DE1773989C3

DE1773989C3 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE1773989C3
Application number: DE1773989A
Authority: DE
Inventors: David George Garden City Brake; Geoffrey Letchworth Thomson
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1968-08-05
Filing date: 1968-08-05
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE1773989B2; DE1773989A1

Description

Meßvorrichiung zum Bestimmen der Position von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, mit einer optischen Raslerskala auf einem der beiden Teile Lind einem Lesekopf auf dem anderen der beiden Teile, der ein Indexraster zum Abtasten der Rasterskala aufweist. um zwischen beiden ein Muster von Streifen zu bilden. ferner mit einer Einrichtung zum feststellen dieser Streifen und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselstromsignals synchron mit der Änderung der Si reifen.

Es ist eine Vorrichtung der vorgenannten Λπ bekannt, die ein optisches Raster mit einer Reihe von 1111 gleichen Abstand angeordneten Rasterlinien aufweist. Ein Lesekopf mit einem Indexrasier wird längs der optischen Rasierskala bewegt, wobei die Veränderung des /wischen den beiden Rastern entstehenden Streifenmusters durch Photo/eilen abgetastet wird. Durch geeignete elektronische Zähler werden die an den Pholo/eiien vorbeilaulcndcn Streifen gezählt, woraus die Verschiebung des Lesekopfs längs der Rasterskala bes!immbar ist.

Hui der Bestimmung der Winkelstellung son drehbaren Wellen isl es bekannt. Scheiben mit im Winkel zueinander angeordneten Rasterlinicn zu verwenden, wobei die eine Scheibe eine Rasterlinic mehr als die andere Scheibe aufweist. Die beiden Scheiben, von denen die eine orisfcsi und die andere drehbar is!, werden beleuchtet und das durch sie hindurchtretcndc Licht wird durch Phoio/ellen aufgenommen und entsprechend ausgewertet.

Es isl eine weitere Vorrichtung bekannt, mit der unter Verwendung von zwei Raslern die Verschiebung eines Teiles relativ zu einem anderen Teil ircmessen

die die Verschiebung gemessen wird, wobei der Eesekopf 5 die Skala überfahren kann.

Der Lesekopf 5 ist mit einer transparenten zylindrischen Abtasteinrichtung 8<i versehen, die in dem Lesekopf so angeordnet ist, daß sie mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl durch einen Synchron-Elcxtromotor 9 angetrieben werden kann.

Die Abtasteinrichtung hat auf ihrem Umfang ein in Axialrirhtiing verlaufendes Indexraster8, dessen Umfangsteilung der Teilung der Bezugsspur 2 entspricht. Das Rasier ist ebenfalls aus abwechselnden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Feldern aufgebaut.

Im Lesckopf 5 ist innerhalb der Abtasteinrichtung 8a eine elektrische Lampe 10 zusammen mit einer Linse

_jrl| wobei die Teilunis einer Meßspur mil Hilfe eines cvnqhranniotors weher unterteilt werden kann.

Schließlich ist eine Einrichtung /ur elektrischen InlorpolMtion eine;, mit Teilungsmarkierungen versehenerj MnÖ!>W^be!> bekannt, wuhei dem /u interpolierenden Mflßstiib ein Vergleiehsmaßsiab zugeordnet ibt und LdP Maßstäbe kontinuierlich abgetastet werden. Hierbei entstehen zwei Impulsfolgen, deren Phasenwinkel miteinander verglichen werden.

Nachteilig bei den bekannien Vorrichtungen .st, dall fall;, aus irgendwelchen Gründen /.. B. wegen elektrischer Interferenz der Vorbeigang eines Streifens an dun phoiozellen nicht erfaßt wird, diese Zahlung verloren ist- Außerdem kann mit diesen Vorrichtungen nur

eine Verschiebung von einem bekannten Bezugspunkt i₅ n angeordnet, um die Rasterskala 1 durch die Wand _Uuf der Skala ausgemessen werden, wahrend keine ab- der Abtasteinrichtung hindurch zu beleuchten. Wenn solute Anzeige der Stellung des Lesekopfes längs der ' '

Skala möglich ist, ohne daß diese vorher auf diesen Bezugspunkt eingestellt worden ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu- »runde, eine vorrichtung der eingangs genannten An Jo auszubilden, daß bei feiner Auflosung und großer Meßstrecke eine absolute Messung der Verschiebung des Lcsekoples längs der Rasterskala ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch ei reicht. _a5 (laß die optische Rasterskaki eine Bezugsspur mit einem Raster vorgegebener Teilung und eine Meßspur mit einem Raster aufweist, dessen Teilung von der der Bezugsspur um einen kleinen Betrag differiert, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals synchron mit der Veränderung der Streifen /wischen dem |nde\raster und der Bezugsspur und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Meßsignals synchron mit der Veränderung der Streifen zwischen dem Indexrasier und der Meßspur, ferner durch eine Einrichtung, um die Phase des Bezugssignals mit der Phase des Meßsignals zu vergleichen, um die absolute Position des Lesekopfes innerhalb eines Bereiches der Rasterskala /11 bestimmen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung im ein/einen erläutert, in der

