die Harmonischen weitgehend unterdrückt werden, was dadurch
erreicht werden kann, da# eine etwa 1% der Gesamtfläche einer Einzelzone entsprechonde
Fläche an auf der vorgenannten Diagonale symmetrisch gelegenen Stellem abgedeckt
ist. Die Schwingungsform der amplitudenmodulierten Wechselstromsignals einer einzelnen
Fotozelle kann auf diese Weise einer reinen Sinuswelle angenähert werden. Schlie#lich
kann zur weiteren Unterdrückung von Harmonischen das Bezugssignal an einem der Empfänger
abgenommen werden.
-
Die erfindungsgemä#e Vorrichtung kan vielseitig verwend@t und auch
mittels magnetischer Gitter betrieben werden. Im letzteren Fall werden die Luftspalte
von einer gewöhnlichen einphasigen Stromquelle erregt und die Ausgangssignale dieser
Luftspalte verschiedenen Punkten des Phasenschiebernetzwerkes zugeführt, um auf
diese Weise ein phasenmoduliertes ausammengesetztes Signal zu erzengen. Mit einer
optisch wirksamen Vorrichtung werden deshalb besonders günstige Voraussetzungen
geschaffen, da eine sobche Vorrichtung die Verwendung einen einzigen Lichtquelle
zulä#t, woduch die#enig@ Hachteile verndeden werden, die
bei Verwendung
mehrererLichtquellen auftreten, deren Lichtausbeute infolge ihrer unterschiedlichen
Alterung verschieden gro# sein kann.
-
Als Lichtquelle kann jede Energiequelle verwendet werden, die elektromagnetische
Strahlen aussendet, die auf fotoelektrischem Wege in elektrische Signale umgewandelt
werden. Eine brauchbare Lichtquelle ist beispielsweise eine Gallium-Arsenid-Zelle,
die infrarote Strahlung erzsugt, die mit Frequenzen von ungefähr 107 Hz moduliert
werden kann.
-
In der Zeichnung sind in schematischer Weise Ausführunge beispiele
der erfindungsgemä#en Vorrichtung dergestellt.
-
Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung mit einer einzigen Lichtquelle und
einer Mehrzahl von Fotozellen; Fig. 2 die Anordnung der Fotozellen bezüglich der
Interferenzstreifen; Fig. 3 und 4 erläuternde Diagramme, die sich auf das Austührungsbeispiel
nach Fig. 1 beziehen.
-
Fig. 5 eine besüglich der Form der Elementarzonen abgewandelte Anordnung
mit drei Fotozellen und senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Interferenzstreifen;
Fig. 6 bis 9 weiters abgewandelte Ausführungsformen.
-
Bei dem in Yig. 1 dargesellten Ausführungsbeispiel wird eine Lichtquelle
1 von einer einphasigen 400 HZ-Stromquelle 2 gespeist, dio mit dieser Frenquenz
pulsierendes Licht aussendet. Zvei Strichgitter, ein beispielsweise mit einem Naschinenbett
verbundenes Bezugsgitter 3 und ein beispielsweise mit einem Werkzeugträger verbundenes
Anzeigegitter 4, sind in geringem abstand übereinander angeordnet. Die beiden Gitter
werden von dem von der Lichtquelle 1 ereugten, mittels einea gollimators 5 parallol
gerichteten Licht getroffon, wodurch ein periodisches Muster von Inteferenzstreifen
erzeugt wird.
-
Die Lage dieser Interferenzetreifen häugt von der gegenseitigen Lage
der Gitter ab und ist infolgedessen ein Ma# für die gegenseitige Lage der beiden
die Gitter tragenden Körper. Die Intecferonzstreifen werden von einer abgeglichenen
Reihe 6 von fünf Fotozellen A, B, C, D und E vermessen,
die längs
einer Geraden angeordnet sind, welahe in der durch einen Doppeipfeil 20 in Pig.
2 angezeigten Richtung der zu vermessenden Bewegung verläuft. Das Licht, das Jeweils
aua einer von fünf reohteckigen Elementarzonen einer Interferenzstreifenperiode
stammt, wird mit Hilfe eines Satzes von in gleichen Abständen voneinander angeordneten,
ein Bezugsfold in Form eines Fensters bildenden Sammellinsen 7 auf die Fotozellen
konzentriert.
