DE2002891A1 - Winkelmesseinrichtung - Google Patents

Description

• Vilnjussky Filial Experimentalnogo Nauchno-Issledovatelskogo Instituta Metallorezhuschikh Stankov WINKELMESSEINRICHTUNG Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik, insbesondere auf Winkelmeßeinrichtungen, und kann zur Interpolation und Kontrolle von mit Teilmarken ausgeführten lWaßstäben und insbesondere zur Interpolation und Kontrolle von Instrumentkonstanten Anwendung finden.
• Es sind Winkelmeßeinrichtungen bekannt, die einen optischen Geber aufweisen, der auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Kreislichtquelle und Kreisskalen besitzt. Dieser optische Geber ist mit Piio t; oolektronenv erv ielfacherri verbunden, deren Ausgänge mit entsprecehende Eingängen einer elektronischen Meßeinheit (siehe z.B. USA-Patentschrift "Winkelmeßeinrichtung" K1. 318-32 Nr. 3040222) gekoppelt sind.
• Die bekannte Einrichtung ist aber mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Z.B. wird eine zusätliche Drehung von Kreisskalen zur Unterbrechung des Lichtstromes und Mittelwertbildung angewendet, was deshalb nachteilig ist, da dieses zu einer komplizierteren Konstruktion führt, den Raumbedarf erhöht, Vibration hervorruft sowie den Dynamikmeßbereich (besonders bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten) vermindert, weil man die Trägerfrequenz und die parasitäre Drehfrequenz aussieben mul3, und eine kompliziertere elektrische Schaltung der Einrichtung erfordert.
• Außerdem erfordem die Skalen komplizeirter Form fertigungstechnisch einen größeren Arbeitsaufwand und sind weniger wirtschaftlich als die einfachen flachen Skalen mit an der Stirnseite angebrachten Teilstrichen.
• Die Basisoberflächen der Skalen müssen sehr präzise hergestellt werden, da das Zusammenfügen der Skalen fertigungstechnisch kompliziert und für die Variante, wenn die Randteile der Scheiben zwecks Reflexion der Lichtstrahlen an ihnen unter einem Winkel von 45° abgeschrägt sind, unmÖglich ist.
• Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der obengenannten Nachteile.
• Der erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Sinrichtung zu schaffen, die eine höhere Ablesegenauigkeit von Winkeln sicherstellte.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Winkelmaßeinrichtung, in der ein optischer Geber auf gemeinsamer Achse einen Reflektor, eine Lichtquelle und Kreisskalen aufweist und über einen Photoelektronenvielfacher mit einer elektronischen ,uit einem Anzeigegerät ausgestatteten Meßeinneit verbunden ist, der Reflektor erfindungsgemäß als ein Satz Spiegel, von denen der eine einen Kreisspiegel und der andere einen kegelförmigen innerhalb des ersten angeordneten Spiegel darstellt, wobei die Achsen der angegebenen Spiegel mit der gemeinsamen Achse zusammenfallen, ausgebildet ist, und als Lichtquelle eine kreisförmige Impulslampe für die ;lodulation des Bezugssignals und des dem laufenden Wert des abzulesenden Winkels entsprechenden Signalen, die in die elektronische, eine Vergleichsschaltung für diese Signale aufweisende Meßeinheit eintreffen, angewendet ist.
• Der optische Geber kann mit Blenden ausgestattet werden, die man gleichzeitig zwischen dem Reflektor und den Kreisskalen, zwischen den Kreisskalen und der Kreisimpulslampe sowie zwischen dem Photoelektronenvervielfacher und der kreisförmigen Impulslampe anordnen kann, wobei die Achsen dieser Blenden den in / ersten zwei Fällen mit der gemeinsamen Achse und im letzteren Fall mit der Achse des Photoelektronenvervielfachers zusammenfallen müssen. beine Blende kann nur in einer der angegebenen Stellungen eingesetzt werden.
• Es ist zweckmäßig, die elektronische Meßeinheit mit einem Differenzverstärker auszustatten, dessen jeder Eingang über einen Gleichrichter und einen mit diesem in iteihe liegenden Katodenfolger mit dem entsprechenden Photoelektronenvervielfacher verbunden ist , und dessen Ausgang an das angegebene Anzeigerät angeschlossen ist.
