DE1903972A1

DE1903972A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Bewegungen

Info

Publication number: DE1903972A1
Application number: DE19691903972
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Himuro; Saburo Uemura
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1968-01-29
Filing date: 1969-01-28
Publication date: 1969-09-18
Also published as: JPS4836903B1; GB1261391A; US3597749A; CA942872A

Description

It 1206

SONY CORPORATION, Tokyo

Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Bewegungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung von Bewegungen, insbesondere zur Messung von Abständen längs einer magnetischen Skala.

Moderne Arbeitsmaschinen, beispielsweise Werkzeugmaschinen, müssen häufig mit genauen Skalen ausgerüstet werden, um große Werkstücke genau vermessen und verarbeiten zu können. Derartige Maschinen erfordern im Hinblick auf ihre Größe häufig die Verwendung langer Skalen hoher»· Genauigkeit, deren Herstellung, Transport und Montage schwierig ist. Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten ist es bekannt, eine Vielzahl kurzer Skalen hoher Genauigkeit auf einer großen Werkzeugmaschine miteinander zu verbinden. Diese Lösung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß sich an den Verbindungsstellen zwischen den kurzen Skalen Fehler und Ungenauigkeiten einstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung von Bewegungen bzw. Abständen zu schaffen, bei der die Bezugsstellung für die Messung beliebig verschoben werden kann.

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Es ist bereits bekannt, Längen, Winkel oder ähnliche geometrische Größen mit Hilfe von Hagnetköpfen und einer magnetischen Skala zu messen. Die magnetische Skala trägt hierbei Bezugsunterteilungen, die im allgemeinen als magnetische Teilstriche bezeichnet werden und in der Weise aufgezeichnet werden, daß rechteckförmige oder sinusförmige Signale einer bestimmten Wellenlänge auf einem magnetischen Medium registriert werden. Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Auswertevorrichtung Tür solche magnetische Teilstriche; die Vorrichtung ist dabei L so ausgebildet, daß ihre Anzeige auf Null gestellt wer- ^ den kann unabhängig von der Stellung, die die Magnetköpfe gegenüber den magnetischen Teilstrichen einnehmen. Die Erfindung läßt sich daher besonders vorteilhaft bei einer Vorrichtung zur Messung von Bewegungen einsetzen, die eine magnetische Skala besitzt, wie sie in der am 27. 5. 1968 eingereichten US-Anmeldung Ser. No. 732 248 beschrieben ist und die ferner einen Vielspalt-Magnetkopf entsprechend der US-Patentschrift 3 308 449 enthält.

Durch die Erfindung soll insbesondere eine Vorrichtung geschaffen werden, bei der eine Bewegung auf elektrischem Wege mit hoher Genauigkeit durch Verwendung . einer mit magnetischen Teilstrichen versehenen magne- * tischen Skala und von Magnetköpfen gemessen werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Meßvorrichtung mit magnetischer Skala und Magnetköpfen zu schaffen, die sich leicht derart einstellen läßt, daß das Ausgangssignal unabhängig von der Stellung der Magnetköpfe relativ zur magnetischen Skala gleich Null ist.

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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung von Bewegungen, mit einem Trägersignalgenerator, einer magnetischen Skala, auf der sich magnetische Teilstriche fester Wellenlänge befinden, ferner mit zwei Hagnetköpfen, die in Lesebeziehung zur magnetischen Skala stehen und voneinander einen Abstand besitzen, der das (n + lM)-fache der aufgezeichneten Wellenlänge der magnetischen Teilstriche ist (n =

O, Ij 2, 3j )j ferner mit einem Phasenschieber

zwischen einem der Hagnetköpfe und dem Trägersignalgenerator, weiterhin mit einem Hischer zur Kombination- der wiedergegebenen Signale der beiden Ilagnetköpfe zwecks Erzeugung eines zusammengesetzten Signales, sowie mit einem Phasenvergleichskreis zum Vergleich des zusammengesetzten Signales des Mischers mit dem Trägersignal.

Bei einer derartigen Vorrichtung besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß ein veränderlicher Phasenschieber in einem der Kanäle zwischen dem Phasenvergleichskreis und dem Hischer und zwischen dem Phasenvergleichskreis und dem Trägersignalgenerator angeordnet ist.

Diese und v/eitere Merkmale der· Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles hervor. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 2 ein Schema zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen einer magnetischen Skala und zwei magnetischen Leseköpfen,

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Fig. 3 eine Anzahl von iKipulsdiagrairanien zur Erläuterung der an den einzelnen Punkten der Schaltung gemäß Fi£,. 1 auftretenden Jjmpulse.

