DE1698280A1 - Messvorrichtung fuer Relativbewegungen - Google Patents

Messvorrichtung fuer Relativbewegungen

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    • B23Q15/00Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
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    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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Description

  • 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.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung und Steuerung der Lageänderung eines Objektes gegenüber einem Bezugssystem unter Verwenlung zweier einander nahe bonschbarter, mit dem beweglichen. Objekt bzw. mit dem 3.-zugssystem verbundener Strichgitter oder magnetischer gitter, deren Linien bei ungleicher, einen Noniuseffekt ergebender Gitterkonstante parallel zueinander verlaufen, und deren Linien bei gleicher Gitterkonstante einen kleinen Winkel niteinander bilden, und durch deren Zusammenwirken ein periodisches System entsteht, deren Verschiebung, von geeigneten Me#geräten registriert, als Ma# für die Geschwindigkeit bzw. für den Betrag der Relativbews gung der beiden Ob dlout, d a d u r e h g e -k e n n 8 e 1 e h u et t, daß das Streifenfeld in eine Mehrzahl von gleichmä#ig über die Periode des Streifenmnsters verteilten Einzelzonen unterteilt ist, denen eine entsprechende Anzahl von Empfängern (A - E, 31, 43, 45, 59, 60) zueordnet ist, von denen Wechselstromsignale mit einer dem Energieflu# durch die einzei@en Zonen entsprechenden Amplitude abgegeben und den Elementen eines Phasenschieberhetzwerkes (9) 46, 47, 48, 61, (62) zugeleitet werden, dem über einen Übertrager (14) ein zusammengesetztes Ansgangasignal entnommen wird, das bezüglich des Bezugssignales um einen Winkel phasenverschoben ist, der proportional zu der Verschiebung der Interferenzstreifen gegenüber der bezugelage ist, und das zur Steuerung der Verschiebung des beweglichen Objektes gegenüber dem Bezugssystem mit dem Bezugssignal verglichen wird.
  2. 2. Vorrichtung nach anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n ß e i o h n e t , daß die Einzelzonen eine viereckige, vorzugsweise eine rechteckige oder parallelogrammförmige Gestalt und in Verschieberichtung eine Breite aufweisen, die ungefähr der durch die Zahl der Einzelzonen geteilten Breite einer Interferenzstreifenperiode entspricht.
  3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da# die Einzelzonen voneinander getrennt und so augeordnet sind, da# als sich in ihrer Gesamtheit uber mehrere Perioden des Interforenzstreifemmueters erstrecken.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e ek e u u z e i c h n e t, daß zur Erzeugung von gegenüber der Verschieberichtung der Gitter geneigten Interferenzstreifen zwei unterschiedlich geteilte, um einen kleinen Winkel gegeneinander geneigte Gitter vorwendet worden.
  5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da# die Interferenzstreifen parallel zur Diagonale der Einzelzonen verlaufen.
  6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, d a d u r o b gekennzeichnet, da# zur Erzielung einer möglichst sinusförmigen Schwirgungsform der von den einzelnon Fotozellen abgegebenen amplitudenmodulierten Wechseletromsignale eine etwa 1 % der Gesamtfläche einer Einzelzone entsprechende Fläche an auf der vorgenannten Diagonale symmetrisch gelegenen Stellen abgedeckt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bio 6, d a d u r o h g e k e u u z e i o h ne t , da# zur Messung von Winkelbewegungen zwei ringförmige, koaxial angeordnete Gitter mit radial verlaufenden bzw. diesem radialen Verlauf gegenüber um einen kleinen Winkelbetrag gec neigten Gitterstrichen, die auf einer Kreisscheibe oder dem Mantel eines Kegelstumpfes angeordnet sind, vorgesehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n. n s e i c h n e t, daß das Bozugssignal zur Unterdrückung von Hermonischen an einem der Empfänger abgenommen wird.
    Le e r s e i t e
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