DE2443791A1

DE2443791A1 - Vorrichtung zur bestimmung mindestens einer koordinate der lage eines punktes

Info

Publication number: DE2443791A1
Application number: DE19742443791
Authority: DE
Inventors: Otto Dr Weibrecht
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1973-11-08
Filing date: 1974-09-13
Publication date: 1975-05-15
Also published as: FR2250978A1; IT1024664B; SU629450A1; NL7414647A; FR2250978B1; DD108147A1; CH571211A5

Description

JENOPTIK JENA GmbH

26. 10. 1973

Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Koordinate der Lage eines Punktes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Koordinate der Lage eines Punktes mit Hilfe einer relativ zu Photoempfängern bewegbaren Abtastmarke.

Es ist bereits bekannt, zur Koordinatenmessung Spindeln zu verwenden, deren Drehungen in Längen- oder Winkeleinheiten digitalisiert angezeigt werden. Bekanntlich ist aber die Fertigung von Präzisionsspindeln," wie'sie insbesondere zur genauen Koordinatenmessung erforderlich sind, sehr aufwendig. Unvermeidbare Abnutzungserscheinungen, Losen und Temperatureinflüsse an der Vorrichtung führen zu Geniauigkeitsverlusten bei der Messung, zu häufigen periodischen UachJustierungen, zu einem hohen instrument eilen und meßmethodischen Aufwand, der nicht in jedem Fall zum gewünschten Erfolg führt. Beispielsweise ist es beim genauen Abfahren von beliebigen Linien in Meßbildern nicht möglich, diese zur Beseitigung von Umkehrfehlern immer von derselben Seite her anzusteuern. Schließlich sind bei Verwendung von Spindeln oder Maßstäben zur Koordinatenmessung Analog-Digital-Wandlungen und mehr oder weniger komplizierte Interpolationssysteme notwendig, durch die der Aufwand für die Koordinatenmessung sehr hoch ist..

Bekannt ist es auch, Koordinaten durch die Abtastung von Gittern auf elektrischem oder elektrooptischem Wege zu messen. Hierbei wird ein Tastkopf gegenüber dem Gitter bewegt und beim Passieren jeweils einer Gitterlinie im Tastkopf ein Signal erzeugt, aus dem die Lage des Tastkopfes gegenüber dem Gitter an

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Hand eines Anzeigeinstruments erkennbar ist. Diese mit Gittern arbeitenden Koordinatenmeßeinrichtungen bedürfen für genaue Messungen.in der Regel einer Interpolationseinrichtung, die die Koordinatenmeßeinrichtung technologisch und kostenmäßig erheblich belastet. Da die Ermittlung der Meßwerte oft nicht in einem Einstellvorgang möglich ist, wird die Meßgeschwindigkeit stark reduziert. Außerdem treten insbesondere bei den auf rein elektrischem Wege wirkenden Koordinatenmeßeinrichtungen infolge der fertigungsbedingten relativ großen Ungenauigkeiten und des das Signal-Rausch-Verhältnis ungünstig beeinflussenden Abstandes zwischen dem. Gitter und dem Tastkopf Minderungen der Meßgenauigkeit ein, die deren Anwendung zur.genauen Koordinatenmessung erheblich in Frage stellen. Bei. Verwendung optischer Gitter zur Koordinatenmessung ist der erreichbaren Genauigkeit, der Meßgeschwindigkeit und der Gitterkonstanten im Hinblick auf kleine Meßwerte sehr bald eine Grenze gesetzt.

Zur Vermeidung der genannten Mangel geht die Erfindung von der Aufgabe aus, eine Vorrichtung zur Messung von Koordinaten zu schaffen, bei der Abnutzungserscheinungen, Losen, Nachjustie rungen, die Anwendung besonderer Meßmethoden und die Anwendung von Analog-Digital-Waridlern ebenso vermieden werden, wie die •Benutzung von aufwendigen Interpolationssystemen, schwer herstellbaren und infolge des Signal-Rausch-Verhältnisses ungünstigen Gittern. Darüber hinaus soll die Erfindung das Meßsystem und die Messung dreier Koordinaten vereinfachen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Photoempfänger gleicher Größe und Form unmittelbar be-

