DE1932079A1

DE1932079A1 - Optische Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE1932079A1
Application number: DE19691932079
Authority: DE
Inventors: Donald West
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-06-26
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1970-01-02
Also published as: US3524067A; GB1236342A; FR2011670A1

Description

IBM Deutschland Internationale Bäro-Maanmen GttelUehafl mbH

Böblingen, 19. Juni 1969

kitt-rz

Anmelderin: International Business Machines'

Corporation, Armonk, N.Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket LE 968 002

Optische Positionsmesseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichttmg für ein bewegtes Maschinen- oder Geräteelement, das mit einem Strichgitter verbunden ist, welches quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Linien aufweist und durch einen von einer ortsfesten Lichtquelle zu einem ortsfesten Fotodetektor verlaufenden Strahlengang zur Erzeugung von Wegmaß-Zählimpulsen abgetastet wird«

Im Maschinen- und Gerätebau ist es bekannt, zur optisch-elektrischen Positionsmessung bewegter Elemente eine Strich- bzw» Liniengitteranorönung ssu verwenden (z.B. "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung" von K. Steinbuch, Berlin 1962, Seite 7^0)„ Diese Anordnung besteht aus einem mit dem betreffenden Element bewegten Gitter und einem ortsfesten Gitter_s die beide dicht hintereinander zwischen einer Lichtquelle und einer Fotoselle angeordnet sind. Bei einer Bewegung des Elementes entsteht eine alternierende Beleuchtung der Fotoselle j, durch die diese Stromimpulse erzeugt, die einer Zähleinrichtung zugeführt wanden«, Die Impulse dienen als Maß für die Wegeinheiten_? die das bewegte Element zurücklegt. Durch Vergleich eines

1932073

so gebildeten Zählwertes mit einem voreinstellbaren Zählstand kann eine bestimmte Position des Elementes zur Anzeige gebracht werden. Der Anzeigeimpuls kann zur Auslösung von Steueroperationen dienen, wie beispielsweise zum Anhalten eines Werkzeugschlittens.

Eine solche Anordnung erfordert eine sehr genaue Ausbildung und Justierung der Gitter, damit die gewünschte irapulsweise Belichtung der Fotozelle, nachfolgend auch Fotodetektor genannt, erreicht wird. So müssen die Gitter möglichst dicht übereinander montiert werden, um scharf begrenzte Beleuchtungsimpulse zu erzeugen und den Streulichteinfall der Fotozelle gering zu halten. Ein weiteres Problem ist die Ausrichtung der Gitterlinien, da durch schräg zueinander verlaufende Gitterlinien ebenfalls das korrekte Lichtimpulsmuster gestört wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung zur Positionsmessung von bewegten Maschinen- oder Geräteelementen anzugeben, durch die unter· Vermeidung der genannten Nachtelle ein verbessertes Hell-Dunkel-Verhältnis bei der Beleuchtung des Fotodetektors erzielt wird. Die Erfindung besteht darin, daß die Lichtquelle und der Fotodetektor in Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, daß ein optisches Abbildungs- und Reflexionssystem so angeordnet Ist, daß ein der Lichtquelle gegenüberliegender Teil des Gitters auf einen dem Fotodetektor gegeriiiberligenden Teil des Gitters mit dem Vergrößerungsfaktor 1 abgebildet wird und daß der Fotodetektor auf die durch die Überlagerung 'des Gitters mit dessen Abbildung hervorgerufene periodische Beleuchtung und Abdeckung anspricht.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß nur noeh ein Gitter benötigt wird. Die .überlagerung des Gitters mit eia<?m gegenläufig bewegten Bild-dieses Cutters Ist auch insofern vorteilhaft» als sich da- ; durch die Istpuisrste bei -gleicher Gesebwinaimzsit des bewegte« Eieir^nfcüs .und bei gleichem -'.iiienabstand des (litters um üen Fak-

BAD

tor 2 erhöht, wodurch das Auflösungsvermögen der Messeinrichtung verdoppelt wird.

Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Ansprüchen zu ersehen. Nachfolgend sind zwei Ausführungsberspiele der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise gebrochene Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des optischen Strahlenganges der Einrichtung von Fig. 1,

Fign. 3a + 3b einen Schnitt entlang der Linie 3 - 3 von Fig. 2

zur Darstellung der Abbildungsverhältnisse bei geradem und schiefstehendem Liniengitter und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Strahlenganges

einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung umfaßt ein Metallgehäuse 11, in dem als Lichtquelle"'eine Lampe 13 angeordnet ist, dietber ein Kabel 15 Strom zugeführt erhält. Der Lampe benachbart ist ein Fotodetektor 17 angeordnet, der beispielsweise ein Fototransistor sein kann und dessen Ausgangssignal einer nicht dargestellten Steuerschaltung zugeführt wird, welche die vom Fotodetektor erzeugten Signale zählt. Eine zylindrische Trommel 19 wird von einer Achse 21 getragen, die drehbar gelagert ist und durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben wird. Die Trommel 19 weist an ihrem Umfang einen abgesetzten Teil 23 mit verringertem Durchmesser sowie einen Bund 25 auf. Ein Liniengitterband 27> das ein.

sein kann herkömmliches Mylarband aus Polyäthylen Glycol Terephthal/. Das Linien^gitter besteht aus 2,5 u dicken Linien, die einen Abstand von 2,5 ji voneinander aufweisen. Das Band ist ringförmig ausge-DoiffcStrM <0k 002 9 0 9 8 81/112 2

-I₁-

bildet und umfaßt die Trommel 19 am abgesetzten Teil 23» wobei die Kante des Bandes am Bund 25 anliegt. Der das Liniengitter 29 tragende Teil des Bandes ragt Über die Trommel hinaus. Das Band 2? ist in bekannter Weise am Umfang der Trommel befestigt* beispielsweise durch eine Klebverbindung. Eine plankonvexe Linse 33 ist in einem Metallgehäuse 35 derart angeordnet, daß ihre/Achse mit einer zwischen der Lampe 13 und dem Fotodetektor 1? verlaufenden Linie 36 übereinstimmt. Die Linse weist einen Abstand d vom Gitter 29 auf» der dem Fokusierungsabstand der Linse 33 entspricht Der Linse 33 auf der dem Gitter 29 abgewandten Seite dicht benachbart ist ein oberflächenversilberter Spiegel 37 angeordnet, der das durch die Linse hindurchtretende Licht an seiner Oberfläche Jh reflektiert. Ein von der Linse mit dem Licht der Lampe 17 erzeugtes Bild eines der Lampe gegenüberliegenden Teiles des Gitters 29 wird daher auf einen dem Fotodetektor 17 gegenüberliegenden Teil des Liniengitters 29 projiziert. In Abwandlung der dargestellten Anordnung kann der Spiegel 37 und die Linse 33 als ein. Teil ausgebildet sein» inxdem die plane. Oberfläche der Linse 33 Bit einer reflektierenden Schicht versehen wird. Der Spiegel kann auch in eine« größeren Abstand hinter der Linse angeordnet sein» wie* es bei 37* in *ig· 2 dargestellt ist.

Die Fig..2 zeigt die optischen Verhältnisse der Einrichtung von Fig. 1 In einer schematisierten Weise. Die Lampe 13 beleuchtet einen Teil & des Gitters 29» dessen Linien rechtwinklig zur Ebene der Zeichnung verlaufen. Der beleuchtete Teil ist etwa 2,5 im in Durchmesser ,und erfaßt daher etwa 100 Linien. Die Linse 33 erzeugt von dem beleuchteten Teil a ein Bild, das am Spiegel 37 reflektiert ist und durch die Linse zurück auf einen Teil b des Gitters 29 abgebildet wird, welcher dem Fotodetektor 17 gegenüberliegt, limnn das Liniengitter 29 in der Ebene der Zeichnung seitlich bewegt wird» findet eine entgegengesetzte Bewegung dei Linienhildes i* Bereich b statt. In diesem Bereich koitiiidi#r*it daher . wechselweise die Linien des Gitters 29 und die abgebildeten Linien. Durch diese Oberlagerung zwischen den Gitterlinien und den Bild