-
Jeder Fotozelle wird Licht von der Lichtquelle 1 über eine entsprechende
Elementarzone zugeführt, wobei die gesamte auf die Fotzellen fallende Lichtmenge
im wesentlichen konstant bleibt und zwar unabhängig von der Lage des Interferenzstreifenmusters
bezüglich des Bezugsfeldes. Die relativen Lichtzengen, die auf die einzelnen Fotabellen
fallen, ändern sich jedoch entsprechend der Lage des Interferenzstreifenmusters.
Die Ausgangssignale der einzelnen Fotozellen haben somit entsprechend dem auf die
einzelne Fotoselle fallenden Auteil des Lichtes versohieden gr##e Amplituden und
bilden gleichphaeige Wechselstromkomponenten mit der Frequenz der Lichtquelle 1.
-
Um die Verschiebung der Interferenzstreifen in proportionale Verschiebungen
des elektrischen Phaenwinkels umauwantielu, sind die Ausgänge der Fotozellen A bis
mit verschiedenen Elementen 8 eines Phasenschiebernetzwerkes 9 gekoppelt, dem über
einen Übertrager 14 und einen Ver stärker 11 ein zusammengesotztes Ausgangssignal
entnommen wird. Anstelle des Verstärkers 11, oder auch zusätzlich zu diesem, können
zur Verstärkung der Ausgänge der einzelnen Fotezellen Verstärker 10 vorgesehen sein.
Die Ausgänge der Fotozellen können ueber Potentiometer 12 kurzgeschlossen sein,
um die Einzelempfindlickeiten der Fotozellen gegeneinander abzugleichen. Au#erdem
können mittels Kondensatoren 13 Gleichstromkomponenten der Ausgangsignale der Fotozellen
unterdrückt werden. Jedes der Elemente 8 umfa#t einen Widerstand 15, der in Reihe
Bit einem Kondensator 16 geschaltet ist, und ist so ausgebildet, daß es die Phase
des ihm von einer zugehörigen Fotozelle gelieferten Signales um einen Phasenwinkel
verschiobt, der genau der Winkellage der zugehörigen Elementarzone entspricht, von
der diese Fotozelle beleuchtst wird. Wenn man anntmmt, da# diese Elementarzonen
gleich gro# und in gleichen Abständen voneinander zind, zo sind die Teilsignale
der fünf Fotozellen, nachdem sie die entsprechenden Flemente 8 durchlaufen haben,
durch fünf Vektoren
18a - 18e (Fig. 3) darstellbar; das Ausgangssignal
der Fotozelle A wird direkt einer Klemme 17 zugeführt und auf diese Weise nicht
phasenverschoben. Die Längen der Vektoren 18a - 18e entsprechen den betreffenden
Amplituden der Fotozellen für diejenige Lage des Interferenzstreifenmusters, wie
sie ih Fig. 2 dargestellt ist. Die einzelnen Signale setzen sich, wie in Fig. 4
dargestellt, zusammen und bilden eine Ausgangssignal, das durch einen Voktor 19
mit einem Phasenwinkel 22 dargestellt werden kann. Der Wert dieses Phasenwinkela
ist ein Ma# für die Lage des Streifens maximaler Helligkeit 21, wie er ale gestrichelte
Linie in Pig. 2 dargestellt ist, und zwar in Binheiten seines Abstandes von der
Mitte der Elementarzone, die der Fotozelle A zugeordnet ist. Eine Bewegung des Interferenstreifenzusters
über das Bezugsfeld über eine ganze Periode des Streifenmusters ruft eine Drehung
des Vektors 19 über 5600 hervor. Da sich ergebende Ausgangasignal wird einem Phasenme#gerät
23 zugeführt, um so eine genaue Anzeige oder eine entsprechende mechanische Bewegung
hervorzurufen, welche ein Ma# für die augnblicklicht Lage des Interferenzstreifenmustere,
d.h. also für die Lage des Bezugsgitters 3 bezüglich des Anzeigegitters 4 ist.
-
Die Verwendung besonderer Linsen, um dae Licht der beleuchteten Elementarzonen
des Interferenzstreifenmu-@@rs auf die Fotozellen r.,u konzentrieren, kann dadurch
vermieden werden, daß die Größe einer Jeden Fotozellen so vergrößert wird, daß sie
die ihr zugeteilte Fläche des Fensters bedeckt, von dem sie ihr Licht erhält, und
daß die Fotozellen vorzugsweise nahe den beiden Gittern angeordnet werden.