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nachbart in mindestens einer Reihe hintereinanderliegend angeordnet und in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt sind und daß die Größe der Abtastmarke mindestens gleich der Größe eines Photoempfängers ist. Der Verwendung erfindungsgemäß angeordneter Photoempfänger und einer entsprechenden Abtastmarke gewährleistet sehr genaue und sehr feine Koordinatenmessungen, weil sie die mit mechanischen Mitteln verbundenen Aufwendungen und damit die Ungehauigkeiten erheblich reduziert und weil sie gegenüber den Gittermeßmethoden ohne die Anwendung von Interpolationseinrichtungen nur mit einem Sender-Empfänger-System arbeitet, bei dem Gitter und Empfänger eine Einheit, nämlich die Photoempfanger= reihe, bilden. Außerdem werden die Beugungserscheinungen bei optischen Gittern vermieden. Die Erfindung ist überall anwendbar, wo es um die Messung von Längen- oder Winkelkoordinaten geht. Sie ist insbesondere zur genauen photogrammetffischen "Vermessung von Bildern bestimmt, wo es darum geht, Spindel- und Führungsmeßsysteme, die auf der Genauigkeit der mechanischen Mittel beruhen, oder Gittermeßsysteme, die mit einer Grob- und einer Feiristufe wirksam sind und eine umständliche Meßtechnologie erfordern, vorteilhaft zu ersetzen.

Damit einerseits eine richtungsabhängige und andererseits eine sehr feine Messung möglich ist, sind vorteilhaft die Photoempfänger in mehreren Reihen nebeneinanderliegend angeordnet, die Größe der Photoempfänger und ihr Abstand voneinander in allen Reihen gleich und jeweils eine Reihe Photoempfänger gegenüber der benachbarten um einen Bruchteil des Abstandes zweier in einer Reihe benachbarter Photoempfänger versetzt angeordnet.

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Zur Gewährleistung der Messung mehrerer Koordinaten können so viel Gruppen von Reihen vorgesehen sein, wie Koordinaten zu messen sind, wobei sich die Reihengruppen in den entsprechenden Koordinatenrichtungen erstrecken und nur eine Abtastmarke zur Messung dient.

Vorteilhaft sind zur Zweikoordinatenmessung die Photoempfänger rasterförmig angeordnet, wobei es gleichgültig ist, ob das Raster aus Einzelphotoempfängern oder Reihengruppen von Photoempfängern besteht.

Eine zur Messung des Photoempfängerrasters günstige Form der Abtastmarke ist die eines L, dessen Schenkelbreiten gleich ■ dem dreifachen Betrag der Breite eines Photoempfängers und dessen SchenkeHängen ein mehrfaches der Breite eines Photoempfängers betragen. Ist die Abtastmarke eine Leuchtmarke konstanter Lichtstärke, so ist es möglich, die durch eine Änderung des Abstandes zwischen Leuchtmarke und Photoempfängerraster bewirkte Veränderung der Lichtstärke zur photometrischen Koordinatenmessung zu verwenden. Zur Vermeidung von Signalstörungen infolge von Inhomogenitäten haben die Photoempfänger rechtwinklig zur Photoempfängerreihe eine größere Ausdehnung als parallel dazu.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Meßgerätes;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur weiteren Verarbeitung der Messungsergebnisse;

Fig. 3 ein weiteres Blockdiagramm zur Verarbeitung der Messungsergebnisse;

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Fig. 4 eine rasterartige Anordnung der Photοempfänger mit quadratischer Abtastmarke;

Fig. 5 eine L-fö'rmig ausgebildete Meßmarke zusammen mit einem quadratischen Raster;

Fig. β eine streifenweise Anordnung der Photoempfänger in zwei Koordinatenrichtungen;

Fig. 7 eine Anordnung rechteckig ausgebildeter Photoempfänger.

In Fig. T ist ein U-förmiger Träger 1 auf einer mit einem Luftkanalsystem 2 und Düsen 3 versehenen, im Schnitt dargestellten Basis. 4 gelagert. Der Träger ist mit einer in integrierter Schaltungstechnik ausgeführten Photoempfängermatrix 5» einem durchsichtigen Bildträger β und einem Meßbild 7 versehen. Ein aus drei Linsen 8; 9; 10 und zwei Teilerprismen 11; 12 bestehendes optisches System ist mit der Basis 4 über der Einfachheit halber nicht dargestellte Mittel verbunden und nimmt an den Bewegungen- des Trägers 1 gegenüber der Basis 4 nicht teil. Die Linsen 9; 10 sind am Teilerprisma 11 bzw. 12 fest angebracht. Einer Lichtquelle 13 sind eine Mattscheibe 14 und eine Blende 15 zugeordnet. Die Blende 15 ist ebenso wie eine Strahlungsquelle 16 koaxial zur optischen Achse 0-0 des optischen Systems angeordnet.

