DE2223054C3

DE2223054C3 - Meßanordnung zur Kraftmessung

Info

Publication number: DE2223054C3
Application number: DE19722223054
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Ddr 6300 Ilmenau Jaeger
Original assignee: VEB KOMBINAT NAGEMA DDR 8045 DRESDEN
Current assignee: VEB KOMBINAT NAGEMA DDR 8045 DRESDEN
Priority date: 1971-09-06
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DD94905A1; DE2223054A1; AT340703B; CH552800A; HU171492B; ATA425772A; DE2223054B2; SU724947A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Kraftmessung, bei der zur direkten digitalen Messung von Wegen die Interferenz gleicher Dxke mit monochromatischem Licht verwendet wird, bei der rechteckige Platten einen Luftkeil bilden, der senkrecht zur Lichtrichtung und in Richtung der rechtwinklig aufeinanderstehenden Begrenzungskanten der Platten Winkel ungleich Null aufweist, und bei der die Interferenzverteilung mittels optischer Abbildung und fotoelektrischen Empfängern in einem bestimmten Code verschlüsselt werden.

Es ist eine Vorrichtung zur Kraftmessung (F. A. Lud ewig, Control Engineering, 8 [1961], H. 6, S. 107 — 110) bekannt, bei der unter Ausnutzung des Effektes der akzidentellen Doppelbrechung fotoelastischer Materialien der Informationsparameter der Meßgröße Kraft direkt in ein codiertes Ausgangssignal umgewandelt wird. Die Verschlüsselung erfolgt im Graycode, auch reflektierter Binärcode genannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein Meßelement aus fotoelastischem Material mit parallelem, monochromatischem und linearpolarisiertem Licht durchstrahlt. Das Meßelement besitzt in Lichtrichtung an jeder Stelle die gleiche Dicke. In Richtung der angreifenden Kraft sind die Querschnitte des Meßelementes im Verhältnis 1 -.2:4: ... abgestuft, so daß bei Betrachtung des Meßelementes durch einen Analysator hindurch in den einzelnen Teilelementen mit unterschiedlichem Querschnitt in Abhängigkeit von der Größe der angreifenden Kraft eine unterschiedliche Anzahl von Hell-Dunkel-lmpulsen auftritt. Bei dualer Abstufung der Querschnitte verhält sich auch die Zahl der Hell-Dunkel-lmpulse in den einzelnen Teilgebieten wie 1 :2 :4 :8...

Die Teilgebiete werden fotoelektrisch abgetastet, und an den Ausgängen geeigneter Impulsformerstufen steht das codierte Ausgangssignal in paralleler Form an.

Bei der schweizerischen Patentschrift 4 14 737 wird die Interferenzerscheinung zwischen zwei teilweise reflektierenden Flächen ausgenutzt.
Eine Fläche ist um eine Achse drehbar, welche

ίο parallel zu beiden Flächen verläuft Verlaufen beide Flächen parallel, so ergibt sich über der gesamten Fläche ein Interferenzbild gleicher Intensität. Wird nun die eine Fläche um die Achse gedreht, so entstehen parallel zur Drehachse verlaufende Interferenzbänder.

Die Wellenlänge des sich ausbildenden Stehwellenbildes ist proportional zu dem zu codierenden Abtastwert. Mittels eines optischen Systems und mehreren Detektoren wird das Stehwellenbild längs einer Linie abgetastet, wobei die Detektormittel solche Abstände aufweisen, daß ihre Ausgangssignale eine Codekombination (reflektierter Binärcode) erzeugen, welche den Signalabtastwert kennzeichnet.

Es wurde bereits in allgemeiner Form untersucht (G. Jäger, messen-steuern-regeln 14 [1971], H. 5, S.

179 —182), welche periodischen Verteilungen (Stehwellenbilder) zur Codierung geeignet sind. Es zeigte sich, daß Stufenstreifenverteilungen und Drehstreifenverteilungen am günstigsten sind. Diese Verteilungen erlauben eine Verschlüsselung in allen Codearten mit periodischem Charakter. Somit kann z. B. der Dualcode mit v-Abtastung Verwendung finden, der relativ große Abtastfehler in den Codespuren zuläßt. Dadurch können Meßvorrichtungen mit technisch erreichbaren Fertigungstoleranzen aufgebaut werden. Die Parallelverteilung zeigt diese Eigenschaft nicht, da sie nur eine Verschlüsselung im reflektierten Binärcode (Graycode) gestattet.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Weg- und Winkelmessung (DD-PS 69 713) bekannt, in der eine Drehstreifenverteilung bzw. eine Stufenstreifcnverteilung entsteht. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Planplatten, wobei eine Planplatte in Abhängigkeit zu der.zu messenden Größe um eine Drehachse gedreht wird.

