DE2011391B2

DE2011391B2 - Fotoelektrische Einrichtung

Info

Publication number: DE2011391B2
Application number: DE2011391A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 8221 Stein Burkhardt; Hans-Dieter 8221 Fehling Fladee; Ernst Dipl.-Phys. 8224 Chieming Schwefel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1970-03-11
Filing date: 1970-03-11
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2011391C3; DE2011391A1

Description

Die Erfindung betrifft eine fok. elektrische Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist eine fotoelektrische Einrichtung zum Feststellen der Lage von Markierungen bekannt (FR-PS 30 917).

Bei der bekannten Einrichtung wird dabei mittels lichtempfindlicher E'emente die Lage einer Markierung ermittelt wobei innerhalb einer Schwingungsperiode des schwingenden Elementes eine digitale Phasenwinkelmessung erfolgt Der Phasenwinkel wird »Null« bei

w symmetrischer Lage der Markierung zum Spalt Zur digitalen Phasenwinkelmessung werden von einem Meßimpulsgenerator Impulse erzeugt die in einen Vorwärts-Rückwärtszähler eingezählt werden und deren Anzahl durch Zeitintervalle bestimmt wird. Diese

w Zeitintervalle sind dabei durch den einer Phasenlage entsprechenden Abstand zwischen den Flanken des Bezugs- und Markensignals festgelegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fotoelektrische Einrichtung der eingangs genannten Art

eo zu schaffen, mit der in digitaler Messungsauswertung die Lage einer Markierung eindeutig feststellbar ist

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind

W Gegenstand der Unteransprüche. Eine Verwendung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 10.

Die Erfindung wird in Verbindung mit Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine fotoelektrische Einrichtung zum Feststellen der Lage von Markierungen,

Fig.2 eine Signalfolgetafel zu Fig. 1, für einen auf Nullage abgeglichenen Meßvorgang. ί

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine bekannte fotoelektrische Einrichtung 1 zum Einfangen z. B. von Markierungen 2 einer Teilung 3. Die Teilung 3 kann an einem Schlitten 4 befestigt sein, der an einem Bett 5 geführt ist, an dem die fotoelektrische Einrichtung 1 ortsfest angebracht ist In F i g. 1 wird die jeweils einzustellende Markierung 2 durch eine Lampe 6 über Kondensatoren 7 und 8 sowie einen teildurchlässigen Spiegel 9 im Auflicht beleuchtet Objektive 10 und 11 bilden die Markierung2 in die Schwingungsebene eines is schwingenden Elementes 12 ab, das im Auslührungsbeispiel eine beidseitig eingespannte Schwingsaite bekannter Art ist, an der eine Spaltblende 13 befestigt ist Durch die Schwingbewegung der Spaltblende 13 wird der auf ein fotoelektronisches Bauelement 14 fallende Lichtstrom periodisch verändert Die Schwingsaite 12 ist im Feld zweier Magnete 15 ausgespannt Die elektrische Spannung zur Anregung der Schwingsaite k2 wird in einem Sender 17 erzeugt der mit der Schwingsaite 12 über Leitungen 16 und 16, einen geschlossenen Kreis bildet Das über den Ausgang 17 des Anregungssenders 17 angegebene Referenzsignal Sie (Fig.2) sowie das über den Ausgang 19 des fotoelektronischen Bauelements 14 abgegebene Abtastsigna] werden in Verstärkern 20 und 21 verstärkt und über Ausgänge 22 und 23 jo Impulsfonnerstufen (Schmitt-Trigger) 24 und 25 zugeführt, wo sie in Rechtecksignale umgeformt werden. Das am Ausgang 27 der Impulsformerstufe 25 anstehende Signal Sn (Fig.2) und das am Ausgang 26 der Impulsformerstufe 24 anstehende Signal S₂^ (Fig.2) η steuern eine digitale Auswerteeinheit 28, in der eine Phasenwinkelmessung innerhalb einer einzigen Schwingungsperiode der Schwingsaite 12 durchgeführt wird. Dies geschieht durch zwei digitale Zeitmessungen zwischen den Flanken des vom Anregungssender 17 abgenommenen Referenzsignals S₂₇ und den Flanken des vom fotoelektronischen Bauelement 14 gelieferten Abtastsignals 5·».