Der Betrachtung des Meßbildes 7 dienen die als Okular verwendete Linse 8, deren bildseitige Brennebene 17 zugleich dingseitige Brennebene der Linse 9 ist, sowie die Linse 10, in deren bildseitiger Brennebene sich das Meßbild 7 befindet. Der Umlenkung des Betrachtungsstrahlenganges dienen die Reflexionsflächen 11'- und 1.2· in den Teilerprismen 11 und 12. Der

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Erzeugung einer Meßmarke 18 dient die Lichtquelle 13 in Verbindung mit der Mattscheibe 14 und der Blende 15, die in der dingseitigen. Brennebene der Linse 9 angeordnet ist. Durch die teildurchlässige Reflexionsfläche 11', die Linse 9 und die Linse 10 nach Reflexion an der Reflexionsfläche 12' gelangt das der Meßmarkenbildung dienende Licht in die Ebene des · Meßbildes 7. Dabei ist der Betrachtungsstrahlengang zwischen den Linsen 9 und 10 parallelstrahlig. Zur Beleuchtung der Photoempfängermatrix 5 wird die parallelstrahliges Licht aussendende Strahlungsquelle 16 verv/endet. Dabei ist d_er Durchmesser des Beleuchtungsstrahlenbündels im wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Photoempfängers. Das auf den jeweiligen Photoempfänger der Matrix 5 treffende Lichtbündel erzeugt in diesem ein Signal, das der Lage des Meßbildes 7 in dem durch die Photoempfängermatrix 5 vorgegebenen Koordinatenmeßsystem entspricht. Zur Einstellung der Meßmarke 18 auf einen bestimmten Punkt des Meßbildes 7 ist der Träger 1 gegenüber der Basis parallel und rechtwinklig zur Zeichenebene auf einem Luftkissenlager · 19 verschiebbar gelagert, das durch die zwischen der Basis 4 und dem Träger 1 aus den Düsen 3 strömende Luft gebildet wird. Der an der Reflexionsstelle 12» reflektierte •Beleuchtungsstrahlengang fluchtet mit dem Betrachtungsstrahlengang und dem Meßmsrkenstrahlengang nach deren Reflexion an der Reflexionsfläche 12'.

Abweichend von der Darstellung in Pig. 1 können Meßbild 7 und Photoempfängermatrix 5 auch unmittelbar benachbart liegen.

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In dem Pall muß die Photoempfängermatrix 5 lichtdurchläseig sein, und es kann die Meßmarke gleichzeitig als Abtastmarke dienen, so daß sich die Strahlungsquelle 16 und das Teilerprisma 12 erübrigen. Außerdem kann die Luftkissenlagerung durch ein mechanisches Kreuzschlittensystem ersetzt sein. Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung kann als Meßsystem für einen Monotomparator dienen. Durch Zusammenfassung zweier solcher Vorrichtungen ist es möglich, einen Stereokomparator zu schaffen. An Hand der Pig. 2 wird eine mögliche Verarbeitung der in einer Potoempfängeranordnung 20 mit Hilfe eines Tasters 21 erzeugten Signale erläutert. Die beim Taster 21 in Anwendung kommende Abtastmarke kann dunkel auf hellem PeId oder hell auf dunklem PeId sein. Die Photoempfängeranordnung 20 ist einerseits mit einem Verstärker 22 mit 90° Phasenverschiebung sowie einem Negator 23 und andererseits mit einem Verstärker 24 sowie einem Negator 25 verbunden. Eine den Negatoren 23; 25 nachgeordnete Zählereinheit 26 enthält nacheinander eine Entscheidungseinheit 27, einen Zähler 28, einen Speicher 29 und eine Abfrageeinheit 30. An die Zählereinheit 26 ist eine Ausgabeeinheit 31 mit einem Schieberegister 32, Kodierungsmitteln 33, einem Ausgabeverstärker 34 und einer Schreibmaschine 35 angekoppelt.