-
Die beiden Gitter, die das Streifenmuster erzeugen, können nach dem
Monius-Prinzip oder nach den Prinzip dqr gekreuzten Gitter mit gleichen Gitterabständen
arbeiten und die Interferenzstreifen können senkrecht oder unter einem spitzen Winkel
su dor zu vernossenden Bewegung der Interferenzstreifen verlaufen, und zwar entsprachend
dem Verfahren, das für die Unterdrückung räumlicher Harmonischer verwendet wird,
In den Lichtweg kann zwischen die Lichtquelle und die Fotozelle eine Blende eingefügt
Werden, die geeignete Öffnungen zur Verkleinerung der Fläche des Fensters aufweist,
das von jeder Fotozelle vermessen wilSd; es kann aber auch ohne die Verwendung einer
Blende gearbeitet werden, so da# im wesentlichen alles Licht vom Interferenzstreifermuster
auf die Fotozellen
fällt, je nach Art der verwendeten Iuterferenzstreifen
und der Einrichtung zur Unterdrückung räumlicher Harmonischer.
-
Es können drei, vier oder mehr Fotozellen verwoudet werw den; ihre
Anzahl muß in der Praxis in Abhängigkeit davon bestimmt werden, inwieweit räumliche
Harmonische in der Schwingungsform der Licht-Intensitätsmodulation gemä# der Bewegung
des Interferenzstreifennusters unterdrückt werden sollen Beispielsweise kann eine
gerad. Anzahl von Fotozellen, beispielsweise sechs, verwendet werden, die mit zwei
Schaltungen mit je drei Elementen gekoppelt werden, welche im Gegentakt arbeiten,
um eine geradzahlige räumliche Harmonische zu eliminieren. Nach Belicben karm eine
größere Anzahl von Potosellen verwendet werden, um den Anteil räumlicher Harmonischer
in den modulierten zusammengesetzten Ausgangssignalen berabzusetzen, da, selbst
wenn die Wechselstromkomponente des Au sgangssignales einer Jeden Fotozelle rein
sinusförmig ist, die Schwingungsform der Amplitudenmodulation infolge der Bewegung
der Interferenzstreifen beträchtlich von einer reinen Sinuswelle abweichen und so
räumliche Harmonisohe hereinbringen kann. Die Harmonischen werden bis auf
einen
Bruchteil herabgesetzt, der, verglichen mit anderen möglichen Fehlerguellen der
Vorrichtung, klein ist. Dies kann durch Vergrö#erung der Zahl von Fotozellen, denen
jeweils eine Elementarzone der Interferenzstreifenperiode zusgeordnet ist, wesentlich
unterstützt werden. Wenn mehrere gleich verzerrte amplitudenmodulierte Signale vektoriell
zusammengesotzt werden, so ist der Gehalt der phasenmodulierten Resultierenden an
Harmonischen ul einen Faktor vermindert, der großer als die Zahl der Signalkomponenten
ist.
-
So kann s.B. der größte fehler des Phasenwinkels der Resultierenden
durch Vergrö#erung der Anzahl der Komponentensignale, d.h. also der Fotozellen,
um das fünffache um einen Faktor von etwa neun verkleinert werden; dieser Prozeß
kann aber noch weiter getrieben werden.
-
Zu den erwähnten Vorteilen kommt aber noch ein weiterer bedeutender
Vorteil hinzu, der darin besteht, daß es infolge des Zusammensetzens der Signale
mit Hilfe einer derart einfachen Schaltung möglich ist, die Anzahl der Fotozellen
und ihrer zugehörigen Schaltungsteile ohne unangemessene Steigerung der Kosten zu
erhöhen.