F i g. 1 schematisch eine Meßvorrichtung zeigt;

F i g. 2 zeigt im Schnitt den Lesekopf der iVleßvorrichtung nach F i g. I;

F i g. 3 zeigt die Meßvorrichtung nach E i g. I in Verbindung mit cir.er Positioniereinrichtung und

Fig.4 zeigt im Schnitt den Lesekopf in Verbindung mit der Positioniereinrichtung nach F i g. J.

sich die Abtasteinrichtung 8a zusammen mit ihrem Indexraster 8 dreht, erscheint es von einem Punkt innerhalb der Abtasteinrichtung so. wie wenn die Rasterskala I kontinuierlich abgetastet würde, wodurch ein alternierendes Muster aus Streifen von (bei dieser Ausführungsform) alternierender Lichtintensität von jeder der Spuren der Rasterskala 1 reflektiert ·■ ird. Innerhalb des l.esekopfes 5 sind Photozellen 12, 13 und 14 so angeordnet, daß sie dem Licht ausgesetzt sind, das von den Spuren 2. 3 und 4 der Rasierskala reflektiert wird.

Wenn sich die Abtasteinrichtung dreht, erhalt man somit ein., elektrische Bezugswechselspannung von der Photo,-eile 12 und von den Photozellen 13 und 14 elekirische Wechselspannungssignale.

Der Lesekopf 5 ist ferner mit einer, ein Raster aufweisenden Vergleichsspur 15 verschen, die ebenfalls von dem Indexraster 8 abgetastet wird. Die Vergleichsspur 15 ist ebenfalls, wie oben ausgeführt, durch abwechselnde licht reflektierende und lichtabsorbierende Felder aufgebaut. Die Ve.glcichsspur 15 hat dieselbe Teilung wie die Bezugsspur 2. Innerhalb des Lesekopfes 5 ist eine weitere Phoiozelle 16 angeordnet, die das Licht empfängt, das von der Vergleichssnur 15 reflekliert wird, wodurch ein WechsclspannungssignH erhallen wird.

Wie F i g. 1 zeigt, sind die Bezugsspur 2 und die Mcßspiiren 3 und 4 so angeordnet, daß am Anfang der Rasierskala 1 beispielsweise die Mitten der nichtreflektierenden leider quer zur Rasterskala 1 ausgerichtet sind bzw. fluchten, wie durch die Linie 17 angezeigt ist. Die Mille eines nichtreflektierenden Feldes auf der Meßspur 3 ist daher erneut mit der Mitte eines nichtrelleklierenden Feldes auf der Bezugsspur 2 an einem Punkt

Die Rasterskala I ist mit einer Bezugsspur 2 und ₅₀ ausgerichtet, der — gemessen längs der Spur — 10 mm

Meßspuren 3 und 4 versehen. Die Spuren bestehen aus Feldern, die abwechselnd Licht absorbierend und Licht reflektierend sind. Die Bezugsspur 2 hat hierbei beispielsweise eine Teilung von I mm. |e ein lichlrcflekticrendes und ein lichtabsorbicrendes Feld bilden zusammen einen Teilungsabschnitt.

Die Meßspuren 3 und 4 sind in gleichartiger Weise ausgebildet, wobei die Teilung der Meßspur 3 jedoch so gewählt ist, daß sie 1.1 Linien/mm aiii weist. Die Teilung der Meßspur 4 ist so ausgelegt, ti a 13 sie LUI Linicn/mm aufweist. Die Teilungen der Meßspuren 3 und 4 unterscheiden sich somit durch unterschiedliche Bruchteile, die nicht auf die angeführten Zahlcnwerle beschränkt sind, von der Teilung der Bezugsspur 2.

von der Linie 17 entfernt ist. Die Mitte eines nichircflektierenden Feldes auf der Meßspur 4 ist erneu' mit der Mine eines mchtrefiektierenden Feldes auf der 3c-/ugsspur 2 in einem Punkt ausgerichtet, der — gemcssen längs der Spur - 100 mm von der Linie 17 entfernt ist.

Wenn sich also der Lesekopf 5 über der Skala in der Nähe der Linie 17 befindet und c^c Abtasteinrichtung mit dem Indcxri-^ter 8 sich dreht, so sind die von dir Phuluz.clleil 12, 1,3 und H erzeugten Weclv.cisp.mnungssignale genau in Phase

Wenn sich nun der l.csekopf 5 längs der Skala vor wäris bewegt, beispielsweise nach unten in Fig. 1. μ bewegen sich die "on den Photozellen 13 und 14 er

Der Lesekopf 5 ist starr an einem Teil 6 einer nicht 65 zeugten Signale progressiv außer Phase mit dem Be

zugssignal, des von der Photozelle 12 erzeugt wird.

Das von der Photozelle 13 erzeugte Signal erfahr eine Phasenverschiebung von 360" und es ist mit den

gezeigten Werkzeugmaschine oder Melkmaschine angebracht. Die Rasterskala I ist starr längs einem Belt einer solchen Maschine angeordnet als Norm, gegen

Bezugssignal der Photozcllc 12 nach einer Wegstrecke des Lesekopfes 5 von 10 mm wieder in Phase. Das von der Photozelle 14 erzeugte Signal erfährt eine Phasenänderung von 360° und es ist mit der Phase des Bc/.ugssignals der Photozeile 12 nach einer Wegstrecke des Lesekopfes 5 von 100 mm wieder in Phase.