Der Meßvorgang kommt zustande, sobald der Taster 21 .gegenüber der Photoempfängeranordnung 20 parallel verschoben wird. Beim Überstreichen jeweils eines Photoempfängers der Anordnung. durch den Taster 21 wird in der Photoempfängeranordnung 20 ein Signal erzeugt, das über die Verstärker 22; 24 und die Negatoren

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23; 25 in die Zählereinheit 26 gelangt. Dabei gewährleistet die Phasenverschiebung der Signale zwischen den Verstärkern 22; 24 ' die Eindeutigkeit der Vor- und Rückwärtszählung der Signale. Die Uegatoren 23; 25 dienen zur Erhöhung der Störsicherheit in der Signalverarbeitung und geben die Signale an die Zählereinheit 26 in die Entscheidungseinheit 27 ab, in der aus den von den ITegatoren 23; 25 gelieferten Signal Signalen die Richtung und das Vorzeichen der Zählung festgelegt wird, die im nachfolgenden Zähler 28 erfolgt. Das Ergebnis der Zählung wird im Speicher 29 für jede Dekade gespeichert und kann über die Abfrageeinheit 30 entnommen werden. Von der Abfrageeinheit 30 gelangen die Signale in die Ausgabeeinheit in der sie über Schieberegister 32 in den Kodierungsmitteln auf Lochstreifen übernommen oder nach Passieren des Ausgabeverstärkers 34 in sichtbarer Form mittels der Schreibmaschine ausgedruckt werden.

Eine andere Möglichkeit der Verarbeitung der durch die Photoempfänger digitalisierten Signale ist aus Pig. 3 ersichtlich. Eine Photoempfängermatrix 55 besteht aus einer optischen Sektion 56, einem Auslesespeicher 57 sowie einem Register 58, mit denen jeweils ein Impulsgeber 59 bzw. 60 bzw. 61 verbunden ist. Dem Register 58 sind eine Ausgangsdiode 62, ein Verstärker 63, eine Steuereinheit 64 sowie ein Drucker 65 nachgeordnet, von denen die Steuereinheit 64 zur Steuerung der Signale für den Drucker 65 dient und mit dem Ausgang eines Zählers 66 verbunden ist,' der die Impulse aus den Impulsgebern 60 und 61 zählt.

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Eine Abtastmarke 67 erzeugt im zugehörigen Photoempfänger

68 ein Signal, dessen Lagekoordinatenim Raster 56 bestimmt werden

sollen. Die drei Impulsgeber 59; 60; 61 geben an die optische

Sektion 56 bzw. den Auslesespeicher 57 bzw. das Register ständig Spannungsimpulse. U₁; U₂; -U-, ab, von denen die der Impulsgeber 60; 61 ständig gezählt v/erden. Dabei sorgen die Spannungsimpulse des Impulsgebers 59 dafür, daß das in der optischen Sektion 56 enthaltene Signal von Photoelement zu Photoelement derselben Spalte in den Auslesespeicher 57 übertragen wird. Die Spannungsimpulse des Impulsgebers 60 sorgen für den Transport des aus der optischen Sektion 56 erhaltenen Signals in derselben Spalte des Auslesespeichers 57 zum Register 58, in dem es durch die Spannungsimpulse U₁; U₂; U, des Impulsgebers 61 zur Ausgangsdiode 62 gebracht wird. Die Transportrichtungen des Signals in der optischen Sektion 56, dem Auslesespeicher 57 und dem Register 58 sind durch Pfeile

69 gekennzeichnet. Die Steuereinheit 64 läßt nur dann einen Zählimpul3 aus dem Zähler 66 zum Drucker 65 und damit zur digitalen Anzeige gelangen, wenn das Signal aue dem Register über die Ausgangsdiode 62 und den Verstärker 63 anliegt.

Selbstverständlich kann abweichend von Fig. 3 die Photoempfängermatrix 55 nur aus einer Spalte bestehen oder es kann das Register 58 unmittelbar an die optische Sektion 56 angesetzt sein. In diesem Pail wäre eine vereinfachte Schaltung des jeweiligen Impulsgebers mit dem Zähler 66 möglich.