-
Das Phasenverschiebernetzwerk enthält der Zahl der einzelnen Signale
der Fotozellen entsprechende Schaltungsteile, vorzugsweise jeweils einen Schaltungsteil
für jede Fotozelle, deren Jeder so bemessen iat, daß er die Phase des ihm zugeführten
Signalce um einen derartigen Phasenwinkel verschiebt, da# eine ste#nförmiges Vektor-Diagramm
gebildet werden kann, wie es in Fig. 3 dargestellt list, bei dem die Winkelbeziehung
zwischen den Vektoren den Lagen der Elementarzonen im Bezugsfeld des Interferenzstreifenmusters
entspricht, von denen die Signale ausgehen. Eine derartige Schaltung wird f(lr ein
einphasiges Ausgangseignal benötigt, Wird jedoch ein mehrphasiges, z.B. ein dreiphasiges
Ausgangssignal verlangt, so können die Signale parallel an drei gleiche Schaltungen
angelegt werden, in denen die Phasenver@@@@@@-bungen von einer der deren Schaltung
passend abgeänd@@t werden, um ein abgeglicheuss Dreinphasen-Ausgangssignal @@ erzeugen.
Im allgemeinen hängt deshalb die Anzahl der Elemente in einer jeden Schaltung von
der Anzahl der verwendeten Fotozellen ab und die Anzahl der Schaltungen ist von
der Anzahl der benötigien Phasen des Ausgangssignales athängig.
-
Wie bereits erwähnt, ist es wünschenzwert, die räumliohen Harmonischen
zu reduzieren, um sicherzustellen, de# der Intensitätsverlauf des Streifenmusters
so gut wie möglich einem Sinus-Gesetz folgt. Im Falle eng gestellter Gitter, d.h.
also bei Gittern mit etwa 40 oder mehr Strichen/mm, kann d@es zum Teil dadurch erzielt
werden, daß die Gitter einander sehr nahe gebracht und der Abstand zwischen ihnen
in bekannter Weize so eingestellt wird, da# der grö#te Teil des druchgelassenen
Lichtes in die nullte und erste Ordnung der gebeugten Wellen fällt. Die dann übrig
bleibenden Harmonischen können dadurch vermindert werden, da#, wie bereits beschrieben,
die Anzahl der Fotosellen und der demit verbundenen Elemente der Schaltung erhöht
wird.
-
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn grobe Gitter, das sind solche
mit ungefähr 4 oder weniger Gitterstricht pro mm, verwendet werden. Jedoch mu# dann
der Abstand zwischen den Gittern verhältnismä#ig gro# sein, um in der erwähnten
Weise Interferenzstreifen durch Beugung su erhalten, zo daß es vorgezogen wird,
die Streifen durch einen einfachen Blenden-Effekt zu erzeugen. Das Ergebnis ist,
da# die räumliche Wellen#orm, d.i. die
Intensitätscharakteristik
der Straifen, das# neigt, dreieckig zu werden, bedi@gt durch ein st@rkes Austeigen
des Anteils räumlicher Harmonischer. Ma#nahmen zur Verminderung dieser Harmonischen
und ihrer Effekte gewinnen deshalb gro#e Bedeutung. Eiue derartige Verminderung
kann dadurch erzielt werden, da# die beleuchtete Zone des Streifenmusters, die von
jeweils einer Fotozelle vermeszen wird, rechteckig ist und die Interferenzstreifen
so geneigt sind, da# sie parallel zu den Diagonalen dieser Rechtecke verlaufen.
-
Gemä# der vorliegenden Erfindung werden weitere wesent-Liche Verbeserungen
durch folgende Ma#nahmen erzielt.
-
Zunächst wird keine Schlitzblende verwendet. Dis beleuchtete Zone
des Streifemnusters, die von den Fotozellen vermessen wird, ist vielmehr in drei
genau gleiche, viereckige Elementarzonen eingeteilt, deren jeder eine Fotozelle
zugeordnet ist, und die sich länge einer Geraden erstrecken, die parallel zu der
Richtung der zu messenden Verschiebung der Streifen ist. Au#erdem bedekken diese
Elementarzonen genan eine ganse Periods des Steifenmasters und die Heigung der Interferenzstreifon
ist derart, da# diese parallel zu einer Diagonals
einer jeden der
viereckigen Elementarzonen ist, und zwar unabhängig davon, ob diese Elementarzonen
Rechtecke oder Parallelogramme sind (Fig. 2 und 5). Dadurch kann der grö#tmögliche
Anteil an räumlichen Harmonischen an dem Intensitätsverlauf des Streifenmusters
in einem beliebigen Teil seines bereiches auf weniger als 0,4 % herabgesetzt werden.