Durch einen Vergleich der Phase des Signals der Photozclle 13 mit der Phase des Bczugssignals von der Photozelle 12 ist es somit möglich, die Stellung des Le sekopfes 5 innerhalb beliebiger 10 mm der Bezugsspur 2 ab der Linie 17 zu interpolieren. Ebenso ist es möglich, durch einen Phasenvergleich zwischen dem Signal, das von der Photozelle 14 erzeugt wird und dem Bezugssignal, das von der Photozelle 12 erzeugt wird, die Stellung des Lesekopfes 5 innerhalb von beliebigen 100 mm längs der Skala ab der Linie 17 zu interpolieren.

Unterstellt man, daß mit der beschriebenen Vorrichtung eine Wegstrecke von 10 cm ausgemessen werden soll, so wird mit Hilfe des vorbeschriebenen Phasenvergleiches zunächst ein Signal der Photozellc 14 mit dem Bczugssignal der Photozelle 12 verglichen, wodurch die Stellung des Lesekopfes 5 genau und absolut innerhalb eines beliebigen Abschnittes von 1 cm der Gcsamtwcgstrecke festgestellt wird. Durch einen Phasenvergleich des Signals der Photozcllc 13 mit dem Bezugssignal der Photozelle 12 IaQt sich die Stellung des Lesekopfes 5 absolut und genau bezüglich eines beliebigen der zehn einzelnen Millimeter des vorgenannten bereits festgestellten Zentimeter-Abschnittes feststellen. Die Messung der Stellung des Lesckopfcs 5 auf einen bestimmten einzelnen Millimeter der Skala genau ist der Feststellung der Lage des Lesckopfcs auf einen bestimmten Tcilungsabschnitl der Bezugsspur 2 äquivalent. Ks ist dann nur noch die Stellung des I.csekopfcs5 innerhalb dieser bereits festgestellten Teilung der Bezugsspur 2 zu interpolieren.

Hierzu ist eine Photo/cllc 16 vorgesehen. Da sich die Vergleichsspur 15 mil dem Lcsckopf5 bewegt und da sie dieselbe Teilung hat wie die Bezugsspur 2. ist das Weehsclspannungs-Ausgangssignal der Photozelle 16 mit dem Be/ugssignal der Photozclle 12 einmal bei jeder Teilung der Bezugsspur 2 in Phase, wenn sich der Lesekopf 5 längs der Rasterskala 1 bewegt. F.in Vergleich der Phase des Signals der Photozcllc 16 mit der Phase des Bezugssignals der Photozcllc 12 ergibt somit eine Interpolation der Stellung des l.csckopfes 5 innerhalb irgendeiner Teilung der Bezugsspur 2. Wird dies beispielsweise auf 1 Hundertstel der vollen Phasenänderung von 360° durchgeführt, so kann die Stellung des Lesekopfes 5 bis auf 0,01 mm innerhalb jeder beliebigen Teilung der Bezugsspur 2 und damit auch innerhalb der gesamten Wegstrecke von 10 cm festgestellt werden.

Wird eine weitere Meßspur mit 1,001 Teilungen je Millimeter vorgesehen und dieser ebenfalls eine Photozelle zugeordnet, so ist es durch Vergleich des Signals dieser Photozelle mit dem ßezugssignal der Photozelle 12 möglich, die Stellung des Lesekopfcs5 in gleicher Weise über eine Wegstrecke von 100 cm bis auf eine Genauigkeit von 0,01 mm zu bestimmen. Man erhält somit eine hohe Auflösung bei großer Wegstrecke, wobei nur wenige Spuren erforderlich sind.

F ι g. 1 zeigt schematisch eine geeignete Anordnung für den Phasenvergleich. Die Ausgänge der Photo/clle 12. 13. 14 und 16 werden, falls erforderlich, über nicht dargestellte Verstärker Schaltkreisen 18. 19. 20 und 21 zugeführt, die Rechlcckwcllen erzeugen. Die Ausgänge der Schaltkreise 19, 20 und 21 werden an Phasenvcrglcichsschallungcn 22, 23 und 24 gelegt, an die jeweils auch der Ausgang des Schaltkreises 18 als Bezugsgröße gelegt wird. Die Schaltungen 22. 23 und 24 haben Ausgänge 25, 26 und 27. Der Ausgang 26 zeigt die Stellung des Lesekopfes auf einem Zentimeter genau innerhalb der Wegstrecke von 10 cm an; der Ausgang 25 zeigt die Stellung des l.csekopfcs auf einen Millimeter genau innerhalb dieses Zentimeters an und der Ausgang 27

ίο zeigt die Stellung des Lesckopfcs auf 1 Hundertstel {/.. B.) Millimeter innerhalb dieses Millimeters an.

