DE1958136A1

DE1958136A1 - Optische Einrichtung zum Abtasten von Winkelbewegungen

Info

Publication number: DE1958136A1
Application number: DE19691958136
Authority: DE
Inventors: Elliott Harald Albert
Original assignee: Quantic Industries Inc
Current assignee: Quantic Industries Inc
Priority date: 1968-11-20
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1970-06-11
Also published as: GB1248853A; US3544800A

Description

Quantio Industries Incorporated, San Carlos, Kalif. (Y. St. v.A.)

Optische Einrichtung zum Abtasten von Winkelbewegungen.

für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Tj. S. Anmeldung Serial No. 777 311 vom 20. Hovember 1968 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Einrichtung zum Abtasten von Winkelbewegungen und insbesondere auf ein Kodiergerät, das dazu dient, die Drehstellung einer Welle in bezug auf einen feststehenden Bezugspunkt anzuzeigen und diese Stellung auf digitale Weise darzustellen.

Bekannte optische Kodiergeräte oder Verschlüssler weisen normalerweise eine auf einer Welle gelagerte Scheibe mit einem Kode in der Form von Schlitzen auf. Die den Kode tragende Scheibe wird von hinten beleuchtet und liefert in Verbindung mit einem Bezügewert-Stator, der ebenfalls Schlitze aufweist, eine Digitalanzeige der Wellenstellung·

der Praxis hat eich jedoch gezeigt, daß mechanische Elemente in vielen fällen Abweichungen der Scheibe von ihrer wahren Stellung verursachen und damit Fehler in den AbleBewerten zur Folge haben. Außer einer der Welle eigenen Exzentrizität, dem sogenannten Schlag der Welle, wird duroh

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die auf der Welle befestigte Scheibe selbst eine zusätzliche Belastung hervorgerufen, durch welche die fehler vergrößert werden.

Wenn das Wellenlager beispielsweise eine Exzentrizität der Welle von 50 /u hervorruft, kann diese Exzentrizität ohne weiteres bis zu ein Fehlerquantum in der digitalen Endanzeige zur folge haben, wenn ein Quantum als der durch einen einzigen Digitalwert dargestellte Winkelraum definiert ist. Wenn der fehler auf die Hälfte dieses Wertes herabgesetzt werden soll, muß die Abweichung der Welle auf die Hälfte verringert werden. Ein lager dieser Genauigkeit kann jedoch ohne weiteres zehnfach teurer sein. Es ist offensichtlich nicht wirtschaftlich oder vertretbar, Lager dieser äußerst hohen Genauigkeit zu verwenden.

Eine weitere Schwierigkeit bei bekannten Anzeigevorrichtungen für die Winkellage besteht darin, daß bei Verwendung einer optisohen Linse oder tines Objektivs innerhalb des Systems die Abbildungsfehler auf ein Minimum herabgesetzt wtrden müssen, wodurch die Verwendung eines verhältnismäßig teuren, aus mehreren Elementen bestehenden Objektivs erforderlich wird. Gebräuchliche Kodiergerätβ sind darüber hinaus empfindlich gtgtnübtr tintr Translation dtr Wellt in Axialriohtung.

Aul ditstn Gtründtn soll duroh dit Erfindung tint verbesserte optiioht Einrichtung ium Abtasten dtr Winktlbtwtgung tinte sieh drthtndtn Gegenstandes gtiohafftn wtrdtn, dit von

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Abbildungsfehlern des optischen Systems unabhängig ist oder von diesen nicht beeinflußt werden kann und mechanischen Unregelmäßigkeiten der zu messenden Welle gegenüber unempfindlich ist. Weiterhin soll die Einrichtung so beschaffen sein, daä die Kodierscheibe nicht auf einer umlaufenden Welle drehbar gelagert sein muß.

