DE2144835B2 - Elektroopü'scher Winkel-Messwertgeber - Google Patents
Elektroopü'scher Winkel-MesswertgeberInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Winkelstellung eines rotierenden Körpers,
insbesondere für die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen, welche eine Lichtquelle, min-
destens zwei Polarisatoren, einen das Lichtbündel in zwei Teilbündel teilenden Strahlteiler und eine Photoelektronik
umfaßt, und bei welcher einer der zwei Polarisatoren mit der Drehachse des Körpers verbunden
ist und das Lichtbündel aus der Lichtquelle nach dem Durchtritt durch die Polarisatoren und den
Strahlteiler der Photoelektronik zugeführt wird.
Die Messung der Winkelstellung rotierender Körper ist besonders bei der numerischen Steuerung von
Werkzeugmaschinen von Bedeutung. Unter den vie-
len bekannten Systemen (vgl. z.B. Simon, »Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen«,
C. Hanser Verlag, München, 1963) haben sich vorzugsweise die fotoelektrischen durchgesetzt, die digital-inkremental
oder digital-absolut mittels geteilter oder codierter Scheiben arbeiten, welche mit der
Drehachse des rotierenden Körpers fest verbunden sind.
Die genannten Scheiben weisen die Nachteile auf, daß sie teuer in der Herstellung und empfindlich in
der Handhabung und gegen Verschmutzung sind, ferner daß sie Einbauvorrichtungen mit sehr engen
Toleranzen benötigen und sich nicht zur Miniaturisierung eignen.
Eine andere Lösungsmöglichkeit zur Messung der Winkelstellung rotierender Körper ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 623 858 bekannt. Bei dem bekannten Gerät wird paralleles, elliptisch polarisiertes, bezüglich seines Polarisationszustandes mittels Pokkelszellen u. dgl. moduliertes Licht auf einen mit der Drehachse des rotierenden Körpers verbundenen Polarisator geworfen, an einem Spiegel reflektiert und in einen photoelektrischen Detektor gelenkt, wo dann ein Signal entsteht, das über ein Filter in ein
Eine andere Lösungsmöglichkeit zur Messung der Winkelstellung rotierender Körper ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 623 858 bekannt. Bei dem bekannten Gerät wird paralleles, elliptisch polarisiertes, bezüglich seines Polarisationszustandes mittels Pokkelszellen u. dgl. moduliertes Licht auf einen mit der Drehachse des rotierenden Körpers verbundenen Polarisator geworfen, an einem Spiegel reflektiert und in einen photoelektrischen Detektor gelenkt, wo dann ein Signal entsteht, das über ein Filter in ein
Jutzsignal umgesetzt wird. Dieses Nutzsignal wird in
;inem digitalen Zeitintervallzähler mit einem die Pockelszellen treibenden Referenzsignal der Frequenz
ω = 2 π / verglichen. Aus der zeitlichen Verzögerung At des Nutzsignals gegenüber dem Referenzsignal
wird dann auf die Winkelstellung des rotierenden Körpers geschlossen.
Bei einer anderen Ausführungsform des bekannten Gerätes wird mittels eines rotierenden PolarLators
ein linearpolarisiertes Lichtbündel mit rotierender Polarisatkjosrichtung erzeugt, und dieses Lichtbündel
nach Durchtritt durch einen Strahlteiler und ein mit der Drehachse des rotierenden Körpers verbundenes
Polarisationsfilter auf Photodetektoren gelenkt.
An dem bekannten Gerät ist nachteilig, daß die Trägerfrequenz des Nutzsignals durch elektrisch angesteuerte
Pockelszellen oder einen rotierenden Polarisator erzeugt wird und Instabilitäten dieser frequenzbestimmenden
Elemente unmittelbar verfälschend in das Meßergebnis eingehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Lösungen zu btheben.