Anstatt der in den F i g. I und 2 dargestellten reflektierenden optischen Rasterskala kann auch eine durchlässige optische Rasterskala verwendet werden, wobei die Abtasteinrichtung je nach den Erfordernissen reflektierend oder durchlässig sein kann. Da die von den Photozellen abgegebenen Signale Wcchsclspannungssignalc sind und infolge der Rcchteckformung durch die Schaltkreise 18 bis 21, kann das System uncmpfindlieh gegen Glcichsiromschwankungcn in den Signalen der Photozcllcn gemacht werden, die durch Veränderungen der Bclcuchtungsintcnsität. Veränderungen der Eigenschaften der Skala, der Abtasteinrichtung oder durch Verschmutzung der Skala hervorgerufen werden können.

Die ^l: i g. 3 und 4 zeigen eine Meßvorrichtung, die gleichartig zu derjenigen nach den F i g. I und 2 ist. zur Verwendung an einer Werkzeugmaschine, wo es /. B. erwünscht ist. einen Teil der Maschine, beispielsweise den Arbeitstisch in eine Position zu bringen, die einen gegebenen Abstand von einem Bezugspunkt am Bell der Werkzeugmaschine hat.

Bei der oben beschriebenen Meßvorrichtung wurde die Stellung des Lesekopfcs 5 liings der Skala mittels der Phasen der Signale bestimmt, die von den Mcßspuren, der Vcrglcichsspur und der Bczugsspur abgeleitet wurden. Andererseits kann, wenn das Bezugssign.il von der Bezugsspur abgenommen und einer vorbestimmten Phasenänderung oder Phasenänderungen unterworfen wird, ehe es mit den Signalen der Meßspur und dei Vcrgleichsspur verglichen wird, eine diskrete Stellung längs der Skala eingestellt werden, in der der Lese kopf 5 sein muß. wenn die Phasendifferenz /wischer den Signalen der Meßspurcn und der Vergleichsspui einerseits und dem Bczugssignal. dessen Phase in dei Weise geändert worden ist. Null sind.

Die Phasenvcrglcichsschalttingcn 22. 23 und 24 weiden dann Detektoren für Phasen- oder Positionsfehle und ihre Ausgänge können dazu verwendet werden Fehleranzeigcgcräte zu betätigen, die anzeigen, wem der Lesekopf sich nicht in der vorgegebenen Stellunj befindet, wie sie durch die Phasenänderung des Bezugs signals eingestellt worden ist, oder sie können dazu bc nutzt werden, einen Servomotor über geeignete Vcr stärker anzutreiben, um das den Lesekopf 5 tragende Teil in die vorgegebene Stellung zu bringen. Die Ver glcichsschaltung 23 gibt hierbei die gröbste Anzeig oder Steuerung, die Vergleichsschaltung 22 ist dan entsprechend feiner und die Vergleichsschaltung 24 ei

gibt die endgültige Feineinstellung.

Es gibt zahlreiche geeignete Einrichtungen zur Ar derung der Phase des Bczugssignals der Bczugsspur um einen geeigneten Betrag, ehe es an die Phascnvei glcichsschaltungcn 22. 23 und 24 gelegt wird. Bei dt hier beschriebenen Ausführungsform werden Synchrc Resolver 60.61 und 62 verwendet.

Aus diesem Cirund ist es erforderlich, ein zusätzliche Bczugssignal zn schaffen, das eine 90 - Phasen verseht«

bung gegenüber dem Bezugssignal der Be/.ugsspur 2 hat. Das ursprüngliche und das um 90 phasenvcrschobenc Bezugssignal werden jeweils an die beiden Staiorwicklungen der Synchro-Resolver 60, 61 und 62 gelegt. Die Rotorwicklungen der Synchro-Resolver 60. 61 und 62 sind über Schallkreise 65. 66 und 67 jeweils an die Eingänge ck> l'hiiscnverglciehsschaltungcn 22. 23 und 24 geschallet. Die l'hasenänderung. der das Bezugssignal unterworfen wird, ehe es den Phasenvcrgleichs- >chaltungen 22. 2.3 und 24 zugeführt wird, wird durch die Winkelstellung der Rotoren der Synchro-Resolver feO, 61 und 62 bezüglich deren Slatorwicklungen bestimmt. Zur Bildung des um 90 phasenverschobenen Bezugssignals ist eine zweite Hezugsspur 2C>an der Ra sicrskala 1 vorgesehen. Diese besitzt dieselbe Teilung wie die Bezugsspur 2. ist jedoch gegenüber dieser um ¹At der Teilung verschoben. Die zweite Bc/.ugsspur 2Q wird ebenfalls von der Abtasteinrichtung und dem Indexraster 8 abgetastet. Hierzu ist eine Photozclle \2Q in dem Lcsekopf 5 vorgesehen, die das Licht empfangt. ao das von der Bezugsspur 2Q reflektiert wird.