Fig. 1 zeigt zwei Ilacnetköpfe 2 und 3₃ die Bagnetköpfe des Modulations types sein können und längs einer magnetis dien Skala 1 angeordnet sind. Die Hagnetköpfe 2 und 3 sind -voneinander etwa um einen Abstand (n + 1/4) % getrennt a wobei η eine positive ganze 2ahl (einsehließ-Iicli Null) und JL eine Wellenlänge der !magnetischen Teilstriche auf der Skala 1 bedeuten. Ein Trägergene- ^ rator % erzeugt ein Ausgangssignal mit eine* Winkelfrequenz 2 Cj3 das einem Seiler 5 zugeftihrt wird_a der das Eingangssignal durch 2 teilt. Das Ausgangssignal des Teilers 5 enthält ein Winkelsignal Z^n₁₃ das der Eingangswicklung lH des liagnetkopfes 2 und einem Phasenschieber 6 zugeführt wird, der ein Ausgangssignal der Eingangswicklung 16 des Magnetkopfes 3 zuführt.

Wenn der in den Magnetkopf en 2 und 3 von den magnetischen Teilstrichen dl, eu _a nu ₃ —m der magneti-

JL 41 J^) Xi

sehen Skala 1 induzierte Magnetfluß sich sinusförmig entsprechend den Stellungen χ der Ilagnetköpfe gegenüber den magnetischen Teilstrichen ändert ₃ so erzeugen die ψ beiden Hagnetköpfe die folgenden Ausgangssignale:

sin ^!p cosc*>₀t (1)

e₂ = E₂ cos sincJ_Qt (2) '

Diese Signale werden von den Ausgangswicklungen 17 bzw. 18 der Ilagnetköpfe 2₃ 3 abgenoEimen und einem Bischer 7 zugeführt,der folgendes Ausgangssignal e_n erzeugt:

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^eO ^{= e}l + ^e2 = ^{K sin}
Hierbei ist K₁ = K₂ = K.

Das zusammengesetzte Signal e_Q ist eine Spannung, deren Amplitude konstant ist und deren Phase sich proportional zur Relativlage der Magnetköpfe 2 und 3 gegenüber der magnetischen Skala 1 ändert, d. h. in Abhängigkeit von den Stellungen χ der Magnetköpfe innerhalb einer Wellenlänge V der magnetischen Teilstriche In₁, m„, m,,...m . Die Meßung der Phasendifferenz zwischen

•1· CL ^ XX

einem Bezugsträgersignal P^ und dem zusammengesetzten Signal e_Q gestattet daher die Peststellung der Positionen χ innerhalb einer Wellenlänge der magnetischen Teilstriche.

Um diese Phasendifferenz zu messen, wird das Ausgangssignal des Mischers 7 über einen Filter B und einen Schalter Sp einem Impulsformer 9 zugeführt. Der von diesem Impulsformer 9 gelieferte Ausgangsimpulszug wird dem einen Eingang eines Phasenvergleichskreises 10 zugeführt, der beispielsweise durch einen Flip-Flop-Kreis gebildet werden kann. Ein zweiter Eingang dieses Flip-FloprKreises 10 wird vom Trägergenerator H über einen veränderlichen Phasenschieber 13 und einen Impulsformer 9' gespeist.

Die Ausgangssignale des Flip-Flop-Kreises 10 werden über einen Filter 11 einem Anzeigegerät 12 zugeführt, das beispielsweise ein Voltmeter sein kann, das die Relativlage χ zwischen den Magnetköpfen 2 und 3 und den magnetischen Teilstrichen anzeigt.

Bei Verwendung der magnetischen Skala und der

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Vielspalt-Magnetköpfe werden eine Anzahl von Ausgangsimpulsen, die von den Vielspalt-Magnetköpfen bei Veränderung ihrer Relativlage durch einen Zähler gewonnen werden, und gleichzeitig eine Spannung erzeugt, die der Stellung χ entspricht, die das Maß ihrer-Verschiebung darstellt.