Die Aufgabe wird mit einer eingangs genannten Einrichtung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß
das Lichtbündel zuerst den mit der Drehachse des Körpers verbundenen Polarisator, und dann den das
Lichtbündel in zwei Teilbündel gleicher Intensität teilenden Strahlteiler durchtritt, und im Gang jedes
der beiden Teilbündel hinter dem Strahlteiler ein als Analysator wirkender weiterer Polarisator τ Orgesehen
ist, und daß die Durchlaßrichtungen dieser beiden Polarisatoren zueinander um einen Winkel
von .- geneigt sind.
Das Lichtbündel ist zunächst unpolarisiert oder zirkulär polarisiert. Es wird durch den ersten Polarisator
linear polarisiert, und seine Schwingungsrichtung dreht sich dann in dem gleichen Maß wie der
rotierende Körper. Die Schwingungsrichtung wird dann in bekannter Weise über die Analysatoren in
eine Modulation der Lichtintensität umgesetzt, die in bekannter Weise photoelektrisch detektiert wird.
Durch die Aufspaltung des mit der Drehachse rotierend linear polarisierten Lichtbündels und Analyse
der Teilbündel mittels der um ~ zueinander geneigten Analjsatoren auf den Photodetektoren der
Photoelektronik entstehen elektrische Signale, die zur störungsfreien Rückgewinnung der die Winkelstellung
des rotierenden Körpers beinhaltenden Information mittels der weiter unten näher dargestellten Elektronik
besonders gut geeignet sind. Für die Meßgenauigkeit der Einrichtung nach der Erfindung ist dabei
von Bedeutung, daß die Trägerfrequenz rein elektronisch erzeugt und in das Nutzsignal eingeführt
wird, wodurch das Meßergebnis verfälschende Instabilitäten praktisch ausgeschaltet sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Figuren erläutert.
Hierbei zeigt
F i g. 1 eine Ausführungsart, bei welcher das Lichtbündel den rotierenden Polarisator durchtritt und in
zwei Teilbündel aufgespalten wird, welche durch jeweils einen Analysator mit nachfolgendem fotoelektrischem
Element auf ihre Schwingungsrichtung analysiert werden,
F i g. 2 eine Ausführungsari, bei welcher der Polarisator
auf dem verspiegelten Ende einer rotierenden Welle angebracht ist,
Fig. 3 eine Ausführungsart wie in Fig. 1, jedoch
mit dam Unterschied, daß die Analysatoren im Gang
der Teilbündel als orthogonal polarisierende Strahlteiler ausgebildet sind,
F i g. 4 eine besondere Ausrührungsart eines Eingangskanals
der Fotoelektronik zur Verwendung
ίο mit einer Ausführungsart wie in F i g. 3 und
Fig. 5 eine letzte Ausführungsart, wobei das den
Polarisator durchtretende Lichtbündel wie in F i g. 1 mittels zweier Analysatoren analysiert wird, jedoch
ein Strahlteiler vermieden wird.
In F i g. 1 ist eine Lichtquelle 1 dargestellt, welche ein Lichtbündel 2 aussendet, das mittels einer Linse 3
koUimiert wird. Die Lichtquelle sendet unpolarisiertes oder zirkulär polarisiertes Licht aus. Sie kann eine
Spektrallampe, gefilterte oder ungefilterte Glüh-
lampe oder eine andere thermische Lichtquelle sein. Sie kann insbesondere auch eine Lumineszenzdiode
sein.
Das Lichtbündel 2 durchtritt dann den Polarisator 4, der mit der Drehachse 5 des rotierenden Körpers 6
(F i g. 2), z. B. der Zugspindel eines Maschinenschlittens, verbunden ist. Die Winkelstellung seiner Durchlaßrichtung
ist ein Maß für die Winkelstellung des rotierenden Körpers. Der Polarisator 4 kann z. B. ein
Glan-Thompsün-Prisma oder auch ein Polarisations-
filter sein (vergleiche z.B. F. Kohlrausch,
»Praktische Physik«, Bd. 1, 20. Auflage, S. 599 ff.).