Hei der beschriebenen Ausfiihriingsform wird das um 90" phasenverschobene Bc/.ugssignal durch eine zweite Bezugsspur 2Q erzeugt. Dasselbe läßt sich aber auch dadurch erreichen, daß die Hezugsspur 2 breiter ausgc- *5 führt wird und ein Teil des Indexrasiers 8 der Abtasteinrichtung, der über dem verbreiterten Teil der Be-/ugsspur 2 liegt, in Umfangsrichlung der Abtasteinrichtung um ¹Ai der Teilung des Indexrasiers 8 gegenüber dem übrigen Teil des Indexrasters 8 versetzt wird. Die Photozelle \2Q empfängt das Licht durch den versetzten Teil des Indexrasiers 8 und erzeugt auf diese Weise das um 90 phasen verschobene Bc/.ugssignal.

Die Ausgänge der Phascnvergleiehsschaltungen 2i 23 und 24 sind jeweils an Anzeigegeräte 28. 29 und 30 geschaltet, bei denen die Null-Markierung in der Mille liegt Die Phascnvcrgleichsschallungen 22 und 23 sind außerdem an die Wicklungen von zwei polarisierten Rela.s 31 und 32 angeschlossen. |edcs dieser Relais hat einen Schallkontakt 35 bzw. 36. die so eingestellt sein 4» können, daß sie schließen, wenn der durch die Wicklung des Relais fließende Strom einen vorbestimmten Weil überschreitet. Dabei wird jeweils ein Kontakt zur Leitung 33 bzw. 33.) hergestellt, wenn das dem Relais /ugcrührte Signal positiv ist und jeweils cm Kontakt zur Leitung 34 bzw. 34./. wenn das angelegte Signal negativ ist. An den Leitungen 33 bzw. 33;» eines jeden Relais liegt eine positive Spannung und an den Leitungen 34 bzw. 34.1 jedes Relais 31 und 32 hegt eine nega-

45 die Schallkontakte 35 und 36 von den Anzeigegeräten 28 und 30 zu trennen. I alls erwünscht, können weitere Relais in ähnlicher Weise wie die Relais 31 und 32 be iHiizi weiden, um den Vorschubmoior der Maschine zu betätigen, an der die Vorrichtung angebracht ist. so daß die Vorschubgeschwindigkcil progressiv reduzier! wird, wenn der an den Anzeigegeräten 28. 29 und 30 angezeigte l-'chler unter den voieingeslcllten Weil verringert wird. Andererseits können aber auch die den Anzeigegeräten /ugeführlen Signale verstärkt und zur Steuerung des Vorschubes der Maschine mittels eines Scrvo-iMolors benutzt werden.

IaIIs erforderlich, können Verstärker zwischen den l'hotozcllen und den Phascnvergleiehsschaltungen. zwischen den Pholozellen und den Rcsolvcrn oder zwischen den Resolvcrn und den Phascnvcrglcichsschaltungen oder auch zwischen den letzteren und den Relais oder den Anzeigegeraten geschaltet werden.

Die Synchro-Rcsolver 60. 61 und 62 sind, wie bereits beschrieben, mit ihren Rotoren in vorbestimmten Winkclstellungen einstellbar, um die Phasenänderiingcn zu bestimmen, welche einer Stellung entsprechen, die der l.esekopf 5 längs der Rasterskala I einnehmen soll. Um clic Einstellung der Rotoren auf die gewünschten Winkel zu ermöglichen, sind die Wellen der Synehron-Rcsolver 61 und 60 mit der Ausgangswelle von Differentialgetrieben 38 und 39 verbunden. Kin Eingang jedes der Differentialgetriebe 38 und 39 ist mit der Ausgangswellc eines Getriebes 40 bzw. 41, die eine Über sel/ung von 1 : 2 haben, verbunden, während die andere Eingangswcllc jedes Differentialgetriebes mit der Ausgangswelle eines Getriebes 42 bzw. 43, die eine Untersetzung von 10:1 haben, verbunden ist. Die Welle des Synchro-Resolvcrs 62 ist mit der Ausgangswelle eines Getriebes 44 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 2 gekoppelt. Die Lingangswcllc des Getriebes 42 ist mit der Rotorwelle des Synchroresolvers 60 und die Lingangswcllc des Getriebes 43 ist mn der Rotot welle des Synchro-Resolvcrs 62 verbunden.

Die l.ingangswellen der Getriebe 40, 41 und 44 sind jeweils an Einstellknöpfe 45, 46 bzw. 47 angeschlossen. Ks sind nicht dargestellte Rasteinrichtungcn vorgesehen, um die Kinstcllknöpfc 45. 46 und 47 in Winkelinkrenicnten von 18° einzustellen, die jeweils einer entsprechenden Dezimaiverschiebung des Lesekopfes 5 entsprechen. IaIIs erwünscht, kann die für den Einstellknopf 47 vorgesehene Rastcinrichlung so angeordnet scm. daß sie. um eine genauere Steuerung zu erreichen, kleinere Inkrcmcnie λ B. von L8' ermöglicht, ledern

five Snannung Diese positiven und negativen Spannun- 50 Einstellknopf ist ein Außenring 48.49 bzw. 50 zugeord-^μ *' " ^K ->■- --·:- -· net und er kann mit diesem für eine Winkclbewegung

gekoppelt und von ihm abgekoppelt werden. Die Außenringe tragen jeweils einen Zeiger, der ihre Stellung bezüglich einer Skala anzeigt, die in Uhrzeigcrrichti:ng mit den Markierungen Null sowie + 1.2.3 4 5 6. 7. 8 und 9 und in Gegenuhrzeigerrichtung mit der Markierungen Null sowie - 1. 2. 3, 4, 4. 5. 6, 7, 8 und 9 versehen ist. FLs sind nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen, die verhindern, daß die Außenringe außer über die Nullstellung von +9 zu -9 oder von -9 _zu + 9 gedreht werden können.