Die digitale Auswerteeinheit 28 enthält eine Signaltrennstufe 29, in der über eine logische Verknüpfung vom Signal des Referenz-Triggers 25 und Signal-Triggers 24 die beim Vorschwingen und kückschwingen der Saite 12 erzeugten Abtastsignale getrennt und an zwei verschiedenen Kanälen 30 und 31 als »Vorwärtssignal« So(F i g. 2) und »Rückwärtssignal« Sti (F i g. 2) ausgegeben werden. Die Zeitabschnitte, während der das Signal auf die Kanäle 30 bzw. 31 geschaltet ist bestimmen sich nach dem «.eillichen Verlauf des Referenzsignals Szr des Anregungssenders 17.

Die digitale Auswerteeinheit 28 enthält ferner zwei Flip-Flops 32 und 33 zum Festlegen der Zählzeiten für das »Vorwärtszählen« bzw, »Rückwärtszählen« in einem elektronischen Vor-/Rückwärtszähler 34. An die Eingänge des Flip-Flop 32 sind das »Vorwärtssignal« S_x der Trennstufe 29 sowie das Referenzsignal Sn angelegt An die Eingänge des Flip-Flop 33 sind das »Rflckwärtssignai« 5j| sowie das Referenzsignal S27 angelegt. Dem elektronischen Vor-/Rückwärtszähler 34 werden über einen Kanal 35 ständig Impulse /_J5 (Fig. 2) eines Taktgenerators 36 zugeführt, die jedoch nur in μ bestimmten Zeiträumen im Zähler 34 zur Auswertung gelangen. Die Impulse /« werden innerhalb einer Schwingungspei'iode der Saite 12 während eines ersten Zeitraumes vorwärts und während eines zweiten Zeitraumes rückwärts gezählt Der erste Zeitraum ist gleich der Impulsdauer auf der Leitung V, der zweite Zeitraum ist gleich der Impulsdauer auf der Leitung R. Die gewünschte Symmetrielage der einzustellenden Markierung 2 ist dann erreicht, wenn die Anzahl der innerhalb einer Schwingungsperiode im ersten Zeitraum ii (F i g. 2) und im zweiten Zeitraum fc (F i g. 2) im Zähler 34 eingezählten Impulse /35 gleich ist Wie aus F i g. 2 hervorgeht wird der Zählvorgang beim »Vorwärtszählen« mit einer positiven Flanke des Referenzsignals S₂J begonnen und mit einer negativen Flanke des »Vorwärtssignals« S₃₀ beendet Beim »Rückwärtszählen« im Zähler 34 wird der Zählvorgang durch die negative Flanke des Referenzsignals Sa eingeleitet und durch die negative Flanke des »Rückwärtssignals« S_3] beendet

Die digitale Auswerteeinheit 28 enthält ferner einen Löschpulsgenerator 37, der den Vor-/Rückwärtszähler 34 nach jeder Schwingungsperiode der Saite 12 selbsttätig wieder auf den Zählersteid »Nuil« setzt Im Löschpulsgenerator 37 wird über eine logische Verknüpfung von der einem Periodenende nächstliegenden Flanke des »Rückwärtssignals« S31 - das ist in Fig.2 die positive Flanke des Signals 3ji — ein Impuls /38 (F i g. 2> abgeleitet, der über den Kanal 38 den Zähler 34 sowie ein Flip-Flop 39 steuert Beim Auftreten des Impulses /38 wird der Zähler 34 nach jeder Schwingungsperiode der Saite 12 auf »Null« gesetzt Gleichzeitig wird auch das Flip-Flop 39 in Sperricutung gesetzt, so daß die gesetzte, am Zählerausgang 40 anstehende »Null« nicht zur Auswertung gelangt Diese Durchgangssperre für die im Zähler 34 gesetzte »Null« wird nach einigen wenigen im »Vorwärtseingang« des Zählers 34 eingezählten Impulsen /35 des Taktgenerators 36 wieder aufgehoben, und zwar durch einen Impuls über den Ausgang 41 des Zählers 34, der das Flip-Flop 39 — z. B. nach sechzehn im Zähler 34 eingezählten Impulsen /35 — wieder in seine Durchlaßrichtung kippt Am Ausgang 4O| des Flip-Flop 39 wird nur bei jeder gezählten »Null« ein Impuls Ao(F i g. 2) abgegeben.