Die zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene Einrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine zur Bilddrehung dienende optische Vorrichtung mit einer vorbestimmten Drehachse, die mit dem sich drehenden Gegenstand gekoppelt werden kann, so daß die beiden Drehachsen zusammenfallen, eine erste, in einem Abstand der optischen Vorrichtung gegenüberliegende Maske mit einem vorbestimmten Kodemuster, eine zur Projektion des Kodemusters auf die optische Vorrichtung dienende Beleuchtungseinrichtung, eine zweite, in einem Abstand der optischen Vorrichtung gegenüberliegende Maske mit einem vorbestimmten Kodemuster, welchem das profitierte Muster der ersten Maske überlagert werden kann, so daß hinter der zweiten Maske ein bestimmtes Muster feststellbar ist, wobei die Muster der ersten und der zweiten Maske so ausgebildet sind, daß das feststellbare Muster eine Winkelbewegung des sich drehenden Gegenstandes anzeigt.

Ein Aueführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

flg. 1 ist eine sohematisoh· Darstellung der optischen Einrichtung naoh der Erfindung.

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Fig. 2 ist ein Aufriß einer ersten, in der Einrichtung der Fig. 1 verwendeten Maske.

Flg. 3 ist ein Aufriß einer zweiten, in der Einrichtung der Fig. 1 verwendeten Maske.

Figuren 4A, 4B und 40 zeigen jeweils einen Aufriß und

schaubildliche Darstellungen eines für die erfindungsgemäße Einrichtung verwendeten optischen Prismas, und dienen zur Erklärung seiner Wirkungsweise.

Figuren 5A, 5B und 50 zeigen jeweils einen Aufriß und

schaubildliche Darstellungen des in den Figuren 4A - 40 dargestellten Prismas, jedoch in einer anderen Terwendungsweise.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer in Verbindung mit

der Einrichtung der Fig. 1 verwendeten elektrischen Schaltung.

Vermittels der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung soll die Winkelbewegung der sich in Pfeilrichtung drehenden Welle 10 abgetastet oder gemessen werden. Die Drehachse der Welle ist mit Z bezeichnet. An dem Ende der Weile ist in geeigneter Weise ein Prisma 11 befestigt, das vorzugsweise ein Porro-Prlsma ist, welches die Winkel 45°> 90° und 45° aufweist. Das Prisma 11 wird, wi· in Verbindung mit den Figuren 4 und 5 erläutert ist, ale Doppelspiegel verwendet und hat die Fähigkeit, ein Bild su drehen. Die Oberflächen 11a und 11b des Prismas 11 sind sum Zwecke der Reflexion verspiegelt.

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Eine Schlitze aufweisende erste Maske 12, die an besten aus Pig. 2 zu ersehen ist, liegt der HypotenuBenfläche des Prismas 11 in einem Abstand gegenüber und wird von hinten durch eine geeignete Lichtquelle 13 beleuchtet. Der aus mehreren Elementen bestehende Kondensor H liefert eine geeignete Beleuchtung auf allen gewünschten flächen der Maske 12. Die Maske 12 ist durch Schlitze in einer vorbestimmten Anordnung kodiert, so daß in der nachstehend beschriebenen Weise ein Muster entsteht, das durch ein aus mehreren Elementen bestehendes Objektiv 16 in Richtung des Prismas 11 abgebildet wird· Die Lichtquelle kann auch vor der ersten Maske angeordnet sein, so daß ein reflektiertes Sodemuster abgebildet wird.

Ein Strahlenteiler in der form eines geneigt angeordneten halbversilberten Spiegels 17 ist in der Z-Achee angeordnet und lässt nur einen Seil des von der Maske 12 kommenden Strahlung»bündele zum Prisma 11 durch, während er einen weiteren Seil des von dem Prisma 11 reflektierten Llohts zu einer «weiten Maske 18 umlenkt, Biese Maske ist am besten in fig. 3 dargestellt und weist einen Schlitzanordnung auf, hinter welcher sich die Empfänger oder Detektoren 19, 20 und 21 befinden.

Die in Pig. 2 dargestellte Schutzanordnung der ersten Maske besteht aus zwei konzentrischen Ringen 23 und 24» wobei der äußere Ring dazu verwendet wird, Signale zu liefern, welche jeweils einer !üeildrehu&g der Weile entsprechen,

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und der innere Ring 24 zur Angabe eines Bezugspunktes dient. Die «weite Maske 18 der ?ig. 3 besteht aus entsprechenden äußeren und inneren Ringen 26 und 27· Der Ring 26 weist awei identische, aus Schlitzen bestehende Maskenabschnitte 29 und 31 auf, die um 180° gegeneinander versetzt sind und für die feildssn^ngefu&ktion der Welle verwendet werden· Der innere Eing 27 weist einen Sektor 32 auf, der in Verbindung n-it üQw. Ring 24 «in Bezugspunktsignal liefert.