Werden au#erdem insbesondere an einander gegenüberliegenden Ecken, kleinBereiche
von der Blende abgedeckt, die an der zu den Interferenzstreifen parallelen Diagonale
liegen und ungefähr 2/3 % der Fläche einer jeden der drei viereckigen Elementarzonen
ansmachen, zo kann der grö#te Anteil weiter auf weniger als 0,2 % herabgesetzt werden.
Drittens kann der gesamte Anteil der Modulations-Harmonischen im zusammengesetzten
Ausgangeeignal noch weiter auf 0,02 % dadurch herabgesetst werden, da# man seine
Phase nicht mit der Stromquelle für die Lichtquelle vergleicht, woraus eine Herabsetzung
um einen Faktor von ungefähr "4" resultieren würde, sondern mit einem der Signale
der drei Fotozellen, Dieser niedere Anteil an Harmonischen macht den Fehler infolge
Abweichens des Intensitätsverlaufes der Interferenzstreifen von einer exakten Sinuswelle
vernachläsigber gegenüber anderen uavermeidlichen Fahlerquellen, die eine jede solche
Einrdehtung aufweist.
-
Wahlweise kann aber ein @äherungsweise sinusförmiger Verlauf der Intensität
der Interfereuzstreifen in noch etwas einfacherer Weise dadurch erzielt werden,
daß ein Kollimator zwischen der Lichtquelle 1 und den Gittern 3 und 4 angeordnet
und in diesu eine Blende vorgesehen wird, die kreisförmige Öffnungen hat, deren
Durchmesser etwas größer als 1/3 der Streifenmusterperiode ist und die so angeordnet,
sind, da# das durch sie hindurchtretende Licht Jeweils auf die dieser Öffnung zugeordnete
Fotozelle fällt.
-
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemä#en Einrichtung
kann, um eine möglichst weitgehend sinusförmige räumliche Welleoform zu erzielen,
eines der Gitter auf fotographisehem Wege hergestellt sein, so da# abwechselnd lichtundurchlässige
und durchlässige Zonen vorgesehen sind, deren Durchla#vermögen sich längs des Gitters
sinusförmig ändert. Ähnlich kann im Falls magnetischer Gitter die Polarität des
angezeigten Liniensystems, welches das Gitter bildet, so ausgebildet sein, da# sie
einem S@-nus-Gesetz folgt.
-
Das Prinzip der erfindungsgemä#en Einrichtung lä#t sich andererseits
auch
auf den Fall anwenden, bei dem mehrere von verschiedenen Phasen einez mehrphasigen
Stromquelle gespeiste Lichtquellen vorgesehen sind, denen eine einzige Fotozelle
zugeordnet ist, die das Licht von jeder der Lichtquellen erhält. Eine derartige
Einrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Sie hat drei Lichtquellen 25, 26 und 27,
die von einer Stromquelle 28 gespeist werden und zwei Gitter 29 und 30 beleuchten.
Eino einzige Fotozelle 31 erhält das durch drei Elementarzonen eines Interferenzstreifenmusters
hindurchgehende Licht, wobei dies Elementarzonen von einem Kollimator-Syste@ unit
drei Sammellinsen 32 gebildet werden. Das Ausgangssignal der Fotozelle 31 hat drei
Phasen, deren Amplituden der Lichtstärke des durch die Sammellinsen 32 hindurchgehenden
Lichtes proportional sind, d.h. von der Lage d@s Interferenzstreifenmusters abhängen.
Die Komponenten verschiedener Phase werden durch eine Phasenschiebernetzwerk 33
getrennt, an das das einphasige Ausgangssignal der Fotozelle 31 angelegt wird und
das ein dreiphasiges Ausgangssignal abgibt, dessen Phase gegenüber derjenigen der
Stromquellen 28 um einen Phasenwinkel verschoben ist, der der Verschiebung des Interferenzstreifenmusters
proportional ist. Wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind
die Elemente der Schaltung zur Phasenverschiebung Jeweils so ausgelegt, daß sie
eine Phasenverschiebung hervorrufen, die der Winkellage der entsprechenden Elementarzone
des Interferenzstreifenmusters bezüglich einer Periode des Interferenzstreifenmusters
entspricht.