Die Vorrichtung kann im Betrieb auf einen Bezusrs wert eingestellt werden, wobei sich der Lesekopf 5 i_n irgendeiner Stellung längs seiner Wegstrecke auf de Rasterskala 1 befinden kann. Die Einstellung kann fol gcndermaßcn vorgenommen werden.

gcn entsprechen in etwa der Spannung, die notig ist um eine volle Skalenauslcnkung von der Null-Marke der Anzeigegeräte 28 und 30 zu erzeugen. Der Schalt kontakt 35 des Relais 32 ist an das Anzeigegerät angeschlossen und der Schaltkontakt 36 des Relais 31 an das Anzeigegerät 30.

Der Zweck dieser Anordnung ist. eine Vorspannung am Anzeigegerät 28 zu schaffen, so daß es mit einem vollen Skalenausschlag in derselben Richtung wie das Anzeigegerät 29 anzeigt, wenn das letztere über einen vorgegebenen Wert hinaus anzeigt. In gleicher Weise wird das Anzeigegerät 30 vorgespannt, wenn das Anzeigegerät 28 über einen vorgegebenen Wert hinaus anzeigt. Die Relais können z. B. so eingestellt werden, daß geeignete Kontakte geschlossen werden, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden Eingängen der cntsorcchendcn Phascnvergleiehsschaltungen den Wert 9' übersteigt. Kin Zweipolschaltcr 37 dient da/u.

Der Maschinenschlitlcn. der den l.esekopf 5 _lrä _y

wrd in eine Be/ugsposition gebracht.

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Die Außenringe 48. 49 und 50 werden von den F-linslcllknöpfen 45. 46 und 47 ausgekuppelt und der Z.weipolschiilier 37 wird geöffnet.

Der Einstellknopf 47 wird so eingestellt, daß das Anzeigegerät 30 auf Null zeigt. In gleicher Weise werden der Einstellknopf 46 so eingestellt, daß das Anzeigegerät 28 auf Null zeigt und der Einstellknopf 45, daß das Anzeigegerät 2y auf Null zeigt.

Das erforderliche absolute Maß, be» dem die Bezugs position hergestellt werden soll, wird dann an den Außenringen 48,49 und 50 eingestellt.

Die Einstellknöpfe 45,46 und 47 werden dann wieder mit ihren Außenringen 48,49 und 50 verbunden und der Zwcipolschalter 37 wird geschlossen.

Hierdurch wurde nun ein gewünschtes Bezugsmaß eingestellt, bei dem die Phasenverglcichsschaltungcn 22. 23 und 24 einen Null-Ausgang haben und die Anzei gegcräte einen Null-Fehler anzeigen.

Nunmehr können die gewünschten Maße eingestellt werden, worauf die entsprechenden Bewegungen des Maschinenschlittcns wie folgt durchgeführt werden.

Die erforderlichen Maße bzw. Werte werden nun mit Bezug auf die vorher eingestellte Bezugsgröße an den Außenringen 48, 49 und 50 eingestellt. Dadurch werden unmittelbar die zugeordneten Synchro-Resolver gc dreht mit der Folge, daß die Phase des Bczugssignals entsprechend geändert wird und die Anzeigegeräte 28, 29 und 30 eine Anzeige geben, die nun effektiv einen Positionsfchlcr relativ zu den gewünschten cingestcllten Werten darstellen.

Der Maschincnschlitten und damit der l.esckopf 5 werden dann bewegt, um diesen an den Anzcigegerä ten angezeigten Fehler zu reduzieren, beginnend mit dem Anzeigegerät 29 bis dieser innerhalb der Grenzen der Auflösung Null ist, dann weiter bis der auf dem Anzeigegerät 28 angezeigte Fehler Null ist und danach so weit, bis der von dem Anzeigegerät 30 angezeigte Fehler innerhalb der Grenzen der Auflösung Null geworden ist. Wenn der Maschincnschlitten und der Lesekopf 5 sich in der voreingestellten Position befinden, sind die Phasenfehler wieder Null und die Anzeigegeräte 28, 29 iiikJ 30 zeigen alle den Wert Null an, womit der Schlitten die richtige Stellung erreicht hat.

Diese Positionseinstellung kann, wie bereits erwähnt, mit Hilfe eines Servomotors vorgenommen werden, der abhängig von den Fehlersignalcn gesteuert wird, die von den Phasenvergleichsschaltungen 22. 23 und 24 abgeleitet werden. Alternativ kann die Einstellung auch von Hand durchgeführt werden.