Um eine Stufenstreifenverteilung zu erzielen, besitzt eine Platte in Richtung der Drehachse eine vom Code abhängige Stufung, und um eine Drehstreifenverteilung zu erreichen, sind die beiden Platten derart angeordnet, daß die Drehachse und die Spur der Drehachse auf der gegenüberliegenden Fläche einen von Null verschiedenen Winkel bilden. Die Planplatten werden mit parallelen monochromatischem Licht durchstrahlt, und die entstehenden Interferenzstreifenverteilungen werden an bestimmten Stellen fotoelektrisch abgetastet.

Periodische Intensitätsverteilungen, z. B. Interferenzbilder, werden demzufolge bisher entweder visuell oder inkremental ausgewertet. Die inkrementalen Meßmethoden werden vorwiegend in der interferentiellen Längenmeßtechnik angewendet. Hier werden die durchlaufenden Interferenzstreifen richtungsabhängig gezählt, und die Zahl der Interferenzstreifen ist ein direktes Maß für die zu messende Länge. Möglichkeiten zur Gewinnung codierter Ausgangssignale aus Interferenzbildern werden erstmalig in den angegebenen ftj Veröffentlichungen zum Stand der Technik angegeben.

In der von L u d e w i g angegebenen Vorrichtung zur Kraftmessung wird ein Meßelement aus fotoelastischem Material (Epoxydharz, Gelatine, Bakelit usw.) verwen-

det Diese Stoffe sind jedoch zur Kraftmessung nicht geeignet, da sie Kriecherscheinungen bis zu einigen Prozenten zeigen, d. h., bei konstanter Last laufen bis zu einigen Prozenten noch Hell-Dunkel-lmpuIse durch. Außerdem kann nur eine Verschlüsselung im Graycode erfolgen. Dieser fordert aber für die Herstellung der Teilelemente des Meßelementes technisch nicht zu realisierende Fertigungstoleranzen.
Soll die Vorrichtung z. B. ein Auflösungsvermögen

von ;tfz , also jinen Grundfehler von ±0,39% besitzen, 256

dann sind 8 Teilelemente erforderlich. Beträgt bei gleicher dicke aller Teilelemente die Höhe des empfindlichsten Teilelementes nur 1 mm, so ergibt sich für die Höhe des unempfindlichsten 128 mm, wobei die Höhe des empfindlichsten Teilelementes auf ± 3 μπι genau hergestellt werden muß, wenn der Grundfehler nicht überschritten werden soll. Außerdem müssen die Meßelemente nahezu vorspannungsfrei s~in, was praktisch nicht erreichbar ist. ^o

In der schweizerischen Patentschrift 4 14 737 wird eine Vorrichtung beschrieben, die eine allgemein bekannte Interferenzerscheinung zwischen zwei teilweise reflektierenden Flächen ausnutzt. In der dortigen Lösung wird eindeutig beschrieben, daß die Drehachse 2s parallel zu den Flächen verläuft und die Detektoren längs einer Übertragungslinie angeordnet sind. D.: raus folgt, daß nur eine Parallelverteilung möglich ist und nur der reflektierte Binärcode gewonnen werden kann. Damit ist, wie die nachfolgende Rechnung zeigt, diese Vorrichtung bei akzeptablen Auflösungsvermögen technisch nicht realisierbar. So darf sich z. B. bei nur 3

Spuren (Auflösungsvermögen =y) die Drehachse um höchsten ±0,0043 μιη verlagern, bei 4 Spuren (Auflösungsvermögen ^ ) nur um ±0,00215 μιη usw. Außerdem muß die Lage der abtastenden Empfänger bei 3 Spuren auf ± r, Interferenzstreifenbreite garantiert sein und bei 4 Spuren auf ± .^₈ Interferenzstreifen

40

breite usw. Das ist aber technisch nicht realisierbar. Daraus folgt auch, daß an die nachgeschaltete Elektronik sehr hohe Forderungen gestellt werden.

An die Ebenheit (Passe) der den Luftkeil bildenden Flächen werden extrem hohe Forderungen gestellt, da die Intensität an den verschiedenen Empfängein in der Parallelstellung der Platten nur wenig voneinander abweichen dürfen. So fordert ein 3spuriger Code schon

eine Ebenheit (Passe) der Flächen von ± ~ Ordnung (1 Ordnung = 1 heller und 1 dunkler Interferenzstreifen) ein 4spuriger eine Ebenheit ± /^ Ordnung usw.

Aus der Patentschrift geht in keiner Weise hervor, wie die Lageinvarianz der Drehachse und Justiergenauigkeit der Empfänger erzielt wird. Aus der Patentbeschreibung geht auch nicht hervor, welche Meßgrößen verschlüsselt werden können.