Der äußere Ring 23 der ersten Zählmaske 12 besteht aus einer Reihe transparenter Streifen oder Schlitze mit dazwischenliegenden liohtundurohlässigen Streifen. Die Abschnitte 29 und 31 der zweiten Zählmaske sind einander gleich und bestehen aus Stäben und Schlitzen. Die Dichte der undurchx lässigen Stäbe oder Streifen liegt jedoch bei der «weiten Zählmaske etwas höher. Beispielsweise hat die erste Maske 23 eine Dichte von 393,70 Streifen/om (1000 Streifen/Zoll), während die Abschnitte 29 und 31 der zweiten Maske «ine Dichte Ton 395,276 Streifen/cm (1004 Streifen/Zoll) haben. In der ersten wie in der zweiten Zählmaske ist die Breite der Schlitze oä«r träneparenttu Streifen gleich der Breite der unäurchläffigen Streifen· Selbstverstänälloh lassen sich auoh andere Kodierungsmueter rerwinden,

Das von der Lichtquell· 13 kommend« licht durchdringt die transparenten Streifen oder Sohlitz« in der er«ten Ttesk« und bilttot «in bestimmtes, b«l«uoht«tes Muster· Das Lis&t <3ft» O^ektiv 16, weloJies das Liahtfeünd«! kolli-

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mlert, d.h.. die von jedem funkt dee beleuchteten Masters ausgehenden divergierenden Liohtbündel werden beim Durchgang durch das Objektiv parallel gerichtet. Dieses kollimierte Lichtbundel fällt auf das Prisma 11 und die reflektierenden Flächen 11a und 11b desselben, durch welche dae kollimierte Lichtbunael reflektiert wird. Das reflektierte Licht durchläuft das Objektiv 16 wiederum in entgegengesetzter Richtung, wobei es von diesem zu einem Bild auf der Z₁ weiten Maske 18 konvergiert wird. Diese Überlagerung der Maske bewirkt in einer dem Fachmann bekannten Weise eine Mo ir ever teilung, welche von den hinter den sswelten Zählaaskenabschnitten 31 und 29 angeordneten Empfängern 19 und 21 abgetastet wird. Sehr kleine Bewegungen der Welle 10 und des Prismas 11 haben eine sehr starke Bewegung der Moireverteilung zur Folge, wodurch eine genaue Messung der Bewegung der Welle 10 ermöglicht wird.

In entsprechender Welse bestehen die Maskenabschnitte 24- und 32 aus transparenten Streifen oder Schlitzen und lichtundurchlässigen Stäben oder Schlitzen, die jedoch unregelmäfiig angeordnet sind. Der sur Schaffung eines Bezugswertes dienende Sektor 32 der «weiten Maske ist ein fotografisches Kegatlv des zur Schaffung eines Besugswertes ' dienenden Abschnittes 24 der ersten Maske. Wenn während des Betriebes der Einrichtung der Bezugsabsohnltt 24 der ersten Maske genau auf den Abschnitt 32 der »weiten Maske abgebildet wird, bedeckt das Muster der undurchlässigen Streifen der ersten Maske vollständig die Schlitze der

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zweiten Maske, so daß hinter dem Bezugswertabschnitt 32 der zweiten Maske kein Licht sichtbar ist. Wenn jedoch die eine Maske in bezug auf die andere Maske beispielsweise um nur 25 /U verlagert wird, können 2ü»£ des Lichtes durchgelassen werden, da jetzt keine Übereinstimmung zwischen der Abschattung auf den ersten und den zweiten Bezugsmaskenabschnitten mehr besteht. Dieses durchfallende Licht wird durch einen lichtelektrischen Empfänger 20 aufgefangen. Durch vollständige Abschirmung des Lichtes wird ein Bezugsimpuls geliefert, welcher eine feststehende Lage der Welle 10 anzeigt.