-
Eine andere Ausführungsformder erfindungsgemä#en Einrichtung mit einem
magnetischen Interferenzstreifenmuster ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Einrichtung
entsprioht weitgehend der optisch wirkenden Einrichtung gemä# Fig. 1, Jedoch sind
die Fotozellen durch magnetische Luftspalte oder dergleichen oder magnetische Abtaster
A bis E ersetzt, die von einer einphasigen 400 Hz-Stromquelle 2 gespeist werden
und Einzel-Ausgangssignale abgeben, deren Jedes dem magnetischen Fluß einer Elementarsone
des Interferenzstreifenmusters entspricht. Die Einrichtung wirkt gonzu in analoger
WEise wie die optische Einrichtung gemäß Fig. 1 und die übrigen Bauelemente der
Einrichtung sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.
-
Im Vorsteherden ist der Gesichtepunkt des Messens des
Betrags
einer Relativbewegung durch Vermessung eines elektrischen Phasenwinkels hervorgehoben.
Es muß doch boachtst werden, daß während einer Jeden Ralstlsbewegung zwischen den
relativ zueinander verschiebbaren Körpern und infolgedessen zwischen den Gittern
sich die Frequenz des Ausgangssignales der Einrichtung gegenüber ihrer Normal- oder
Bezugsfrequenz um einen Betrag verschiebt, der proportional zu der Geschwindigkeit
einer solchen Relativbewegung ist. Mit anderen Worten, das normale Ausgangssignal,
welches als Trägersignal betrachtet werden kann, wird frequenzmoduliert, und zwar
gemäß der Geschwindigkeit, mit der die Interferenzstreifen vor den Fotozellen vorbeiwandern.
Diese Modulationsfrequenz kann als Ma#stab für die Gewchwindigkeit der Relativbewegung
herangezogen worden und csie kann insbesondere dazu benützt werden, ein Steuersignal
zur Auslösung eines Steuervorganges in Abhängigkeit von diesser Bewegung hervorzurufen.
Es ist natürlich wichtig, da# die Frequenz der Stromquelle oder die Trägerfrequenz
wesentlich grö#er als die duron die Bewegung der Interferenzstreifen hervorgerufene
Modulationsfrequenz ist, um die Frequenzkomponenten des Auganges innerhalb eines
schmalen Bandes zu halten und
so die Verwendung von Verstärkern
mit kleiner Bandbreite zu ermöglichen und um unerwünschte Signalo leicht eliminieren
zu können. Beispielsweise wird eine Modulstionsfrequenz von 500 Hz erzeugt, wenn
Gitter mit 40 Gitterstrichten pro mm relativ zueinander mit oa. 75 cm pro Minute
bewegt worden. In diesem Fall ergibt sind Trägerfrequenz von ungefähr 50 oder ioo
kHz Signale mit einer verhältnismä#ig kleinen Bandbreite.
-
Die erfindungsgemä#e Einrichtung kan auch dazu verwendet werden, verhältnismä#ig
gro#e Verschiebungen dadurch mit gro#er Genauigkeit zu messen, da# man eine Anzahl
von Gitterpaaren mit verschiedener Gitterkonstante verwendet. Beispielsweise werden
in der in Fig. 8 gezeigten Einrichtung drei Gitterpasre verwendet, nämlich ein erstes
Paar 40, dessen Gitter als Beugungsgitter arbeiten und Interferenzstreifen erzogen,
bei denen eine Periode des Interferenzstreifenmusters einer Verschiebung von 2,5
x 10-3 mm entspricht und ein Zweites und drittes Gitterpaar 41 bzw. 42, deren Gitter
nach dem Blendenprinzip arbeiten und Interferenzstreifenmuster hervorrufen, bei
denen eine Periode einer Verschiebung von 0,25 mm bzw. ven 25 mm entspricht. Jodem
Paar von Gitter ist ain besonderes System von Fotozsellen 43, 44,
45
zugeordnet, deren Ausganssignale einer entsprechenden Schaltung zur Phasenverschiebung
46 bzw. 47 oder 48 und dan einem Anzeige-Synchronmotor 49 bzw 50 oder 51 oder anderen
auf die Phase ansprechenden Empfängern zugeführt werden, um eine der Phasenwinkeländerung
entaprechende mechanische Boregung oder dergleichen zu erzeugen. Dis gemessene Gesamtverschiebung
kann von drei Skalen, einer Groh-, Mitiel- und Fein-Skala abgelesen werden, deren
jede eine von de Empfängern abgegebene Gröe anzeigt.