Bei der vorausgehend beschriebenen Vorrichtung fverden die erforderlichen Phasenändeningen bei dem feezugssignaf durch Synchro-Resolver erzeugt. Es sind jedoch auch andere Verfahren zur Handhabung der um $0° phasenverschobenen Signale der Photozellen 12 •nd 12(7 verwendbar. Beispielsweise kann das Signal Von den Photozellen t2 und 12(?an einen angezapften Transformator gelegt und eine Dekadenschaltung vor gresehen werden, um Kombinationen von Signalpaarcn derartiger Transformatoren zu erzeugen, wodurch die Vcktoriellen Auflösungen entsprechend der Einstellung der Schalter für eine bestimmte Phasenänderung ge schaffen werden, die eine bestimmte gewünschte Stel lung angibt. Das letztgenannte Verfahren eignet sich insbesondere in Verbindung mit Lochkarten oder Lochstreifen, auf denen die Bezugsgröße eingestellt ist. wobei die kodierten Informationen auf der Karte oder dem Streifen mit Hilfe von Relais oder Festkörperhau teilen dekodiert werden können.

/um Steuern eines Servomotors für den Vorschub des Maschincfibcttcs können auch an Stelle der gleichartigen polarisierten Relais elektronische Schaltkreise, insbesondere F'cstkörpcrbaulcile verwendet werden. Anstatt eines Anzeigegerätes 28. 29. 30 für je eine Phascnverglcichsschallung 22, 23 oder 24 zu verwenden, kann auch nur ein einziges Anzeigegerät verwendet werden, das an die Phasenvergleichsschaltungcn angeschlossen ist und nacheinander the Fehlcrsignale

ίο anzeigt, die von den Phasenverglcichsschaltungcn 2Λ 22 und 24 in dieser Reihenfolge geliefert werden An Stelle der beschriebenen Anzeigegeräte kann eine Reihe von Lampen oder elektromechanischen Signalcinrichtungcn verwendet werden, die mit Hilfe von Relais oder anderen elektronischen Schaltungen aufeinanderfolgend betätigbar sind.

Bei den beschriebenen Vorrichtungen haben die Bczugsspuren 2 und 2Q eine Teilung von I mm. wodurch sich eine metrische Messung ergibt. Bei Verwendung

»o von anderen Bezugsspuren und anderen Meßspuren mit anderen Teilungen können andere Bereiche erfaßt und in anderen Systemen, z. B. im Zoll-System, gemessen werden. Im letzteren Fall könnte die Teilung der Bezugsspur 2 beispielsweise 0.01 Zoll sein. Ferner sind Kombinationen von Zolleinhciten und metrischen Einheiten möglich.

Bei einem Zoll-System würde beispielsweise eine Auflösung bis zu einem hundcrstcl Teil der 360"-Phasenänderung eine Messung bis zu einem zehntausend

stel Teil eines Zolls ermöglichen, wobei allerdings Fehler in den Skalenteilungen diese Genauigkeit in der Praxis herabsetzen wurden.

Die Abtastung erfolgt in beiden vorbcschnebcnen Aiisfühmngsformcn durch das sich drehende Indexrasier 8. An Stelle dieses Abtastverfahrens kann ein elektronisches Verfahren benutzt werden, bei dem zwei, drei oder mehr Lampen, ein festes Indexraster und eine Photozcllc verwendet werden, die jeder Skalcnspur zugeordnet ist. Die Lampen beleuchten in diesem Fall die

Photozellen durch verschiedene Teile des Streifenmusters, das durch das Zusammenwirken des Indexrasters und der Skalcnspuren erzeugt wird. Bei Verwendung von zwei Lampen müßten sie um ein Viertel der Teilung einer Bezugsspur voneinander versetzt sein, bei

Verwendung von drei Lampen, müßten sie um ein Drittel der Teilung einer Bezugsspur versetzt sein. usw. Die Lampen könnten durch eine Zwei-, Drei- oder Mehr phascn-Stromqucllc gespeist und moduliert werden, um die Abtastung der Skalen durch das Indexrastcr zu si-

muliercn. Andererseits kann auch eine einzige Lampe, cm festes Indexraster und zwei oder mehr Photozellen pro Skalenspur verwendet werden, die in gleicher Weise, wie oben erläutert angeordnet sind, um die Abtastung durch aufeinanderfolgende Feststellung des Aus-

ganges, der Phoiozellengruppen nachzuahmen. Der Signalausgang der Photozellen bei diesen letztgenannten Verfahren ist nach dem Filtern eng angenähert an den Sinusförmigen Ausgang, der von der rotierenden Abtasteinrichtung erzeugt wird.

Die beschriebenen Vorrichtungen eignen sich außer '"γ eine lineare auch für eine rotierende Messung. In diesem F all ,st die Skala auf dem Umfang einer Trommel oder auf der Fläche einer Scheibe angeordnet. Bei einer 1 rommelskala können die Abtasivcrfahren deich "^Cn ™ beschriebenen sein, während bei einer Scheir»-nska!a die Abtasteinrichtung, falls sie rotiert, scc'gnetahgeschrägt oder verjüngt sein müßte.