Pig. 4 zeigt ein aus einzelnen quadratischen Photoempfän-

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gern 36 bestehendes Raster, mit dem eine quadratische Abtastmarke 37 zusammenwirkt. Die durch gieichbreite lichtunempfindliche Zwischenräume 38 getrennten Photoempfänger 36 und die Abtastmarke 37 sind vergrößert dargestellt. Ihre Größe bewegt sich bei entsprechend geforderter Meßgenauigkeit im Mikrometerbereich. Die Zwischenräume 38 haben dieselbe Breite wie die einzelnen Photoempfänger 36. Die Abtastmarke 37 hat eine Ausdehnung, die gleich der Ausdehnung eines Photoempfanger3 36 zuzüglich der Breite der ihn umgebenden Zwischenräume 38 ist. Bei Einhaltung des Verhältnisses 1:2 : 3 zwischen linearer Abmessung der Photoempfänger 36, des Abstandes der Mitten zweier benachbarter Photοempfänger und der linearen Abmessung der Abtastmarke 37 wird der Einfluß der Zwischenräume 38 auf die Genauigkeit der Messung ausgeschaltet. Die integrierte Schaltung zwischen den einzelnen .Photoelementen ermöglicht die unmittelbare digitale Anzeige eines Meßwertes. Dabei kann die Schaltung so ausgelegt sein, daß immer derjenige Photoempfänger bzw. diejenigen Photoempfänger als abgetastet gelten, die zu mehr als 50 % von der Abtastmarke erfaßt sind.

Die Möglichkeit einer zusätzlichen Interpolation oder Koordinatenmessung ist gegeben, wenn die Abtastmarke eine Leuchtmarke ist und der auf zwei benachbart liegende Photoempfänger treffende Lichtstrom photometrisch graduiert erfaßt wird.

In Pig. 5 ist ein.Photoempfängerraster 39 angedeutet, zu dem sich relativ eine Abtastmarke 40 in L-Form bewegt. Der Schenkel 40' der Abtastmarke dient zur Messung in X-Richtung und der Schenkel 40" dient zur Messung in Y-Richtung.

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X- und Y-Richtung sind in der Zeichnung durch Pfeile mit gemeinsamen Ursprung angegeben. Die Ausdehnung der Abtastmarke ist rechtwinklig zur jeweiligen Meßrichtung größer als die eines

Photοempfängers. . >

zwei
In Pig. 6 sindVReihengruppen 41; 42 von Photoempfän-

gern-im rechten Winkel zueinander angeordnet. Jede Reihengruppe 41 bzw. 42 besteht aus vier gleichen Reihen 43 bis 46 bzw. 47 bis· 50, die gegeneinander um halbe Photoempfängerbreiten oder ein Vielfaches davon versetzt sind. Der Signalerzeugung in den Photoempfängern dient eine teilweise dargestellte gitterfb'rmige Abtastmarke 51 oder deren Bild. Jeweils eine Gitterlinie 52 bzw. 53 ist parallel zu einer Reihengruppe 41 bzw. 42 gerichtet. Infolge des Versatzes der Reihen der Photoempfänger gegeneinander in einer Reihengruppe sind eine Meßgenauigkeit, die kleiner als die Ausdehnung eines Photoempfängers ist, und eine richtungsabhängige Messung möglich·

In Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus einer Reihengruppe von Photoempfängern dargestellt, in der die einzelnen Photoempfänger 54 rechteckige Formen haben und mit einer kreuzförmigen Abtastmarke 70 korrespondieren. , . .

Die Erfindung erschöpft sich nicht in den dargestellten Ausbildungen und Anordnungen der Abtastmarke und des Photoempfängerrasters. Beispielsweise könnte die Abtastmarke auch schachbrettartig ausgebildet sein -und auf das Photoempfängerraster abgebildet werden. Es könnten auch die in Fig. β dargestellten Photοempfängerreihen rasterförmig angeordnet sein.

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Claims

1.J Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Koordinate der Lage eines Punktes mit Hilfe einer relativ zu Photoempfängern bewegbaren Abtastmarke, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger gleicher Größe und Form unmittelbar benachbart in mindestens einer Reihe hintereinanderliegend angeordnet und in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt sind und daß die Größe der Abtastmarke mindestens gleich der Größe eines Photoempfängers ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet, die Größe der Photoempfänger und ihr Abstand voneinander in allen Reihen gleich und jeweils eine Reihe der Photο-empfänger gegenüber der benachbarten um einen Bruchteil des Abstandes zweier in einer Reihe benachbarter Photoempfänger versetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Gruppen von Reihen der Photoempfänger.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß.die Photoempfänger rasterförmig angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmarke L-förmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger rechtwinklig zur Meßrichtung größer als die Abtastmarke ausgebildet sind.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmarke gitter- oder rasterförmig ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmarke als Leuchtmarke mit konstanter Lichtstärke ausgebildet ist-.

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