Im Ausfühmngsbeispiel wird zur digitalen Zeitmessung ein dualer Vor-/Rückwärtszähler 34 verwendet dessen Wert »Null« am Zählerausgang 40 in auscodierter Form vorliegt

Zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten bei der digitalen Auswertung ist eine Auswahlschaltung 42 vorgesehen, die im Zusammenwirken mit einem Flip-Flop 48 Lagewerte dann und nur dann zur Auswertung freigibt, wenn jeweils beim Meßvorgang der Zählerstand »Null« zum ersten Mal erreicht ist Dies ist bei Gleichheit der innerhalb einer Schwingungsperiode der Saite 12 im ersten und zweiten Zeitraum im Vor-ZRückwärtszähler 34 eingezahlten Impulse /35 der Fall. Die Auswahlschaltung 42 ist eine bekannte Schaltung zur ans'ogen Messung des Phasenwinkels zwischen dem Referenzsignal Sn und dem Abtastsignal S» Die Auswahlschaltung 42 enthält einen Integrator 43, der über Signale Sm (F i g. 2) des Ausgangs 44 eines T-Flip-Flop 45 getieuert wird. An die Eingänge 30 und 31 des T-Flip-Flop 45 sind das »Vorwärtssignal« 5» und das »Rückwärtssignal« 531 gelegt. Der Integrator 43 setzt nach jeder Messung durch ein Signal &* (Fig. 2) seines Ausganges 46 das Flip-Flop 48 einer Ausgangsstufe 47 in eine Lage, daß nur die erste im Vor-/Rückwdrtszäh!tr 34 eingezahlte »Null« bzw. nur der erste von Impulsen Ao₁, die am Flip-Flop-Ausgang 4Oi bei jeder gezählten »Null« auftreten, wieder einen

Kippvorgang auslösen kann. Die Meßperiode des Integrators 43 erstreckt sich über mehrere Signalperioden der Schwingsaite 12. Die genannte Ausgangsstufe 47 enthält ferner einen Pulsgenerator 50, der aus einer Flanke des Ausgangssignals Sh(F i g. 2) des Flip-Flop 48 einen Impuls /51 (F i g. 2) erzeugt, der über den Ausgang 51 einem Verstärker 52 zugeführt wird. Impulse am Verstärkerausgang 53, die jeweils nur beim Erreichen der ersten gezählten »Null« auftreten, steuern in F i g. I beispielsweise einen elektrischen Digitaldrucker 54. Beim Auftreten eines Impulses am Verstärkerausgang 53 wird der von einem aus Maßstab 55, Ablesegerät 56 und elektronischen Zähler 57 bestehenden digitalen Meßsystem bekannter Art an dieser Stelle ermittelte Lagewert der zu vermessenden Teilung 3 ausgedruckt.

Die im Ausführungsbeispiel gezeigte fotoelektrische Einrichtung zum Vermessen von Teilungen 3 im kontinuierlichen Durchlauf arbeitet folgendermaßen:

für das »Vorwärtszählen« und »Rückwärtszählen« im Zähler 34 gleich lang, el. h. zählt der Zähler 34 z. B. 1500 Impulse /» vorwärts und danach 1500 Impulse In rückwärts, dann ergibt sich die erste gezählte »Null«, bei der die gewünschte Symmetrielage der Markierung 2 erreicht ist und bei der ein Vorgang ausgelöst wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird z. B. ein Drucker 54 betätigt, der den bei der Symmetrielage der Markierung 2 anstehenden Meßwert des digitalen Meßsystems 55/56/57 ausdruckt.

Bewegt sich die Markierung 2 über die Symmetrielage in gleicher Bewegungsrichtung hinaus, dann wird die Zeit für das »Vorwärtszählen« immer kürzer und die Zeit für das »Rückwärtszählen« der Impulse In im Zähler 34 immer langer, so daß sich bei jedem weiteren Schwingungszyklus der Saite 12 weitere gezählte »Nullen« ergeben. Dies geschieht so lange, bis die Markierung 2 aus dem Gesichtsfeld der fotoelektrischen

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Pfeilrichtung kontinuierlich bewegen. Bevor die Markierung 2 der Teilung 3 auf die einzustellende Nullage einfährt, wird innerhalb einer Schwingungsperiode der Saite 12 die Zeit für das »Vorwärtszählen« im Zähler 34 länger sein als die Zeit für das »Rückwärtszählen« im Zähler 34. d. h. der Zähler 34 zählt z. B. im ersten Zeitraum 2000 Impulse /35 vorwärts und danach im zweiten Zeitraum 1000 Impulse /35 des Taktgenerators 36 rückwärts. Dabei wird der Zählerstand nicht »Null«. Vor der nächsten Schwingungsperiode der Saite 12 wird der Zähler 34 durch einen Impuls des Löschpulsgenerators 37 genullt und gleichzeitig auch das Sperr-Flip-Flop 39 gesetzt, so daß die im Zähler 34 gesetzte »Null« nicht zur Auswertung gelangt. Bei der folgenden Schwingungsperiode der Saite 12 werden wieder Impulse /35 im Zähler 34 eingezählt, wobei nach wenigen Impulsen ly\ — z. B. nach sechzehn im Zähler 34 eingezählten Impulsen /35 — ein über den Zählerausgang 41 abgegebener Impuls das Sperr-Flip-Flop 39 wieder in seine Durchlaßrichtung kippt, so daß eine gezählte »Null« ausgewertet werden kann. Sind bei der zuletzt erwähnten Schwingungsperiode der Saite 12 die Zeiten beschriebene Auswahlschaltung 42 gelangt jedoch nur die erste im Zähler 34 eingezahlte »Null« zur Auswertung, d.h. in Fig. 1 löst nur die erste gezählte »Null« einen Vorgang im Drucker 54 aus, während die folgenden gezählten »Nullen« nicht zur Auswertung gelangen. Erst wenn die nächste der Markierungen 2 wieder in das Gesichtsfeld der fotoclektrischcn Einrichtung 1 hineinfährt, springt der Integrator 43 der Auswahlschaltung 42 nach »logisch 0« (S₄₆ in F i g. 2), um kurz vor der ersten im Zähler 34 eingezahlten »Null« wieder auf »logisch 1« zu springen. Damit ist das Flip-Flop 48 der Ausgangsstufe 4⁷ — das jeweils nur bei der ersten gezählten »Null« kippt — wieder in die richtige Ausgangslage zurückgesetzt, so daß die erste gezählte »Null« zur Auswertung gelangen kann, d. h. bei dieser Symmetrielage der Markierung 2 wieder eine Auslösung des hierbei anliegenden Meßwertes des digitalen Meßsystems 55/56/57 erfolgen kann.

Die zu erfassenden Markierungen können nicht nur Strichmarkierungen, sondern z. B. auch einzelne Windüngen einer Wendel sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fotoelektrische Einrichtung zum Feststellen der Lage von Markierungen mit einem schwingenden Element im Strahlengang, durch das ein auf ein fotoelektronisches Bauelement fallender Lichtstrom periodisch verändert wird, wobei der Ausgang des fotoelektronischen Bauelementes der Erzeugung eines Abtastsignals dient, die Bewegung des schwingenden Elements durch ein Referenzsignal verkörpert ist und innerhalb einer einzigen Schwingungsperiode des letztgenannten Elements mittels einer Trennstufe und eines dieser nachgeschalteten elektronischen Vor-/ROckwärtszähIers — dem von einem Taktgenerator Impulse zugeführt werden — durch zwei Zeitmessungen eine digitale Phasenwinkelmessung erfolgt und die Symmetrielage der einzustellenden Markierungen dann erreicht ist, wenn innerhalb einer Schwingungsperiode im ersten sowie ϊΐη zweiten Zeitraum die im Vor-ZRückwärtszähler eingezahlten impulse glcichzahlig sind, sowie mit einer Anzeigeeinheit, gekennzeichnet durch eine die Anzeigeeinheit steuernde Auswahlschaltung (42) zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten bei der digitalen Auswertung, die Lagewerte dann und nur dann zur Auswertung freigibt, wenn jeweils beim Meßvorgang der Zählerstand »Null« zum ersten f !al erreicht ist.

2. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlschaltung (42) eine Schaltung zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen Referenzsignal (Sn) und Abtastsignal (Sx,) ist.

3. Fotoelektriäche Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da·-/ Schaltmittel (37) vorgesehen sind, die den Vor-/Rückwärtszähler (34) nach jeder Periode des schwingenden Elements (12) selbsttätig auf »Null« setzen.

4. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Rückwärtsbewegung des schwingenden Elements (12), bei der Impulse (V₃₅) des Taktgenerators (36) im »Rückwärtseingang« (R) des Zählers (34) eingehen, von einer Flanke des Abtastsignals (S») ein Impuls abgeleitet wird, der den VorVRückwärtszähler (34) nach jeder Schwingungsperiode selbsttätig auf den Zählerstand »Null« setzt

5. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (39) vorgesehen sind, die bewirken, daß beim Setzen des Wertes »Null« im Vor-/Rückwärtszähler (34) die gesetzte »Null« nicht zur Auswertung gelangt.

6. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangssperre für die gesetzte »Null« nach einigen wenigen im »Vorwärtseingang« (V) des Vor-/Rückwärt$zählers (34) eingezählten Impulsen (fa) des Taktgenerators (36) wieder aufgehoben wird.

7. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Zeitmessung ein dualer Vor-/Rückwärtszähler (34) verwendet wird, dessen Wert »Null« auscodiert ist.

8. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Löschpulsgcnerator (37) vorgesehen ist, in dem über eine logische Verknüpfung von der dem Periodenendc nächst liegenden Flanke des η Rückwärtssignals« (Si\) der Trennstufe (29) ein Impuls fa) abgeleitet wird, der den Vor-ZRückwärtszähler (34) nach jeder Schwingungsperiode auf »Null« setzt und der gleichzeitig auch ein Flip-Flop (39) in Sperrichtung setzt, so daß der gesetzte, am Zählerausgang (40) anstehende Wert »Null« über das Flip-Flop (39) nicht zur Auswertung gelangt und daß erst nach einigen wenigen im »Vorwärtseingang« (V) des Zählers (34) eingezählten Impulsen f/35) ein Impuls vom Zähler (34) an das Flip-Flop (39) abgegeben wird, der es wieder in seine Durchlaßrichtung kippt.

9. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 8 oder einem vorherigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (40)) des Sperr-Flip-Flop (39) an -. den Eingang eines weiteren Flip-Flop (48) gelegt ist, das von einem Integrator (43) gesteuert wird, der nach jeder Messung das Flip-Flop (48) in eine Lage setzt daß nur die erste im Vor-/Rückwärtszähler (34) eingezählte »Null« wieder einen Kippvorgang auslösen und somit zur Auswertung gelangen kann, und daß ferner der Integrator (43) über ein Flip-Flop (45) gesteuert wird, an dessen Eingänge (30 und 31) das ->Vorwärtssignal« (Ssb) und »Rückwärtssignal« (S₃\) der Trennstufe (29) gelegt sind.

10. Verwendung der fotoelektrischen Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9 zur automatischen Vermessung von Teilungen (3) im kontinuierlichen Durchlauf unter Zuhilfenahme eines gesonderten digitalen Meßsystems (55/56/57) zum Feststellen des jeweili-

M gen Verschiebeweges der Teilung (3X wobei der jeweilige vom genannten Meßsystem (55/56/57) gelieferte Meßwert bei Gleichheit der innerhalb einer Schwingungsperiode im ersten und zweiten Zeitraum im Vor-ZRückwärtszähler (34) eingezähl ten Impulse (I35) abberufen wird.