DE2436510A1

DE2436510A1 - Vorrichtung zur bestimmung der position eines stueckes

Info

Publication number: DE2436510A1
Application number: DE2436510A
Authority: DE
Inventors: Eduard Roesch
Original assignee: Dixi SA
Current assignee: Dixi SA
Priority date: 1973-08-15
Filing date: 1974-07-29
Publication date: 1975-03-20
Also published as: FR2241058B1; IT1019924B; DE2436510B2; CH571212A5; DE2436510C3; US3936195A; FR2241058A1; GB1470119A

Description

,ι·;·-. ^μι·.\ι:!ΐ
ι :'■· :-.... :-.:■.■.■[. yri.r.iiA ;:·ίπυτ/

.-. M ι·ι--ίΐ ι «I, Leopoldst;. 2Ü/IV

DIXI S.A., Le Locle (Schweiz)

Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Stückes

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Stückes ■, mit mindestens einem in regelmässigen Abständen Referenzzeichen tragenden Teil.

Besonders in der Feinmechanik spielt die genaue Bestimmung der Position irgendeines Stückes bezüglich eines anderen, festen Stückes eine wichtige Rolle, zum Beispiel bei einer Werkzeugmaschine, welche eine Arbeit durchzuführen hat, wo die Genauigkeit nicht von Hand erreicht werden kann, sondern wo ein Automat benutzt werden muss.

509812/0725

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel diese Aufgabe zu lösen durch eine Vorrichtung, in der Referenzzeichen, die sich auf dem Stück befinden, dessen genaue Position man bestimmen will, auf eine Halbleitervorrichtung mit linearer Abtastung, welche in regelmässigen Abständen lichtempfindliche Elemente aufweist, die eine Unterteilung des Abstandes zwischen zwei Referenzzeichen darstellen, projiziert werden und die eine elektronische Schaltung für die Verarbeitung und Bildung der Ergebnisse aufweist,

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand einer beispielsweisen Zeichnung erläutert, in welcher:

Fig. 1 eine optische Vorrichtung zeigt, die es gestattet, die Referenzzeichen auf die Halbleitervorrichtung zu projizieren,

Fig. 2 zeigt im einzelnen die Projektion der Referenzzeichen auf die Halbleitervorrichtung,

Fig. 3 zeigt ein Schema für die Analyse und Verarbeitung der Messung,

Fig. 4 zeigt verschiedene, an verschiedenen Punkten des Schemas von Fig. 2 gemessene Impulsfolgen und

Fig. 5 zeigt mittels einer vergrösserten Darstellung der Abtastvorrichtung wie die gewünschte Genauigkeit erhalten wird.

509812/0725

RP/km/19 070
Fall 13-7-

In Fig. 1 erkennt man das Stück 1, welches die Referenzzeichen 2 trägt, von welchen nur einige beleuchtet sind. Durch ein nicht näher bezeichnetes optisches System 3 werden zwei Zeichen 2 vergrössert auf die Halbleitervorrichtung 4 projiziert. Der Block 5 symbolisiert die elektronische Schaltung zur Dechiffrierung der Messung und wird weiter unten beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt eine Sicht von vorne der Halbleitervorrichtung 4 mit seinem Fenster 6, hinter welchem in einer Linie lichtempfindliche Elemente 7 (Fotodioden, Fototransistoren usw.) angeordnet sind. Die auf dieser Fläche der Vorrichtung 4 projizierten zwei Striche 2¹ verdecken und verdunkeln einen Teil der lichtempfindlichen Elemente 7. Zwischen diesen zwei Strichen 2' befinden sich eine gewisse Anzahl Elemente 7, welche je nach Vergrösserung des optischen Systems 3 ändern kann. Es sei angenommen, dass diese Vergrösserung derart ist, dass sich zwischen den zwei projezierten Strichen 2¹ hundert Elemente befinden, das bedeutet, wenn der Abstand zwischen zwei Referenzzeichen 2 auf dem Stück 1 ein Millimeter beträgt, so entspricht der Abstand zwischen zwei Elementen 7 auf der Vorrichtung 4 einem Hundertstelmillimeter.