• Die elektronische Meßeinheit kann mit einem Umschalter der Winkelmeßbereiche versehen werden.
• Es ist zweckmäßig, als Reflektor einen Lichtleiter anzuwenden, der eine Scheibenform mit kegelförmig-sphärischer seitlicher Oberfläche aufweist, wobei in der Scheibenmitte ein kegelförmiger bzw. sphärischer Ausschnitt ausgeführt ist.
• Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel an ffand der beigelegten Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeiten Fig. 1 schematische Darstellung der Winkelmeßeinrichtung nach der Erfindung und Fig. 2 Lichtleiter der Einrichtung nach der Erfindung.
• Die Winkelmeßeinrichtung enthält den optischen Geber I und die elektronische Meßeinheit II. fler optische Geber I besitzt als Lichtquelle eine kreisförmige Impulslampe 1, sowie Blenden 2,3 und 4, wei Kreisskalen 5 und 6, Reflektor 7 und die Photovervielfacher 8 und 9.
• Die kreisförmige Impulslampe 1, die beispielsweise mit Argon oder vuerksilber gefüllt sein kann, ist mit der elektronischen Meßeinheit II verbunden. Die Kreisskalen 5 und 6 enthalten undurchsichtige Rasterelemente (Striche) mit einer Breite, die gleich dem halben Schritt zwischen den Rasterelementen ist. Die Blende 2 kann beispielsweise als eine Platte mit einer Bohrung ausgebildet und zwischen der kreisSörmigen Impulslampe 1 und dem Photoelektronenviervelfacher 8 angeordnet sein. Die Blenden 3 und 4, von denen jede aus zwei ringförmigen, konzentrisch angeordneten scheiben besteht, befinden sich zwischen der kreisförmigen Impulslampe 1 und der Kreisskala 5 bzw. zwischen der Skala 6 und dem Reflektor 7.
• Die Achsen der Blenden 3 und 4 müssen mit der gemeinsamen Achse zusammenfallen. Es können entweder sämtliche Blenden 2,3 und 4 in den angegebenen Stellungen gleichzeitig, oder nur die Blenden 3 und 4 bzw. nur die Blende 3 oder 4 im opti den schen Geber I an zugehörigen Stellen eingesetzt werden.
• Der Reflektor 7 kann als ein Satz Spiegel ausgebildet werden, von denen der eine Spiegel 10 einen Kreisspiegel und der andere Spiegel 11 einen kegelförmigen innerhalb des Kreisspiegels 10 angeordneten Spiegel darstellt, wobei die Achsen der Spiegel 10 und 11 mit der gemeinsamen Achse des optischen Gebers I zusammenfallen. Der Reflektor 7 kann ebenfalls als ein Lichtleiter 12 ausgeführt werden, der in der Form einer Scheibe mit kegelförmig-sphärischer seitlicher Oberfläche 13 ausgebildet ist, wobei in der Mitte der Scheibe der Ausschnitt 17 mit einer kegelförmigen und spärischer Oberfläche vorgesehen ist. Die reflektierten Pberflächen 1@ @ l licht letters 12 und seine untere Stirnseite 15 mit Ausnahme des Ringes 16, der der Projektion der Blende 4 alif die Stirnseite 15 des Lichtleiters 12 entspricht, sind mit einer Schicht rückstrahlenden Materials (z.B. Silber) bedeckt.
• Der Photoelektronenvervielfacher 8 ist unmittelbar an der Blende 2 und der Photoelektronenvervielfacher 9 über dem kegelförmigen Spiegel 11 des Reflektors 7 angeordnet. Bei der Anwendung des Lichtleiters 12 wird der Photovervielfacher 9 über dem Ausschnitt 17 angeordnet.
• Die Photoelektronenvervielfacher 8 und 9 sind an die elektronische Meßeinheit II angeschlossen.
• Die elektronische Meßeinheit II ist als eine Vergleichsschaltung ausgeführt und enthält die Katodenfolger 18 und 19, an deren Eingänge Photoelektronenvervielfacher o und 9 und deren Ausgänge an die Eingänge der Amplitudendetektoren 20 und 21 angeschlossen sind. Die Amplitudendetektoren 20 und 21 sind mit entsprechenden Eingängen des Vergleichsverstärkers 22 verbunden, an dessen Ausgang das Anzeigegerät 23, z.B. ein Zeigergerät für die Winkelablesung, und ein automatischer Schalter 24 der Winkelmeßbereiche angeschlossen sind.