-
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemä#en Einrichtung zur
Vermessung gro#er Verschiebungen mit gros ser Genauigkeit, bei der besondere Streifenhmuster
verschiedenen Na#einheiten entsprachen, soll nun im Zusammenhang mit der Fig. 9
erläutert werden.
-
Licht von einer Lichtquelle oder von lIchtquellen 52, 53, das mit
einer Frequienz von ungefähr 100 Khz schwankt, geht durch ein System von Gittern
hindurch und erzeugt Interferezstreifen. Das Gittersystem hat ein Paar von Bezugsgitton)
55, 56, die an einem Maschinenbett befestigt sind. und deren erstes beispielsweise
tausend Gitterstriche pro Zoll und deren zweites beispiels-
990
Gitterstriche pro Zoll aufweist. Ferner ist ein erstes und ein zweites Anzeigegitter
57 bzw. 58 vorgesshen, das erste beispielsweise mit lool und das zweite beispielsweise
mit 991 Gitterstrichen pro Zoll und beide sind an einem Werkzeugträger befestigt
und bewegen sich mit diesem nahe den Bezugsgittern. Wenn sich der Werkzeugträger
mit einer Geschwindigkeit von 30 Zoll pro Minute bewegt so bewegen sich die Interferenzstreifen
bezüglich eines Bezugspunktes am ersten Anzeigegitter 57 mit einer Geschwindigkeit
von 500 Streifen pro Sekunde und bezüglich eins Bezugspunktes um zweiten Auzeigegitter
58 mit 495 Stratfen pro Sekunde, wobei eine Periode des Interferen@@ treifenmusters
in jedem Fall bei diesem Beispiel ein Soll beträgt. Jedes Interferenzetreifensystem
wird von einem Satz von Fotozellen 59 bzw. 60 vermessen und die Ausgangseignale
eines jeden Satzes von Fotozellen werden mit 500 bzw.
-
495 Hz mudliert, nachdem sie Schaltungen zur Phasenverschiebung 61
bzw. 62 aufgegeben wurden. Die modulierten Signale des ersten Systems werden einem
Empfänger 63, wie er sohon beschrieben worden ist, zugeführt, der die augeablickliche
Lage des Werkzeugtrugers bezüglich zweier vorgegebener Lagen, die dem Gitterstrich
-Abstand
des ersten Bezugsgitters, d.h. also einem Abstand von 10-3 Zoll entsprechen, anzeigt.
Die von zweiten System abgegebenen modulierten Signale werden an einen Empfänger
64 angelegt, der in entsprechender Weise die augenblickliche Lage des Werkzeugträgers
über einen dem Gitterstrichabstand des zweiten Bezugsgitters entsprechenden Abstand
anzeigt, Die Differenz zwischen diseen beiden Sätzen modulierter Signale stellt
ein Ma# für die Augenblickliche Lage des Werkzeugträgers in Einheiten eines Abstandes
dar, der dem Kehrwert der Differens von 1000 minus 990, d. h. also einem Zehutel
Zoll, entspricht.
-
Während der Bewegung des Werkseugträgers erseugen die beiden Modulationsfrequenzen
von 500 und 495 Hz. wenn sie in einer Mischstufe 65 gemischt werden, eine Schwebungsfrequenz
von 5 Hz, die nach der Demodulation mit einem von einer Eichquelle 66 abgegebenen
Eich- oder Steuersignal von 5 Hz verglichen werden kann, um aus dieser Schwebungsfrequenz
und dem Steuersignal einen resultierenden Phasenwinkel zu ergeben. Dieser kann mit
einem weiteren Empfänger 67 gemessen werden und ist ein Ma# für die Lage des Workzeugträgers
bezüglich einer vom Steuersignal
geforderten augenblicklichen
Lage. Das Steuersignal kann von einem Oszilletor oder einem Bandgerät abgegeben
werden, das die Bewegungen des Werkzeugträgers steuert. Dasselbe Prinzip kann auch
daun angewaudt werden, wenn die Lage des Werkzeugträgers bei stillstehendem Werkzeugträger
vermossen werden soll. da die vonden beiden Gittersystemen herrührenden Signale
dieselbe Frequenz von 10 kHz wie die Lichtquelle aufweise, wohingegen ihre Phasenwinkel
ein Ma# für die Lage des Werkzeugträgers sind. D.h., der Phasenwinkel des Signals
des ersten Systems bezüglich der Phase der Stromquelle für die Lichtquelle ist ein
Ma# für die Lage in Bruchteilen eines Teusendstel Zoll.