Das Schema von Fig. 3 zeigt wie die Position eines Striches 2' auf der Vorrichtung 4 bestimmt wird, das heisst die genaue Position des Stückes 1.

509812/0725

Ein Pulsgenerator 8 verteilt Impulse mit einer Frequenz von 10 Hz zum Beispiel, welche an ein UND-Tor 19 gelangen. Der Ausgang des Tores 19 ist an einen Teiler 9 geschaltet, welcher die Frequenz durch zehn teilt um die Vorrichtung 4 über ihren Eingang 4a zu veranlassen, die lichtempfindlichen Elemente 7 abzutasten. Die Abtastfrequenz der Elemente 7 ist also zehnmal kleiner als die Pulsfrequenz am Ausgang des Generators 8. Der Ausgang des Tores 19 speist auch einen der Eingänge eines anderen UND-Tores 21, während der Ausgang des Teilers 9 auch einen programmierbaren Zähler 17 speist, welcher einer Flip-Flop-Schaltung 18 zwei Arten von Impulsen abgeben kann, je nach seinem vorgewählten Zustand: entweder einen am Anfang des Zyklus und einen bei zwei Dritteln des Zyklus oder einen Impuls beim Drittel der Abtastung und einen anderen gerade vor dem Ende der Abtastung. Der Grund wird weiter unten ersichtlich werden. Der Ausgang der Vorrichtung 4, das heisst das Resultat der Abtastung geht auf einen Verstärker 10, dessen Ausgang auf eine Umhüllungskurven-Detektoren-Schaltung 11 geschaltet ist. Diese Umhüllungskurve gelangt dann in einen Schmitt-Trigger 12, dessen Ausgang über einen Inverter 13 auf einen der Eingänge eines UND-Tores 14 geschaltet ist. Der Ausgang des Tores 14 speist eine Flip-Flop-Schaltung 15, dessen Ausgang Q auf einen der Eingänge eines UND-Tores 22 geht. Andererseits befreit der Ausgang 4b der Vorrichtung einen Impuls F am Ende von jedem Abtastzyklus, wobei dieser Impuls F dazu dient, den Zähler 17, den Flip-Flop 18 und den Flip-Flop 15 durch ihre jeweiligen

509812/0725

Eingänge RESET (R) auf die Nullstellung zu bringen. Dieser Impuls F dient auch dazu, die monostabile Schaltung 16 umzukippen, dessen Ausgang über einen Inverter 20 den zweiten Eingang des Tores 19 steuert. Der Ausgang Q des Flip-Flop 18 steuert die zweiten Eingänge der Tore 14 und 21, während der Ausgang von letzterem an den zweiten Eingang des Tores 22 geschaltet ist.

Im folgenden wird die Schaltung der Figur 3 mit Hilfe der Dia-, gramme der Figur 4 erläutert werden:

Die Impulse H am Ausgang des Tores 19 werden während einer gewissen Zeit t,. die durch die monostabile Schaltung 16 bestimmt wird unterbrochen, wobei die monostabile Schaltung 16 durch den Impuls F am Schluss des von jedem Zyklus ausgelöst wird. Am Ausgang des Verstärkers 10 entspricht jede Höhe der Impulse B einem Zustand eines Elementes 7, befindet sich dieser in einer hellen Zone, wird er einen Impuls von normaler Höhe abgeben; befindet er sich in einer durch einen Strich 2¹ verdunkelten Zone, wird er einen Impuls abgeben, dessen Höhe eine Funktion der Verdunkelung sein wird (Zone K). Der Detektor 11 ermittelt die Impulsumhüllende E der Impulse B, welche das genaue Bild des Beleuchtungsgrades der Vorrichtung 4 wiedergibt. Der Schmitt-Trigger 12 wandelt, bei K, den Impuls um" und gibt den Ort des Striches 2¹ auf der Vorrichtung 4 als Impuls K¹ mit sfaeilen Flanken an, welcher, durch das Tor 13 invertiert, das Dia-