• Parallel zum Winkelanzeigegerät 23 oder statt dessen kann eine Einieit für die automatische Datenaufzeichnung eingesetzt werden ( nicht dargestellt).
• In der elektronischen Meßeinheit II befindet sich obenfalls ein Impulsgenerator 25 für die Speisung der kreisförmigen Impulslampe 1, der mit der letzteren über einen Leistungsverst@rker 2 verbunden ist.
• Die Winkelmeßeinrichtung funktioniert fogenderweise.
• Eine impulsförmige Spannung mit einem großen Impulspausenverhältnis wird vom Impulsgenerator 25 über den Leistungsverstärker an die kreisförmige Iinpulslampe 1 gegeben. Die Zündzeit der kreisförmigen Impulslampe 1 ist der Impulsdauer ihrer Speisespannung gleich.
• Das Licht gelangt von der Impulslampe 1 an einer Seite über die Blende 2 an den Photoelektronenvervielfacher 8 und an der anderen Seite über die Blende 3, durchsichtige Teile der Kreisskalen 6 und 5, Blende 4 vom Reflektor 7 an den Photoclektronenvervielfacher 9. Die impulsförmi6'e Ausgangsspannung des Photoelektronenvervielfachers 8 dient als Bezugsspannung.
• Die Amplitude der impulsförmigen Ausgangsspannung des Photo elektronenverv ielfachers 9 hängt von der Licht stärke der kreisförmigen Impulslampe 1 und der gegenseitigen Anordnung der @reisskalen 5 und 6 ab. Beim Zusammenfallen der Rasterelemente (triche ) der Kreisskalen 5 und 6 ist die Größe des auf den Photoelektronenvervielfacher 9 einfallenden Lichtstromes und folglich die Amplitude der impulsartigen Ausgangsspannung maximal.
• Uberdecken aber die Rasterelemente der Kreisskala 6 bei der Drenung die hellen Arjsciinitte der Kreisskala 5, so ist die Größe des auf den Photovervielfacher 9 einfallenden Lichtstromes und somit die impulsförmige Ausgangsspannung des Photovervielfachers minimal.
• In der Mittelstellung verdecken die Rasterelemente der Kreisskala 5 bis zur Hölfte die hellen Abschnitte der Kreisskala 5. In diesem Fall hat der auf den Photoelektronvervielfacher 9 fallende: Lichtstrom und somit die Amplitude der impulsförmigen Ausgangsspannung des Photoelektronenvervielfachers 9 einen mittleren Wert. Die Amplitude der impulsartigen Ausgangsspannung des Phot ov ervielf achers 8 ist konstant und gleich dem mittleren Amplitudenwert der impulsförmigen Ausgangsspannung des Photoelektronenvervielfachers 9.
• Die impulsförmige Ausgangsspannung des Photoelektronenvervielfachers 9 entspricht dem laufenden Wert des abzulesenden Winkels.
• Beide Spannungen gelangen über die Katodenfolger 18 und 19 an die Amplitudendetektoren 20 und 21, wo sie gleichgerich tet, gesiebt und an die Eingänge des Vergleichsverstärkers 22 weitergeführt werden.
• Im Vergleichsverstärker 22 wird die Amplitude der Spannung des Bezugssignals und die der dem laufenden Nert des abzulesenden Winkels entsprechenden Spannung verglichen.
• Die Ausgangsspannung des Vergleichsverstärkers 22 entspricht der Abweichung des laufenden Wertes des abzulesenden Winkels von seinem Mittelwert je ein Ableseschritt. In diesem Fall ist der Ableseschritt gleich dem halben Schritt zwischen den Rasterelementen (Strichen).
• Dabei ist zu bemerken, daß die Ausgangsspannung des Verglei,chverstärkers 22 unabhängig von der Instabilität der Speisespannung und dem Leuchten der Lampe ist.