Gewünschtenfalls kann an Stelle des veränderlichen Phasenschiebers 13 ein veränderlicher Phasenschieber 13' benutzt werden, dessen Asugang mit dem Impulsformer 9 verbunden ist und dessen Eingangsanschluß mit dem Schalfe ter S₀ in Verbindung stehen kann. Anders ausgedrückt, können die veränderlichen Phasenschieber 13 oder 13' in einem oder in beiden Kanälen der Heßvorrichtung vorge-ä sehen werden. Der Phasenschieber 13 besitzt eine Eingangswelle 21, die mit einem Steuerknopf 22 zur Einstellung der Phasenverschiebung versehen ist. Die Welle 21 deren Einstellwert durch das Anzeigegerät 12 angezeigt wird, kann unabhängig von den Stellungen der Magnetköpfe relativ zu den magnetischen Teilstrichen auf Null eingestellt werden. Mit dem veränderlichen Phasenschieber 13 kann man die Phase der dem Flip-Flop-Kreis 10 zugeführten Trägersignalfrequenz zwischen Null und 2 einstellen,

" , Die in Fig. 1 veranschaulichte Anordnung ermöglicht es, den vom Anzeigegerät 12 angezeigten Wert auf Null einzustellen, unabhängig von den Stellungen der Magnetköpfe 2 und 3 relativ zu den magnetischen Teilstrichen.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wird das vom Trägergenerator H gelieferte Signal P. durch den Teiler 5 auf Signale der halben Frequenz reduziert. Die Fig. 3B und 3C veranschaulichen die Impulszüge P_? und P.,, die den Eingangswicklungen 14 bzw. 16 der Magnetkopfe 2 bzw. 3

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zugeführt werden. Das dem magnetkopf 3 zugeführte Signal P-, ist gegenüber dem Signal Pp₉ das dein Magnetkopf 2 zugeführt wird. In der Phase umUt Pl verzögert.

Das zusammengesetzte Signal e_Q der Magnetköpfe 2 und 3 besitzt eine Frequenz ₃ die doppelt so groß wie die -der Signale P„ und P_ Ist (vgl. Flg. 3ß). Das Signal e„

besitzt eine Phasendifferenz φ gegenüber dem in FIg. 3A dargestellten Bezugsträger P^. Die Phasendifferenz φ Ist proportional zum Abstand χ der magnetischen Teilstriche zur Stillstandlage der Magnetkopf e.~ Ändert sich der Abstand χ innerhalb einer Meilenlänge Xder magnetischen Teilstriche, so ändert sich die Phase φ zwischen O und 21Γ· Das zusammengesetzte Signal e_Q lilrd als zusammengesetztes Impulssignal Pj, (vgl. Flg. 3E) als ein Eingangssignal dem Pllp-Flop-Phasenvergleiehskrels 10 zugeführt. Der Impulsformer S erzeugt Impulse ₃ die auf die Anstieges- und Abfallflanke des Impulszuges e„ ausgerichtet sind.

Das zueite Eingangssignal des Flip-Flop-Krelses 10 besitzt die Wellenform P- und Ist durch den Impulsformer 9' gelaufen₃ so daß siel: der In FIg. 3F dargestellte Impuls zug P₁- ergibt. Ist die Phasenverschiebung des variablen Phasenschiebers 13 gleich 1ju11₃ so besitzt das aus dem Flip-Flop-Kreis 10 korjuende Signal P^ (vgl. Fig. 3G) eine Impulsbreite d, die proportional zur Phasendifferenz φ zwischen det; zusa-mnengesetzten Impulsslgnal Pj, und dem Bezugs impuls signal P_r Ist _ das /inseigegerilt liefert ein Ausgangssignal proportional zur Breite u.

Die Phase des Besu^olrx-ulsslijiiales P_r kann erflndun£Sgei::'.£ durcii den variablen Phasenschieber I3 so

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eingestellt werden, daß das Anzeigegerät 12 Null anzeigt. Zu diesem Zweck wird die Phasenverschiebung des Impulszuges P_r derart eingestellt, daß der Impulszug P^ koinzident mit dem Impulszug Pj. ist. Zu diesem Zweck wird beispielsweise die Phase des Signales P_r um φ gegenüber dem Signal P₁, verzögert. Die Stellung der Magnetköpfe in diesem Zeitpunkt kann als Nullpunkt betrachtet werden^ der Nullpunkt läßt sich selbst dann leicht einsteilen, wenn die Magnetkopfe nicht immer mit den magnetischen Teilstrichen übereinstimmen. "·■ *

Der variable Phasenschieber 13 kann durch den Knopf 22 eingestellt werden; stattdessen kann auch der Motor 19, der über den Schalter S.. mit dem Ausgang-des Filters 11 verbunden sein kann, dazu benutzt werden, um den Pha- ♦ senschieber 13 einzustellen, bis das Ausgangssignal des Filters 11 eine Breite von Null besitzt.