5 0 9812/0725

grairan C und den Impuls K¹ ergibt. Wenn der Zähler 17 auf solche Weise programmiert ist, dass er einen Impuls am Anfang und bei zwei Dritteln des Zyklus befreit, wird er den Ausgang Q des Flip-Flop 18 zweimal umkippen, dieser Ausgang wird also durch die Tore 14 und 21 den ersten Teil der Abtastung wählen (Diagramm Q). Die Impulse H können das Tor 21 nur während dieses ersten Teils durchqueren. Andererseits wird der Ausgang Q,

der am Ende des Zyklus durch den Impuls F auf den Eingang RESET (15 R) des Flip-Flop 15 in den Zustand "1" versetzt worden war, neuerdings in den Zustand "O" zurückfallen bei Ankunft des Impulses K¹. Am Ausgang F des Tores 22 befinden sich daher nur Impulse H, die sich zwischen dem Anfang des Abtastzyklus und dem ersten Strich 2" befinden. Dieses Resultat kann anschliessend nach Belieben ausgewertet werden.

Es wurde festgestellt, dass der Abstand zwischen zwei Elementen 7 einem Hundertstelmillimeter entspricht, obwohl er in Wirklichkeit nicht diese Strecke darstellt, wobei diese Vergrösserung durch die Projektion von zwei Teilstrichen auf die Vorrichtung 4 herrührt. Die Pulsfrequenz H ist jedoch zehnmal grosser als die Abtastfreq.uenz (Impulse R), welche zeitlich Hundertstelmillimetern entsprechen, wodurch diese Impulse H zeitlich Tausendstelmillimetern entsprechen. Anders gesagt, man wandelt eine geometrische Länge in eine Zeitlänge um, welche man anschliessend dank genauen Frequenzbeziehungen nach Belieben unterteilen kann. Wenn man die Impulse H am Ausgang F des Tores 22 zählt,

509812/0725

_ "7 —

erhält man eine gewisse Anzahl von Tausendstelmillimetern. Verrückt man nun etwas das Stück 1 und zählt neuerdings die Impulse H, ergibt die Differenz zwischen beiden Resultaten auf ein Tausendstelmillimeter genau das Mass der Verschiebung des Stückes 1. Die erste Messung oder die erste Zählung der Impulse H ist eine Art Nullpunktsfestlegung, von dem aus die Verschiebung des Stückes 1 sehr exakt gemessen werden kann.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass das Fenster 6 breiter ist als der projizierte Abstand von zwei Teilstrichen, denn es muss mindestens ein Strich auf der Vorrichtung 4 projiziert sein. Wäre das Fenster 6 kleiner als der projizierte Abstand zwischen zwei Strichen, könnte es vorkommen, dass beide Teilstriche ausserhalb des Fensters fallen würden. Andererseits wird nur ein Strich für die Messung gebraucht: dazu definiert der programmierbare Zähler 17 (Fig. 3) mittels des Flip-Flop 18 zwei Be-? reiche des Abtastzyklus, wobei sich der eine vom Anfang bis zu zwei Dritteln des Zyklus erstreckt (Impuls Q, Fig. 4) und der andere beim Drittel des Zyklus beginnt um knapp vor seinem Ende zu enden (Impuls Q¹, Fig. 4). Jedes dieser Bereiche aber hat eine kleinere Ausdehnung als der Abstand der beiden projizierten Teilstriche, so dass keines der Bereiche zugleich zwei Teilstriche beinhalten kann. Auf diese Weise kann man für die Messung nur einen Referenzstrich 2¹ gebrauchen. In der Fig. 4, in den Diagrammen B, E und C erkennt man die Stelle L, respektive den Impuls L' am Ausgang des Inverters 13, der aber keinen

509812/0 7 25

Einfluss auf den Flip-Flop 15 hat, da der Ausgang des Flip-Flop 18 schon das Tor 14 geschlossen hat.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung gestattet nur die Position des Stückes für Abstände festzustellen, welche kleiner als der Abstand zwischen zwei Referenzstrichen sind, in diesem Beispiel daher nur Abstände von Tausendstel-, Hundertstel- und Zehntelmxllimeter. Für grössere Längen müsste man also zuerst mit einer anderen Vorrichtung zum Beispiel die Anzahl Zentimeter und die Anzahl Millimeter feststellen, bevor die erfindungsgemässe Vorrichtung dazugeschaltet werden kann.