• 3ei geringen Winkelbewegungen der Kreisskala 6 bezüglich der Skala 5 wird die Ablesung an der genauen Skala des Anzeigegerates 23 durchgeführt und bei Bewegungen, deren Größe den Nennwert der genauen Skala überschreitet, wird der automatische Schalter 24 der Winkelmeßbereiche, der beispielsweise als ein Stromrelais ausgeführt sein kann, den Eingang des Anzeigegerätes 23 kurzschließen, und die Ablesung wird an der groben Skala vorgenommen.
• Die Winkelmeßeinrichtung nach der Erfindung ermöglicht die genaue Ablesung von beliebigen Wineln in Jedem halben Schritt der Skala des optischen Gebers sowie der Abweichung von ihrem Mittelwert, indem man mit einer geringeren Genauigkeit hergestellte Skalen benutzt. Im Versuchsmuster der Einrichtung wurden die Kreisskalen mit einem Teilstrichwert von 6+10 Wülkelsekunden angewendet. Mit diesem Muster wurden folgende Kennwerte festgestellt: die empfindlichste Skala des Indikatorgebers entsprach den Drehwinkeln der Kreisskala um + 1 Winkelsekunde; Auflösungsvermögen 0,04 Winkelsekunden; maximaler aufgespeicherter Fehler nicht über 0,5 Winkelsekunden.
• Raumbedarf: höhe 120 mm, Durchmesser 112 mm bei einer Teilstrichzahl der Kreisskala von 4320 und 230 mm bei einer Teilstrichzahl von 21600.

Claims (8)

PATENTAN-SPRUCHE:

1. Winkelmeßeinrichtung mit einem optischen Geber, der auf gemeinsamer Achse einen Reflektor, eine Lichtder quelle und Kreisskalen aufweist undvüber einen Photoelektroneneiner vervielfacher mit / elektronischen mit einem Anzeigegerät ausgestatteten Meßeinheit verbunden ist, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t-, daß der Reflektor (7) als ein Satz Spiegel, von denen der eine (10) einen Kreispiegel und der andere (11) einen kegelförmigen innerhalb des ersten angeordneten Spiegel darstellt, wobei die Achsen dieser Spiegel mit der gemeinsamen Achse zusammenfallen, ausgebildet ist, und als Lichtquelle eine kreisförmige Impulslampe (1) für die Modulation des Bezugssignals und des dem laufenden Wert des abzulesenden Winkels entsprechenden Signals, die in die elektronische, eine Vergleichsschaltung für diese Signale aufweisende Meßeinheit (II) eintreffen, angewendet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g k e n n z e i c h n e t, daß sie eine Blende (4) zwischen dem Reflektor (7) und den Kreisskalen (5 und 6) aufweist, deren Achse mit der gemeinsamen Achse zusammenfällt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß sie eine zwischen der kreisförmigen Impulslampe (I) und den Kreisskalen (5 und 6) anordnete Blende (3) aufweist, deren Achse mit der gemeinsamen Achse zusammenfajit.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da sie eine zwischen dem Photoelekrtonvervielfacher (8) und der kreisförmigen Impulslampe (1) angeordnete Blende (2) aufweist, deren Achse mit der Achse des Photoelekrtonvervielfachers zusammenfallt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h b e k e n ii z e i c h n e t , da.S die vergleichsschaltung der elektronischen Meßeinheit (11) mit einem Differenzverstarker (22) auisgestattet ist, dessed jeder Eingang uber einen Amplitudendemodulator (20 und 21) und einen mit diesem in @eine liegenden zatodentolger (18 und 19) mit dem entsprechenden Photoelektronenvervielfacher (8 und ,j verbunden ist, und dessen Ausgang an das erwihnte Anzeigegerät (23) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß, die elektronische Meßeinheit (II) mit einem Umschalter (24) der Winkelmeßbereiche ausgestattet ist, deseen Eingang an den Ausgang des @iliorenverstarkers (22) angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h ein g e k e n n z e i c h n e t,daß in dieser als Reflektor (7) Lichtleiter (12) angewendet ist.

8. Einrichtung nach Ansprich 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Lichtleiter (12) als eine Scheibe mit kegelförmig-sphärischer seitlicher Oberfläche ausgebildet ist, wobei diese Scheibe in der Mitte einen Ausschnitt (17) mit kegelförmiger bzw. sphärischer Oberfläche aufweist.