^mcn ^wurc|c erwähnt, daß die Vorrichtung nach den

I" i g. 3 und 4 in Verbindung mis Lochstreifen oder Lochkarten verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang eignet sie sich insbesondere in Verbindung mit einer Koordinaten-Bohrmaschine.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Nietvorrichtung zum Bestimmen der Position von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, mil 5 einer optischen Rasterskala auf einem der beiden Teile und einem Lesekopf auf dem anderen der beiden Teile, der ein Indexraster zum Abtasten der Rasterskala aufweist, um zwischen beiden ein Muster von Streifen zu bilden, ferner mit einer Einrichtung zum Feststellen dieser Streifen und einer Einrichtung /ur Erzeugung eines Wechselspannungs-Signals synchron mit der Änderung der Streifen, d a durch gekennzeichnet, daß die optische Rasterskala (1) eine Bezugsspur (2) mit einem Raster vorgegebener Teilung und eine Meßspur (3) mit einem Rasier aufweist, dessen Teilung von der der Bezugsspur um einen kleinen Betrag differiert, eine Einrichtung (12) /ur Erzeugung eines Bezugssignals synchron mil der Veränderung der Streifen zwisehen dem Indexrasier (8) und der Bezugsspur (2) und eine Einrichtung (13) zur Erzeuglingeines Meßsignals synchron mit der Veränderung der Streifen /wischen dein lnde\raster (8) und der Meßspur (3). lerner durch eine Einrichtung (22). um die Phase des Bc/ugssignals mit der Phase des Meßsignals zu vergleichen, um die absolute Position des Lesekopfes (5) innerhalb eines Bereichs der Rasterskala (I) /u bestimmen.
2. Melivorrichtii.ig nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterskala (I) eine weitere Meßspur (4) mit einem Rasier aufweist, dessen Teilung von der der Bezugsspur {.?.) ui einen kleinen Beirag differiert, wobei diese Differenz kleiner ist als die Differenz der Teilungen /wischen der Meüspur (3) und der Be/ugsspur (2), daß eine Einrichtung (14) zur Erzeugung eines Meßsignals der Meßspur (4) zugeordnet ist und daß eine Einrichtung (23) zum Vergleich der Phase des Meßsignals mil der Phase des Bezugssignals vorgesehen ist. ^o
3. Meßvorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß an dem Lesekopf (5) eine Vergleichsspur (15) angeordnet ist. deren Teilung gleich der Teilung der Bezugsspur (2) ist. daß der Vergleichsspur (15) eine Einrichtung (lh) zur Er-Zeugung eines Vergleichssignals zugeordnet isi und daß eine Einrichtung (24) vorgesehen ist. um die Phase des Bezugssignals mit der Phase des Vergleichssignals zu vergleichen, um die Position des Lesekopfes (5) innerhalb einer Teilung der Bc/ugsspur (2) zu bestimmen.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Indexraster (8) auf der Oberfläche einer zylindrischen Trommel ausgebildet ist. die drehbar am Lelekopf (5) angeordnet und durch einen Motor (9) angetrieben ist.
5. Meßvorrichtung zum Einstellen der Position •on zwei relativ zueinander beweglichen Teilen ■ach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (60, 61, 62) zur Modifizierung der Phase des Bczugssignals der Bezi.gsspur (2) vor dem Vergleich mil der Phase der Mcßsignale der Meßspult η (3, 4) und der Phase des Vergleichssignals der Vcrgleichsspur (15) vorgesehen sind, daß ferner von den Einrichtungen (22, 23, 24) durch Vergleich der Phase des Bczugssignals mit den Phasen der Meßlignalc und der Phase des Vergleichssignals Eehlersignale ableitbar sind, durch die eine geeignete Servoeinrichtung steuerbar ist.
b. Meßvorrichiung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Modifizierung der Phase des Bezugssignals in form von Synchro-Resolvern (60. 61, 62) ausgebildei sind, die jeweils den Meßsignalen und dem Vergleichssignal zugeordnet sind und daß das Bezugssignal der Bezugsspur (2) an eine Statorwicklung eines jeden Resolvers angeschlossen ist.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oderb. dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Bezugsspur [2Q) vorgesehen ist, die dieselbe Teilung wie die Bezugsspur (2) hat, jedoch um ein Viertel der Teilung relativ zu der Bezugsspur (2) versetzt ist.
8. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, c'iß die Bezugsspur (2) verbreitert ausgebildei und ein weiter- ■ M-^vi-asier vorgesehen ist. dessen Teilung gleich derjenigen des Indexrasiers (8) ist. jedoch um ein Viertel der Teilung gegenüber dem Indexraster (8) in IJmlangsrichtung versetzt isl und das dem verbreiierien I eil der Be/ugsspur (2) zugeordnet ist.
9. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder«, dadurch gekennzeichnet, daß der /weilen Bezugsspur (2C) bzw. dem zweiten Indexrasier eine Einrichtung (12C) zugeordnet isi zur Erzeugung eines gegenüber dem Signal der Bezugsspur (2) um 90 phasenverschobenen Signals, das an die andere Staiorwicklung eines jeden Resolvers (60. hl. 62) gelegt isi.