Docket LE 968 002 809881/1 122

dieser Linien erfolgt eine wechselweise Beleuchtung und Abdeckung des Fotodetektors 17. Der Fotodetektor besitzt einen Aufnahmewinkel von 15° und ist in einem Abstand vom Gitter angeordnet, der ausreichend ist, um etwa die Hälfte des im Bereich b erzeugten Bildes, d.h. etwa 50 Linien aufzunehmen. Die vom Fotodetektor 17 erzeugten Ausgangssignale werden in für sich bekannter Weise gezählt. Der Zählwert stellt ein genaues Maß der Bewegung des Gitters und damit auch eines jeden Objektes dar, das gemeinsam mit dem Gitter, beispielsweise durch Befestigung auf der Achse 21 bewegt wird.

Da die Linse 33 einen Abstand vom Gitter 29 aufweist, der ihrem Fokusierungsabstand entspricht, wird das mit dem Licht der Lampe 13 erzeugte Bild mit dem Vergrößerungsfaktor 1 auf das Gitter zurückprojiziert. Das Bild bewegt sich in einer Richtung, die ent-* gegengesetzt zur Bewegung des Gitters verläuft. Dabei bewegen sich die Gitterlinien und die Gitterbildlinien in Bezug aufeinander mit einer Geschwindigkeit, die der doppelten Geschwindigkeit der Gitterbewegung entspricht. Hierdurch wird die Anzahl der Belichtungsimpulse für den Fotodetektor 17 bei einer vorgegebenen Drehung des Gitters verdoppelt und damit die Anzeigeempfindlichkeit der Einrichtung um den Faktor 2 erhöht.

Die axiale Übereinstimmung des Gitters 27 mit der Planaraehse 38 der Linse 33 ist nicht kristisch, wie aus den Fign. 3a + 3b ersichtlich ist. Die Fig. 3a zeigt das Gitter in einer idealen Lage, in der die Gitterlinien a' und die Bildlinien b* mit der Achse fluchten bzw. rechtwinklig zur Gitterlängsachse 38 verlaufen. Wenn eine leichte Abweichung zwischen der Richtung der Linien und der Rotationsachse 21 beispielsweise bei der Montage des Gitterbandes 27 auf der Trommel 19 auftritt, befindet sich das Gitter in einer Position, wie sie aus Fig> 3b ersichtlich ist» wo Jeäpoli der Betrag der SchiefStellung der besseren Anschaulichkeit wegen übertrieben dargestellt ist* Die aSgeteildeteii Sitterlinien a* und b* -auok jbi/4$(iffit& ^:|ieJtttijif;/Jiat..iften MaisR des Sitters 29*

obwohl dessen Linien in Bezug auf den Fotodetektor 17 eine veränderte Lage einnehmen. Diese gleichbleibende Ausrichtung resultiert aus der Tatsache, daß die optischen Verhältnisse der Anordnung symetrisch sind. Das Bild des Gitters wird deshalb stets an einem Punkt gebildet, der dem beleuchteten Teil des Gitters diametral gegenüberliegt. Die leichte Auslenkung des Bildes, die durch eine Schiefstellung der Gitterlinien verursacht wird, kann vom Fotodetektor 17 toleriert werden, da das Beleuchtung- Nichtbeleuchtung-Interferenzmuster und demzufolge auch das HeIl-Dunkel-Verhältnis hierdurch nicht .wesentlich beeinträchtigt wird. Mit der dargestellten Einrichtung ist ein Hell-Dunkel-Verhältnis von 60 zu 1 erreichbar.

Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten optischen Systems. Durch diese Abwandlung kann der Aufbau der Einrichtung erheblich verkleinert werden. Ein Paar Planarspiegel 41 und 43 sind in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. In einer Ebene vor den Spiegeln befinden sich zwei Doppelkonvexlinsen 45 und 49, von denen die Linse 45 einer Lichtquelle 4-7 gegenüberliegt, die beispielsweise als eine lichtemittierende Diode ausgebildet sein kann. Gegenüber der Linse49 befindet sich ein Fotodetektor 5ί· Die Ebene der Linsen 45 und 49 verläuft parallel zur Ebene eines Liniengitters 53 und bildet mit jedem der Spiegel 41 und 43 einen Winkel von 45°· Der Abstand der Lichtquelle 47 und des Fotodetektors 51 von den Linsen 45 und 49 entspricht der doppelten Fokuslänge dieser Linsen, die außerdem vom Bildpunkt der Spiegel einen Abstand von der einfachen Fokuslänge haben. Die Linse 45 erzeugt mit dem Licht der Diode 47 ein Bild vom Teil a¹¹ des Gitters 53 in der Ebene ip nach einer Reflexion am Spiegel Dieses Bild wird nach einer Reflexion am Spiegel 43 durch die Linse 49 bei B** auf das Gitter 53 abgebildet. Die Länge der parallel zur Ebene der Linsen 45 und 49 verlaufenden Distanz c bestimmt dabei den Abstand, den die Punkte A^ft und B^rt voneinander aufweisen*

Docket LI 9$8 ooa 9098 81/112 2

Eine kleine und robuste Einrichtung wird erhalten, wenn die in Fig. 4 dargestellte Anordnung unter Verwendung einer Festkörperlichtquelle„ eines Festkörper-Fotodetektors und kleiner Linsen miteineiB kurzen Fokusierungsabstand aufgebaut wird. Als Lichtquelle kann dabei eine lichtemittierende Diode und ale Fotodetektor ein Fototransistor verwendet werden.

In Abweichung von der dargestellten Anordnung kann die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung auch zur Messung von linearen Bewegungen verwendet werden. In diesem Falle ist das Gitter 29 als ebenes Gitter auszubilden, das mit dem betreffenden Maschinenteil verbunden wird, dessen Bewegung gemessen werden soll.

Docket LE 968 002 909881/1122

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Optische Positionsmesseinrichtung für ein bewegtes Maschinenoder Geräteelement, das mit einem Strichgitter verbunden ist, welches quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Linien aufweist und durch einen von einer ortsfesten Lichtquelle zu einem ortsfesten Fotodetektor verlaufenden Strahlengang zur Erzeugung von Wegmaß-Zählimpulsen abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle und der Fotodetektor in Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, daß ein optisches Abbildungs- und Reflexionssystem (33» 37) so angeordnet ist, daß ein der Lichtquelle gegenüberliegender Teil (a) des Gitters auf einen dem Fotodetektor gegenüberliegenden Teil (b) des Gitters mit dem Vergrößerungsfaktor 1 abgebildet wird und daß der Fotodetektor auf die durch die Überlagerung des Gitters mit dessen Abbildung hervorgerufene periodische Beleuchtung und Abdeckung anspricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gitter auf einem lichtduchlässigen Träger (27) befindet und daß die Lichtquelle und der Fotodetektor auf der einen Seite des Gitters und das Abbildungs- und Reflexionssystem (33, 37) auf der anderen Seite des Gitters angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungs- und Reflexionssystem eine plankovexe Linse(33) aufweist, die im Fokusierungsäbstand vom Gitter entfernt angeordnet ist und deren optische Achse (36) in der Mitte zwischen der Lichtquelle und dem Fotodetektor verläuft, und daß hinter der Linse ein Spiegel (37) angeordnet ist, ν der ein von der Linse entworfenes Bild des Gitters mit einer seitlichen Verschiebung durch die Linse zurück zum Gitter reflektiert.

Docket LE 968 002 909881/1122

4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel durch eine auf der planen Rückseite der Linse (33) angebrachte Reflexionsschicht gebildet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungs- und Reflexionssystem zwei Linsen (45 und 49) aufweist, von denen die eine gegenüber der Lichtquelle und die andere gegenüber dem Fotodetektor im doppelten Fokusierungsabstand angeordnet ist, und daß sich hinter den beiden Linsen zwei Reflexionsflächen (41 und 43) befinden, die in der Ebene der optischen Achsen beider Linsen zueinander einen Winkel von 90° bilden und so im Strahlengang der Linsen angeordnet sind, daß eine gemeinsame Fokusierungsebene (ip) der beiden Linsen zwischen den Reflexionsflächen entsteht.

Docket LE 968 002 90 988 1/ 1122

40 .

Le e rs e i t e