Die Figuren 4A, 4B und 40 sollen jetzt erläutert werden. Fig. 4A zeigt, wie ein Gegenstand, hier ein nach oben weisender Pfeil, von der Oberfläche 11a zur Oberfläche 11b reflektiert und zu einem Bild eines umgekehrten Pfeiles gemacht wird. Die Figuren 4B und 40 zeigen die Fähigkeit des Prismas, ein Bild zu drehen, wenn das Prisma um einen Winkel von 90° um die Z-Achse gedreht wird. In den Figuren 5A, 5B und 50 ist eine weitere Ausführungeform dargestellt, in welcher das gleiche Prisma entlang einer mit Z* bezeichneten Achse drehbar gelagert ist und das Bild in gleicher Richtung reflektiert und nicht wie in Fig. 4A zurück reflektiert wird. Ein derartiges Prisma wird als Prisma nach Dove bezeichnet und läßt sich in den Fällen verwenden, in welchen der in Fig. 1 dargestellte Strahlenteiler 17 nicht zur Anwendung kommen soll.

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Aus den in den Figuren 4B und 4C dargestellten Bewegungen von Gegenstand und Bild ist ersichtlich, daß eine einzige !Prismendrehung eine Doppeldrehung des Bildes in bezug auf den Gegenstand hervorruft.

In Fig. 6 ist die Kopplung der Empfänger 19 und 21 dargestellt, durch welche die Auswirkungen eines "Schlagesⁿ oder einer Exzentrizität der Welle 10 beseitigt werden. Wenn die Welle 10 trotzdem einen Schlag um die Prismenachse Y hervorruft (»iehe Flg. 4B), läßt sich anhand der Fig. 3 ersehen, daß dadurch ein Zählfehler hervorgerufen wird. Dieser fehler läßt sich jedoch ausschalten, da er in bezug auf die sich gegenüberliegenden Abschnitte 29 und 31 der Maske 18 (siehe FIg₄ 3) jeweils positiv und negativ ist. Durch Addition der von den einander zugeordneten Smpfängern 19 und 21 abgegebenen Signale in der Addiervorrichtung 33 und durch Seilen durch 2 in einer Dividiervorrichtung 34 erfolgt eine korrekte digitale Zählung der einzelnen kleinen Winkelverlagerungsbaträge der Welle 10. Diese Zählung kann gespeichert und vermittelt einer Zählvorrichtung 35 dargestellt werden.

Der ntben dem Sektor 32 der zweiten Maske befindliche Empfänger 20 liefert einen Bezugs- oder Fullagenimpuls, der als Rückstellung bezeichnet ist. Somit stellt die Digitalanzeige dtr Zählvorrichtung 35 die gesamte WinktIbtwegung der Well· 10 dar.

Sine Drehung dee Prismas um seine I-Aoheθ hat nahezu keinen Einfluß auf das reflektierte Liohtbünßel und ruft daher keinen Fehler hervor«

Das yon der Lichtquelle 13 abgegebene Licht hat die Abbildung eines Husters durch die Maske 12 zur folge, welches den Strahlenteiler 17 durchläuft und vom Objektiv 16 kollim.iert wird. Das ergibt eine Abbildung nach unendlich, wodurch der Einfluß von !ranslationsbewegungen der reflektierenden Oberflächen des Prismas 11 auf ein MiηInwni herabgesetzt wird· Das durch das Prisma 11 reflektierte Strahlenbündel wird duroh den Strahlenteiler 17 zur Maske 18 umgelenkt und in der Ebene der Maske fokussiert. Die hinter der Maske 13 befindlichen Empfänger 19, 20 und 21 fangen die kodierten Signale auf und liefern in der vorstehend beschriebenen Weise eine Anzeige der Bewegung der Welle 10, Das in dieser Ausführung verwendete Prisma 11 ist ein Porro-Prisma, das ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieokspriema ist, dessen Hypotenusenfläoha die Eigenschaft hat, daß duroh eine Drehung der Wellenaohte um eine Umdrehung ein Bild der Maske 12 in der Ebene der Maske 18 gedreht wird·

Infolge dar Auibiläung der Maske wird nur ein kleiner Abschnitt der Ringe 26 und 27 der Maske benötigt, da di· erste Maske 12 das kodierte Muster um ihren ganzen t&tfang herum aufweist.