Die Vorrichtung nach der DL-Patentschrift 69 713 ist wegen ihres speziellen Aufbaus nur zur direkten digitalen Wegmessung geeignet. Die Meßgröße Kraft kann mit einer solchen Vorrichtung nicht direkt erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zur — insbesondere direkten — Kraftmessung zu schaffen, die unter Verwendung an

45 sich bekannter Bauelemente den Informationsparameter des Meßsignals auf codierte Ausgangssignale abbildet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lösung gelöst

Die sich periodisch mit dem Informationsparameter des Meßsignals ändernde Intensitätsverteilung entsteht in an sich bekannter Weise durch interferierende, monochromatische und parallele Lichtstrahlen am Keil. Durch die Meßgröße Kraft wird eine Biegeplatte deformiert, wodurch sich ein Luftspalt, der den Gangunterschied der interferierenden Strahlen bewirkt, verändert

Der Luftspalt wird gebildet indem mehrere rechtekkige Platten, bestehend aus Quarz oder einem anderen transparenten Material, miteinander versprengt werden. Auf einer rechteckigen planparallelen Grundplatte werden zwei rechteckige Platten angesprengt. Eine dieser Platten kann z. B. pianparallel sein, und an ihr wird eine weitere rechteckige Platte angesprengt, die Biegeplatte.

An dieser Platte greift die zu messene Kraft an. Die zweite an die Grundplatte angesprengte Platte ist so gestaltet, daß sich zwischen ihrer freien Fläche und der dieser Fläche zugekehrten Fläche der Biegeplatte bei der Kraft F=Q ein Luftkeil bildet, der senkrecht zur Lichtrichtung und in Richtung der rechtwinklig aufeinanderstellenden Begrenzungskanten der Platten Winkel ungleich Null aufweist. Dadurch kann erreicht werden, daß die Interferenzstreifen sich aus der schrägen Anfangslage für F=O bei F= F_mix in eine zur Anfangslage symmetrische Endlage drehen. Entsprechend der Biegung der Biegeplatte sind die Interferenzstreifen gekrümmt, was jedoch keinen Einfluß auf die Codierung hat. Je nachdem, in welchem Code verschlüsselt werden soll, werden bestimmte Stellen des Drehstreifeninterferenzbildes mit getrennten optischen Systemen auf fotoelektrische Empfänger abgebildet. Diesen Empfängern sind geeignete Impulsformerstufen nachgeschaltet, an deren Ausgänge die den Meßwerten zuordenbaren Codewörter erscheinen.

Einer der Vorteile der Vorrichtung besteht darin, daß mehrere Platten fest miteinander zu einer kompakten Einheit versprengt sind. Diese Platten können serienmäßig hergestellt werden. Somit sind keinerlei Lagejustierungen der Platten zueinander erforderlich. Diese kompakte Einheit ist in weiten Grenzen erschütterungs- und temperaturunempfindlich.

Über die Deformation der Biegeplatte infolge der angreifenden Kraft wird die Meßgröße auf direktem Wege in ein codiertes Ausgangssignal umgewandelt.

Die Biegeplatte dient als Verformungskörper und da sie die Lage des Interferenzbildes verändert, gleichzeitig auch als Meßelement.

Wird als Material für die Biegeplatte Quarz verwendet, so werden für die Kraftmessung äußerst günstige Eigenschaften erzielt; denn Quarz zeigt eine geringe Temperaturabhängigkeit, geringe Relaxationserscheinugnen usw. Durch die spezielle Ausbildung des Luftspaltes entstehen Drehstreifenverteilungen.

Diese Verteilungen erlauben eine Verschlüsselung in allen periodischen Codearten.

Wird z. B. im Dualcode mit v-Abtastung verschlüsselt, so wird an allen Abtaststellen unabhängig von der Anzahl der geforderten Spuren (Kanäle) eine Abtastunsicherheit von ± ^Ordnung (1 Ordnung = 1 heller + 1

dunkler Interferenzstreifen) gefordert. Das ist im Vergleich zu den Anordnungen nach Brews te r und Ludewig eine relativ große Abtastunsicherheit. Außerdem gestatten die Drehstreifenverteilungen, da phasenverschobene Signale konstanter Phasendifferenz abgegriffen werden können, eine richtungsabhängige Zählung. Somit können die Meßwerte auch inkremental verschlüsselt werden, was bei den Anordnungen von B r e w s t e r und L u d e w i g nicht möglich ist.

Dadurch, daß zur Abbildung der Abtaststellen getrennte optische Systeme verwendet werden, wird die Bildebene wesentlich verkleinert.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 schematische Darstellung der Vorrichtung zur Kraftmessung,

Fig. 2.1 Lage der Interferenzstreifen für F=O und die Anordnung der Empfänger bei einem 3spurigen Dualcode mit v-Abtastung,

Fig. 2.2 Lage der Interferenzstreifen für F= -=*

und die Anordnung der Empfänger bei einem 3spurigen Dualcode mit v-Abtastung,

F i g. 2.3 Lage der Interferenzstreifen für F= F_mjx und die Anordnung der Empfänger bei einem 3spurigen Dualcode mit v-Abtastung,

Fig.3 Gestaltung bestimmter Platten, um den gewünschten Luftspalt zu erzielen.

Das Meßelement, bestehend aus der Grundplatte 3.1, den angesprengten Platten 3.2 und 3.3 und der Biegeplatte 3.4, wird nach F i g. 1 mit Hilfe der monochromatischen Lichtquelle 1 und des Kondensors 2 mit monochromatischen und parallelen Licht durchstrahlt. Die zwischen den Platten 3.3 und 3.4 sich ausbildenden Interferenzstreifen ändern ihre Lage in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft F Mit mehreren optischen Systemen 4 werden die für die Codierung wichtigen Stellen des Int «rferenzbildes auf fotoelektrische Empfänger 5,denen Impulsformerslufen nachgeschaltet sind, abgebildet.

In der F i g. 2 ist beispielsweise eine Anordnung der

Empfänger für einen 3kanaligen Dualcode mit v-Abta-

S stung dargestellt. Die Abtaststellen findet man, indem man die Empfänger an solche Stellen y\, y₂, y_t ...

verschiebt, an denen sich die Änderungen der Ordnungszahlen wie 1 : 2 : 4 :... verhalten. Durch eine weitere Verschiebung der Empfänger an diesen

ίο y-Stellen parallel zur x-Achse findet man die richtige Lage der Empfänger innerhalb der Codespur.

In der F i g. 2.1 ist der Übergang von Codewort 7 zum

Codewort 8 dargestellt. Diesem Übergang wird die Kraft F=O zugeordnet. Mit zunehmender Kraft drehen

is sich die Interferenzstreifen um Punkte auf der x-Achse

und für F= —™" verlaufen sie parallel zur y-Achse

(F i g. 2.2). Diese Lage entspricht dem Übergang vom Codewort 3 zum Codewort 4. Vergrößert sich die Kraft Fauf F= F„_m, dann drehen sich die Streifen in eine zur Ausgangslage symmetrische Lage (F i g. 2.3). Diese Lage entspricht dem Übergang vom Codewort 7 zum Codewort 8. Durch die symmetrische Änderung des Interferenzbildes kann eine maximale Zahl an Interferenzstreifen zur Messung ausgenutzt werden.

Die Änderung des Interferenzstreifenbildes nach Fig. 2 kann man mit der Vorrichtung nach Fig. 1 wie folgt erreichen:

1. Die Platten 3.1, 3.2 und 3.4 werden planparallel ausgeführt, und die Platte 3.3 besitzt nach F i g. 3.1 zwischen den Kanten a und a' einen von Null verschiedenen Winkel und zwischen den Kanten b und 6'einen von Null verschiedenen Winkel.

2. Die Platten 3.1, 3.3 und 3.4 werden planparallel ausgebildet, und die Platte 3.2 besitzt nach F i g. 3.2 zwischen den Kanten a und a' einen von Null verschiedenen Winkel und zwischen den Kanten b und ft'einen von Null verschiedenen Winkel.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zur Kraftmessung, bei der zur direkten digitalen Messung von Wegen die Interferenz gleicher Dicke mit monochromatischem Licht verwendet wird, bei der rechteckige Platten einen Luftkeil bilden, der senkrecht zur Lichtrichtung und in Richtung der rechtwinklig aufeinanderstellenden Begrenzungskanten der Platten Winkel ungleich Null aufweist, und bei der die Interferenzverteilung mittels optischer Abbildung und fotoelekirischen Empfängern in einem bestimmten Code verschlüsselt weiden, dadurch gekennzeichnet,
daß zur direkten digitalen Kraftmessung die Platten (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) eine kompakte Baueinheit derart bilden, daß eine planparallele erst» Platte (3.1) mit einer zweiten Platte (3.2) und einer dritten Platte (33) starr verbunden ist und daß ihrerseits die zweite Platte (3.2) mit einer planparallelen Biegeplatte (3.4) starr verbunden ist, und

daß eine der direkt mit der ersten Platte (3.1) verbundenen Platten (3.2; 3.3) derart keilförmig gestaltet ist, daß der oben angegebene Luftkeil entsteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3.1,3.2, 3.3,3.4) aus Quarz oder einem anderen transparenten Material bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des Interferenzmusters mehrere optische Systeme (4) vorhanden sind.