Die Erfindung ist somit besonders dann von Vorteil, wenn sie in Verbindung mit einer endlosen magnetischen Skala verwendet wird, d. h. im Rahmen einer Vorrichtung, bei der eine magnetische Skala auf dem Rand einer Scheibe vorgesehen ist, um den Drehwinkel oder die Anzahl von Umdrehungen der Scheibe festzustellen. Man kann die Erfindung jedoch auch in Verbindung mit linearen magnetischen Skalen benutzen.

Der variable Phasenschieber 13' kann stattdessen auch mit dem Ausgang des Filters 8 verbunden werden, indem der Schalter S₂ vom Eingang des Impulsformers 9 auf den Eingang des variablen Phasenschiebers 13' umgeschaltet wird. Das Ausgangssignal des variablen Phasenschiebers 13' wird dem Impulsformer 9 zugeführt j die Welle 21' und der Knopf 22' gestatten eine Phasenänderung des Ausgangssignales des Filters 8.

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Claims

- 9 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung von Bewegungen, mit einem Trägersignalgenerator, einer magnetischen Skala, auf der sich magnetische Teilstriche fester Wellenlänge befinden, ferner mit zwei Magnetköpfen, die in Lesebeziehung zur magnetischen Skala stehen und voneinander einen Abstand besitzen, der das (n + l/4)-fache der aufgezeichneten Wellenlänge der magnetischen

Teilstriche ist (n = 0, 1, 2, J>> )> ferner mit

einem Phasenschieber zwischen einem der Magnetköpfe und dem Trägersignalgenerator, weiterhin mit einem Mischer zur Kombination der wiedergegebenen Signale der beiden Magnetköpfe zwecks Erzeugung eines zusammengesetzten Signales, sowie mit einem Phasenvergleichskreis zum Vergleich des zusammengesetzten Signales des Mischers mit dem Trägersignal, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Phasenschieber in einem der Kanäle zwischen dem Phasenvergleichskreis und dem Mischer und zwischen dem Phasenvergleichskreis und dem Trägersignalgenerator angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Messung von Bewegungen, mit einer magnetischen Skala, die magnetische Teilstriche fester Wellenlänge trägt, ferner mit 'zwei Magnetköpfen, die in Lesebeziehung zur Skala stehen und voneinander einen Abstand aufweisen, der das (n + 1/²O-fache der aufgezeichneten Wellenlänge der magnetischen Teilstriche beträgt (wobei η eine ganze Zahl zwischen 0 und unendlich ist), weiterhin mit einem Generator, der ein Signal dem ersten Magnetkopf zuführt, ferner

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mit einem ηΧ/4-Phasenschieber, der ein Signal von diesem Generator empfängt und ein Signal an den zweiten Hagnetkopf liefert, weiterhin mit einer kombinierenden Schaltung, die an die Ausgänge der beiden Magnetkopfe angeschlossen ist sowie nlit einem Phasenvergleichskreis, der mit dem Ausgang der kombinierenden Schaltung und dem Ausgang des Generators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Phasenschieber mit einem der Eingänge der Phasenvergleichsschaltung zwecks Einstellung der Phase eines der Eingangssignale verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Generator und den beiden Magnetkopf en ein Frequenzteiler angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierende Schaltung einen Mischer, einen mit dem Ausgang des Mischers verbundenen Filter, und einen an den Ausgang des Filters angschlossenen" Impulsformer enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Generator und die Phasenvergleichs-

) schaltung ein zweiter Impulsformer geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Phasenschieber zwischen den Generator und den zweiten Impulsformer geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Phasenschieber zwischen dem Filter und dem Impulsformer angeordnet ist.

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C. Vorrichtung nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Phasenvergleichsschaltung ein zweiter Filter verbunden ist, an dessen Ausgang ein Anzeigegerät angeschlossen ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle eines Ilotors mit dem veränderlichen Phasenschieber verbunden ist und der Ausgang der Phasenvergleichsschaltung durch einen Schalter mit dem Motor verbindbar ist.

10. Verfahren zur I-Iessung von Bewegungen mit zwei Magnetkopf en und einer magnetischen Skala, die magnetische Teilstriche trägt, dadurch gekennzeichnet, daß den Magnetköpfen ein Signal zugeführt wird, daß von diesen Hagnetköpfen gelieferte Signale festgestellt und kombiniert werden, daß das kombinierte Signal der Hagnetköpfe mit dem den Ilagnetköpfen zugeführten Signal verglichen wird und daß eines der zu vergleichenden Signale in seiner Phase verschoben wird.

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