-
Gleichzeitig gibt der Phasenwinkel zwischen den Signalen des ersteo
und des zweiten Systems die Lage des Werkzeugträgers in Bruchteilen eines Zehntel
Zoll an, Auf diese Weise kann mit Hilfe zwelter Gltterstrich-Sätze, die üblicherweinae
auf einem gemeipsamen Glasstreifen als zweiteiliges Bezugsgitter angebracht sein
können, ein Differenz-Signal erhalten werden, das einem die Phase anzeigenden Empfänger
zugeführt wird, um dfe Grö#e des Me#bereiches durch Verkleinerung des Ma#stabes
umeinen Fakt@r der im beschriehenen Beispiel iso
haträgt, zu erweitern,
Dasselbe prinzip kann Aesweiteren dadurch augewandt werden, da# zusätzliche Gittersysteme
hinzngefügt werden, die noch geriagere @torschiede im Gitterstrichehstand aufweissn
als das erste Bezugsgitter, um weitere Differenzsignals zu erhalten, die mit dem
ersten System von Signalen in Beziehung stehen, um so den Me#bereich beliebig zu
vergrö#ern, wobei für jedes System ein passender Empfänger verwendt wird. Um irgendeinen
Vorgang, wie beispielsweise einen Arbeitsgang einer Werkzeugmaschine zu steuern,
können geeignete Informationen in Form von Schwebungefrequenzen oder Phasendifferenzen
enthaltende Steuersignale verwendet werden, die von einem geeigneten Geber wie beispielsweise
einem Tonband mit einem Satz von Informationen erzeugt werden können, wobei dieses
Tonband mit einer mit der Periodo der Lichtquelle tzw. der Lichtquellen gekoppelten
Geschwindigkeit abläuft und auf das Touband das Stenerprogramm für den zu stenernden
Vorgang aufgezeichnet ist.
-
Bei einer weiteren Ansführungsform der erfindungsgemässen Finrichtung
ist zur Messung von Winkelbewegungen eine Paser koarlaler, ringförmigen Gitter worgesehen,
die
an zwei gegeneinander verdrehbaren Körpern befsstigt sind,
um die Winkelbeziehuag zwischen dieson beiden Körpern zu messen. Die Gitter können
scheibenförmig sein oder die Form konzentrischer @alsb@pfs aufweisen, und mit radial
veralaufendem oder mehr oder weniger schief verlaufenden Gitterstrichen versehen
sein, wobei das eine Gitter einen etwas geringeren Gitterstrich-Abstand als das
andere aufweist, um durch die Wirkung als Nonius einen Streifenabstand von 1 1/2
Zoll bei einem mittleren Radius zu erzeugen.
-
Eine Periode des Streifensbstandes ist in drei jeweils 1/2 Zoll breite
Elementarzonen eingeteilt (bei einem mittleren Radius), deren jede in radialer Richtung
eine Ausdenung von 1 Zoll hat. Ein Satz von Gitterstrichen ist geringfügig mehr
geneigt als der andere, und zman so, da# die Streifen eine derartige Richtung einnehmen,
da# eine Linie konstanter Beleuchtungsstärke durch einander gegenüberliegende Ecken
einer jeden Elementarzene geht. Eine einzige, mit einem Kollimator versehene Lichtquelle
beleuchtet die drei Elementarzonen imwesentldeuen gleichmä#ig von einer Seite der
beiden Git= ter und das aus diese@ @@strotende Licht wird mittels dreier getrennter
Zeratreunngslineen auf drei Fotozellen
konzentriert, die mit drei
Elementen einer Schaltung zur Phasenverschiebung gekoppelt sind, wie dies bereits
beschrieben worden ist, und das zusammengesetzte Ausgangssignal dieser Schaltung
wird in einem phasenempfindlichen Empfänger mit dem Signal einer der Fotozellen
verglichen. Die Winkellage oder eine Drehung eines Gittere gegenüber dem andern
wird dann durch die= sen Empfänger genau angezeigt oder ein entsprechendes Signal
abgegeben, und zwar mit gro#er Genauigkeit in Bruchteilen des radialen Abstandes
der gitterstriche desjenigen Gitters, das als Bezugsgitter gilt.