Nach dem Durchtritt durch den Polarisator 4 wird
das Lichtbündel 2 in einem nicht polarisierenden Strahlteiler 7 in zwei Teilbündel 8, 9 gleicher Intensität
aufgespalten. Die Teilbündel 8, 9 durchtreten dann je einen Analysator 10 bzw. 11, hinter denen
mittels Linsen 12, 13 die Lichtbündel 8 bzw. 9 auf die fotoelektrischen Elemente, z. B. Fotodioden, 14,
15 der Fotoelektronik konzentriert werden.
Die Durchlaßrichtungen der Analysatoren 10, 11
sind um einen Winkel von . gegeneinander geneigt.
Dadurch ergeben sich an den fotoelektrischen Elementen 14,15 elektrische Signale der Form
S1 = J0(I +cos20)
S1 = J0(I +cos20)
und
S2 = so C1 + s*n 2 φ)'
wobei Φ der Drehwinkel des Polarisators 4 bzw. des rotierenden Körpers 6 ist. Diese Signale stehen zuein-
ander in Quadratur und können in bekannter Weise störungsarm übertragen und dann slektronisch derart
ausgewertet werden, daß sich eine zu Φ proportionale elektrische Spannung ergibt. Die Fotoelektronik
kann z.B. wie in »Laser Focus Magazine«, Mai 1970, S. 36, Fig. 3 oder S. 37, Fig. 7 oder wie in
der deutschen Offenlegungsschrift 1 698 279, F i g. 4 ausgebildet sein.
Die Intensität des Lichtbündels 2 ist auch hinter dem Polarisator 4 stets gleich groß, d. h. von der
jeweiligen Winkelstellung des Polarisators 4 unabhängig, da es vor dem Polarisator 4 unpolarisiert
oder zirkulär polarisiert ist.
Eine für die Praxis besonders gut geeignete Ausführungsart ist in F i g. 2 dargestellt. Hier ist der Po-
larisator 4 fest auf einen mit einem Spiegel 17 versehenen Teil des rotierenden Körpers 6 angebracht.
Das Lichtbündel 2 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 16 in den Polarisator 4 eingestrahlt, am Spie-
gel 17 reflektiert und ein zweites Mal durch den Polarisator
4 geschickt. Dann wird es wie in F i g. 1 in zwei Teilbündel 8 und 9 gespalten und analysiert und
fotoelektronisch ausgewertet. In der dargestellten Ausführungsform kann der Polarisator 4 auf einer
undurchsichtigen Achse angebracht werden.
Der Spiegel 17 kann entfallen, wenn man statt des bisher stets als in Transmission arbeitend angenommenen
Polarisators 4 einen in Reflexion arbeitenden Polarisator verwendet (vgl. z.B. R. Ki ng slake,
»Applied Optics and Optical Engineering«, S. 331,
für Ultrarotstrahlung).
In Fig. 3 sind die Analysatoren 10, 11 der Fig. 1
als polarisierende Strahlteiler 10', 11' ausgebildet. Diese polarisierenden Strahlteiler 10', 11' zerlegen
die Teilbündel 8, 9 in jeweils zwei weitere, senkrecht zueinander schwingende TeilbUndel 18, 18* und 19,
19* jeweils gleicher Intensität. Die polarisierenden Strahlteiler 10', 11' können z. B. Wollaston-Prismen
(vgl. z. B. F. K ο h 1 r a u s c h, a. a. ο.) sein. Wie die
Durchlaßrichtungen der Analysatoren 10, 11 in F i g. 1 sind auch die sich entsprechenden Durchlaßrichtungen
der polarisierenden Strahlteiler 10', 11' gegeneinander um einen Winkel von * geneigt. In
den die TeUbündel 18, 18*, 19, 19* detektierenden fotoelektrischen Elementen 20, 20*. 21, 21* der
(nicht gezeichneten, weil bekannten) Fotoelektronik entstehen dann elektrische Signale J1, st*, s2, s2* wie
dargestellt. Mit diesen Signalen kann die Fotoelektronik in bekannt r Weise im Gegentakt arbeiten, wodurch
ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird.