Infolgt «der Art und Weite, in welcher das Objektiv 16

innerhalb des Systeme verwendet und von dem Strahlenbündel zweimal durchsetzt wird, bildet es ein vollständig symmetrisches Objektivsystem mit zueinander konjugierten Gegenstandsund Bildflachen. Wieder Konstrukteur von Objektiven weiß, liefert ein derartiges Objektivsystem eine selbsttätige Korrektur bestimmter Abbildungsfehler_t nämlich der Koma» der Verzeichnung und der seitlichen Farbfehler.

Außer einem Forro-Prisma kann auch ein Amici-Prisma verwendet werden. Drehende Prismen dieser Art sind z.B. in Kapitel 13 des militärischen Standardhandbucheβ Mil-Hdbk-141 mit dem Titel "Optical Design" (Optische Konstruktion), veröffentlicht am 5. Oktober 1962 durch U.S.A. Defense Supply Agency ausführlicher beschrieben.

Wit in dem vorstehend genannten Handbuch ebenfalls ausgeführt ist, lassen eich anstelle eines Prismas auch starr befestigte Spiegelanordnungen sur Bilddrehung verwenden.

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Claims

Patentansprüche :

Optische Einrichtung zum Abtasten der Winkelbewegung eines sich um eine vorgegebene Drehachse drehenden Gegenstandes, gekennzeichnet durch eine zur Bilddrehung dienende optische Vorrichtung (11) mit einer vorbestimmten Drehachse, die mit dem sich drehenden Gegenstand (10) gekoppelt werden kann, so daß die beiden Drehachsen zusammenfallen, eine erste, in einem Abstand der optischen Vorrichtung gegenüberliegende Maske (12) mit einem vorbestimmten Kodemuster (21, 24)» eine zur Projektion des Kodemusters auf die optische Vorrichtung dienende Beleuchtungseinrichtung (13» 14)» eine zweite, in einem Abstand der optischen Vorrichtung gegenüberliegende Maske (18) mit einem vorbestimmten Kodemuster (29, 31, 32), welchem das projizierte Muster der ersten Maske überlagert werden kann, so daß hinter der zweiten Maske ein bestimmtes Muster feststellbar ist, wobei die Muster der ersten und der zweiten Maske so ausgebildet sind, daß das feststellbare Muster eine Winkelbewegung des sich drehenden Gegenstandes anzeigt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maske kreisförmig ist.
3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maske einen Kreisring (23) mit einem ersten Kodierungsmuster zur Anzeige von kleinen

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Winkelverlagerungen des sich drehenden Gegenstandes, und ein zu diesem konzentrisches, zweites Kodierungsmuster (24) zur Anzeige wenigstens einer Bezugslage des sich drehenden Gegenstandes aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Maske zwei identische, in bezug auf die zusammenfallenden Achsen um 180° gegeneinander versetzte Abschnitte (29, 31) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den beiden identischen Abschnitten lichtelektrische Empfängervorrichtungen (19_f 20, 21) angeordnet sind, und logische Schaltungsvorrichtungen (33» 34» 35) zur Unterdrückung von Fehlern in den von den Empfängervorrichtungen abgegebenen elektrischen Signalen vorgesehen sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Schaitungsvorrichtungen eine zum Addieren der Signale und zum unterdrücken der Fehler dienende Addiervorrichtung (33) enthalten,
7* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung aus einem Prisma mit Winkeln von 45°, 9ü° und 45° besteht.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7_f dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus einem Porro-Prisma besteht.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung so angeordnet ist, daß das von der ersten Maske projiziertθ Muster in Richtung der ersten Maske zurück reflektiert wird und ein Strahlenteiler (1?) vorgesehen ist, der dazu dient, das reflektiert te Strahlenbündel in Richtung der zweiten Maske abzulenken.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Maske und der optischen Vorrichtung ein Objektiv (16) vorgesehen ist, welches als einziges Objektiv ein symmetrisches Objektivsystem ergibt.
11. Einrichtung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Maske und der optischen Vorrichtung ein zur Kolli nation des von der Maske kommenden Lichtbündels dienendes Objektiv (16) vorgesehen und auf eine Abbildung im unendlichen eingestellt ist.

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