Die Wahl des Hessbereiches kann durch eine Auswertungsschaltung 23 erfolgen, welche gestrichelt in Fig. 4 eingezeichnet ist und die gemäss dem Resultat am Ausgang F und dem Signal am Ausgang des Tores 20, welches den Anfang und das Ende des Zyklus anzeigt, über einen Steuereingang des Zählers 17 den geeigneten Bereich Q oder Q¹ wählen kann. In diesem Fall kann die Messung in zwei Schritten erfolgen, wobei zuerst eine Messung durchgeführt wird um den Bereich festzustellen und anschliessend wird die eigentliche Messung durchgeführt.

Man kann aber auch durch eine nicht dargestellte externe Vorrichtung dem Zähler 17 Angaben über die ungefähre Stellung des Referenzstriches 2¹ liefern, auf welchem die Messung durchgeführt werden soll, zum Beispiel mit einer Genauigkeit eines

509812/0725

halben Millimeters. Die Fig. 5 dient zur Erklärung wie eine Genauigkeit von einem ρ erreicht werden kann, während man in der Tat nur eine theoretische, materielle Genauigkeit von einem Hundertstel zur Verfügung hat, das heisst die lichtempfindlichen Elemente 7 mit Abständen eines -"vergrösserten" Hundertstel. Diese Figur zeigt in einem sehr stark vergrösserten Masstab die linke Kante eines ReferenzStriches, welcher auf die Elemente 7 projiziert wird, das heisst auf die Elemente 7.. , 7₂» 7_, 7, und 7_. Das Element 7 erhält noch das volle Licht, und da der Uebergang vom Licht zum Dunkel sich über mehrere Elemente erstreckt, ergibt sich eine ImpulsumhuTlende E am Orte K, wie . sie in der Fig. 5 in ihrem absteigenden Teil dargestellt ist. Die gestrichelte Linie Ä zeigt an, bei welchem Niveau der Schmitt-Trigger 12 kippen wird, der den Impuls K* liefern wird, welcher ebenfalls dargestellt ist. Daraus folgt, dass der Schmitt-Trigger genau den Ort definiert, wo sich die "Kante" des ReferenzStriches 2* befindet, obwohl diese Kante auf optischem Wege nur auf einige Hundertstelmillimeter genau definiert werden kann.

Es ist klar, dass die Anzahl der Elemente 7 zwischen zwei Referenzstrichen 2 * eine andere sein kann als hundert und der Teiler 9 kann ebenfalls einen anderen Teilungsfaktor aufweisen, welches verschiedenen Genauigkeitsgrade erlaubt."

Die Referenzstriche 2 können sich auch auf einem Stück 1, wel-

509812/0725

ches zum Beispiel zylindrisch, gerade oder eine andere geeignete Form für die Messung aufweist befinden, es kann sich also um eine Längenmessung oder um eine Winkelmessung handeln.

509812/0725

Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1?) Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Stückes mit mindestens einem in regelmässigen Abständen Referenzzeichen tragenden Teil, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzzeichen (2) auf eine Halbleitervorrichtung mit linearer Abtastung (4), welche in regelmässigen Abständen lichtempfindliche Elemente (7) aufweist, die eine Unterteilung des Abstandes zwischen zwei Referenzzeichen (2¹) darstellen projiziert werden, und dass sie eine elektronische Schaltung für die Verarbeitung und Bildung der Messergebnisse aufweist.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator (8) Impulse mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der Abtastfrequenz der Elemente (7) darstellt abgibt, um eine unterteilung des Abstandes zwischen zwei lichtempfindlichen Elementen (7) der Halbleitervorrichtung (4) zu erhalten.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein programmierbarer Zähler (17) mittels einer Flip-Flop-Schaltung (18) zwei Messbereiche (Q, Q') definiert.
4. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsumhüllenden-Detektor (11) an den Ausgang der Halbleitervorrichtung (4) geschaltet ist, und dass ein Schmitt-Trigger

509812/0725

genau die Kante eines auf die Halbleitervorrichtung projizierten ReferenzStrichs (2¹) definiert.

509812/0725

Leerseite