In F i g. 4 ist ein im Gegentakt arbeitender Kanal der Fotoelektronik ausgeführt dargestellt, bei welchem
gleichzeitig noch eine Regelung des Signalpegels vorgesehen ist. Der Kanal ist an die fotoelektrischen
Elemente 20, 20* der F i g. 3 angeschlossen zu denken. Ein identischer, nicht gezeichneter Kanal
wäre an die fotoelektrischen Elemente 21, 21* anzuschließen.
!n dem dargestellten Kanal werden die elektrischen Signalei, und S1* von den fotoelektrischen !lementen
20 und 20* zu den Verstärkern 22 und 22* mit steuerbarer Verstärkung geleitet. An deren Ausgängen
ist jeweils eine Abzweigung zu einem Addierglied
23 vorgesehen, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 24 verbunden ist.
An dem anderen Eingang des Differenzverstärkers
24 liegt ein Festpotential 2 S0. Ändert sich der Signalpegel
der Größe 2s0 in den Signalen S1 und J1* beispielsweise
wegen Alterungseffekten der Dioden 20, 20* oder der Verstärker 22, 22*, so wird vom Differenzverstärker
24 den Steuereingängen der Verstärker 22, 22* ein Fehlersignal zugeführt, das den Signalpegel
am Ausgang der Verstärker 22, 22* wieder auf den ursprünglichen Wert zurückführt. Diese Regelung
ist deshalb möglich, weil, wie oben erwähnt, der totale Lichtfluß in den Teilbündeln 8, 9 unabhängig
von der Winkelstellung Φ des Polarisators 4 ist. Dann
ίο muß die Summe der Fotoströme aus einem Diodenpaar
20, 20* bzw. 21, 21* ebenfalls konstant sein.
Damit sich Alterungseffekte u. dgl. bei den beiden Dioden bzw. Verstärkern eines Paares gleichmäßig
ausbilden, sind die Dioden- bzw. Verstärkerpaare 20/20* bzw. 22/22* vorzugsweise als monolithische
Halbleiterbausteine ausgebildet.
Zwecks Miniaturisierung ist es von Vorteil, die vorerwähnten Halbleiterbausteine zusammen mit dem
Addierglied 23 und dem Differenzverstärker 24 als
:io integriertes Bauteil auszubilden.
Die pegelstabilisierten Signale S1 und S1* (bzw.
entsprechend v2 und i8*) werden in einem Subtraktionsglied
25 voneinander subtrahiert, wodurch sich ein Signal 2sfl cos 2Φ (bzw. Is0 sin 2Φ) ergibt. Diese
»5 Signale können in der aus den obengenannten Publikationen bekannten Weise bezüglich der Größe Φ
elektronisch ausgewertet werden.
Durch die Strahlteiler 7 in den F i g. 1 bis 3 können störende Polarisationseffekte erzeugt werden
Solche werden in der Ausführungsart gemäß Fig. <
vermieden. Dort sind in dem Lichtbündel 2 hintei dem rotierenden Polarisator 4 nebeneinander auf dei
optischen Achse /wei Analysatoren 26 und 25 an
geordnet, deren Durchlaßrichtungen gegeneinandei
um * geneigt sind. Dadurch ergeben sich hintei der
Analysatoren 26, 26 Tei'bündel 28, 28, die wie die
Teilbündel 8, 9 der F i g. 1 bis 3 entsprechend dei Winkelstellung Φ de>
Polarisator* 4 iniensitätsmoduliert sind. Die Teilbündel 28, 28 werden mittels Linsen
27, 27 auf die fotoelektrischen Elemente 29, 2? der nicht gezeichneten Fotoelektronik konzentriert
und wie oben beschrieben weiter verarbeitet.
Die Vorteile der Erfindung insbesondere bei dei Anwendung in numerischen Werkzeugmaschinensteuerungen liegen darin, daß eine Miniaturisierung
leicht möglich ist, die mechanischen Toleranzen wenig kritisch sind, als Folge dieser zwei Vorteile eine
betriebssichere Konstruktion für rauhen Betrieb mög lieh ist, und schließlich der Preis der ganzen Einrichtung
mäßig ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
,■^&mm
Claims (9)
1. Einrichtung zum Messen der Winkelstellung eines rotierenden Körpers, insbesondere für die
numerierte Steuerung von Werkzeugmaschinen, welche eine Lichtquelle, mindestens zwei Polarisatoren,
einen das Lichtbündel in zwei Teilbündel teilenden Strahlleiter und eine Photoelektronik
umfaßt, und bei welcher einer der zwei Polarisatoren mit der Drehachse des Körpers verbunden
ist und das Lichtbündel aus der Lichtquelle nach dem Durchtritt durch die Polarisatoren und
den Strahlteiler der Photoelektronik zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das
Lichtbündel (2) zuerst den mit der Drehachse (5) des Körpers (6) verbundenen Polarisator (4),
und dann den das Lichtbündel (2) in zwei Teilbündel (8, 9) gleicher Intensität teilenden Strahlteiler (7) durchtritt, und im Gang jedes der beiden
Teilbündel (8; 9) hinter dem Strahlteiler (7) ein als Analysator wirkender weiterer Polarisator
(10; 11) vorgesehen ist, und daß die Durchlaßrichtungen dieser beiden Polarisatoren (10; 11)
zueinander um einen Winkel von -~ geneigt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (1) eine Lumineszenzdiode ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (10') und der zweite
(H') Analysator als die auftreffenden Teilbündel (8 bzw. 9) in jeweils zwei weitere, senkrecht zueinander
schwingende Teilbündel (18, 18* bzw. 19, 19*) zerlegende polarisierende Strahlteiler
ausgebildet sind und die aus dem gleichen Analysator (10' bzw. 11') stammenden weiteren Teilbündel
(18, 18* bzw. 19, 19*) jeweils durch besondere fotoelektrische Elemente (20, 20*
bzw. 21, 21*) der Fotoelektronik detektiert werden, und die Fotoelektronik im Gegentakt arbeitet.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (S1, S1*
bzw. s2, v.*) der zwei fotoelektrischen Elemente
(20, 20* bzw. 21, 21*), die die aus dem gleichen Analysator (10' bzw. 11') stammenden weiteren
Teilbündel (18, 18* bzw. 19, 19*) detektieren, jeweils über Verstärker (22, 22*) mit steuerbarer
Verstärkung geleitet und dann in einem Addierglied (23) addiert werden, und daß das Ausgangssignal
dieses Addiergliedes (23) in einem Differenzverstärker (24) mit einem Festpotential
(2 S0) verglichen wird und der Ausgangswert des Differenzverstärkers (24) den Steuereingängen der
Verstärker (22, 22*) mit steuerbarer Verstärkung zugeführt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zwei fotoelektrischen
Elemente (20, 20* bzw. 21, 21*) die die aus dem gleichen Analysator (10' bzw. 11') stammenden
weiteren Teilbündel (IS, 18* bzw. 19, 19*) detektieren, als auch die nachfolgenden
Verstärker (22, 22*) als monolithische Halbleiterbausteine ausgebildet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei fotoelektrischen Elemente
(20, 20* bzw. 21, 21*), die nachfolgenden Verstärker (22, 22*), das Addierglied (23) und
der Differenzverstärker (24) als integriertes Bauteil ausgebildet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus dem Polarisator (4)
austretenden Lichtbündel nebeneinander zwei Analysatoren (26, 25) vorgesehen sind, denen
jeweils ein besonderes fotoelektrisches Element (27,27) der Fotoelektronik nachgeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Drehachse (5) des
Körpers (6) verbundene Polarisator (4) in Transmission arbeitet und an einem mit einem Spiegel
(17) versehenen Teil des Körpers (6) angebracht ist und das Lichtbündel (2) aus der Lichtquelle
(1) auf der gle;cht;n Seite des Polarisators (4)
ein- und austritt und an dem Spiegel (17) reflektiert wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Polarisator (4) in Reflexion arbeitet und das Lichtbündel (2) aus der Lichtquelle
(1) auf der gleichen Seite des Polarisators (4) ein- und austritt.
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ID=4381350
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |