DE2557136A1 - Vorrichtung zur unmittelbaren messung von linearen und winkeligen verschiebungen mit ziffernablesung - Google Patents
Vorrichtung zur unmittelbaren messung von linearen und winkeligen verschiebungen mit ziffernablesungInfo
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Description
HOFFMANN · EITLK Ot PARTNER
PATENTANWÄLTE OR. ING. E. HOFFMANN ■ DIPL-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K.HOFFMAN N ■ DIPL-ING. W. LEH N
D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 {STERN HAUS) · TELEFON (08?) 9Π087 . TELEX 05-29619 (PATHE)
Instytut Geodezji i Kartografii, Warschau (Polen)
Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen mit Ziffernablesung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen mit Ziffernablesung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von Verschiebungen erfolgt die Messung meistens durch Ablesen der Verschiebungsgröße
auf auf mechanischem, chemischem, optischem oder magnetischem Wege aufgetragenen Skalen, wobei zur Erhöhung der Ablesegenauigkeit
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Vorrichtungen mit Hilfsskalen, z.B. Nonien oder Mikrometerschrauben,
oder optische Geräte, z.B. Projektionsapparate oder Mikroskope, welche die Skala vergrößern, eingesetzt werden. Der hauptsächlichste
Nachteil solcher Vorrichtungen besteht in der Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von dem beschränkten Auflösungsvermögen der Skala und in der Beeinflussung durch Beobachtungsfehler.
Aus der polnischen Patentschrift Nr. 54755 sind Vorrichtungen bekannt, welche eine direkte Ziffernablesung der linearen oder
winkeligen Verschiebungen ermöglichen. Die Meßgenauigkeit solcher Vorrichtungen ist jedoch durch die Aufnahme- und Ablesegenauigkeit
bestimmt, welche bei den bekannten, auch durch höchste Genauigkeit gekennzeichneten Vorrichtungen dieser Art, den Wert von 300 Bits/
Millimeter nicht überschreitet. Die weitere Steigerung der Genauigkeit von Meßvorrichtungen verlangt besondere verfahrungstechnische
Maßnahmen, sowie zusätzliche Ableseeinrichtungen,wie z.B. elektronische Nonien, welche abgesehen von der Erhöhung der
Kosten den Aufbau der Vorrichtung komplizieren und zugleich deren Betriebszuverlässigkeit vermindern.
Aus der US-Patentschrift Nr. 3 552 861 ist ferner eine zur Messung
der Verschiebungen von Einheiten bei Werkzeugmaschinen dienende Vorrichtung bekannt, bei welcher ein Beugungsgitter für die Messung
ausgenutzt wird. Die Genauigkeit dieser Vorrichtung ist jedoch ebenfalls durch das Auflösungsvermögen des Beugungsgitters beschränkt,
welche bei bekannten Herstellungsverfahren einige hundert Zeichen oder Linien auf einem Millimeter nicht überschreitet.
Aus der US-Patentschrift Nr. 3 578 979 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die Verschiebung durch Addieren von Lichtimpulsen
gemessen wird, die durch Verschiebung von mit dem zu messenden Element verbundenen Teilungsgittern erzeugt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen
Verschiebungen zu schaffen, mit welcher gleichzeitig eine erhebliche Erhöhung der Meßgenauigkeit gegenüber den mit bekannten
Vorrichtungen erzielbaren Ergebnissen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einer mit sehr dicht
und sehr genau eingetragenen Linien versehenen Skala sowie mit einem Lichtimpulsgenerator ausgestattet, der eine unmittelbare
Umsetzung der linearen oder winkeligen Verschiebung dieser Skala in elektrische Impulse ermöglicht. Untersuchungen mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung haben gezeigt, daß die Skala vorzugsweise in Form eines Hologramms auszubilden ist, d.h% auf dem Wege
der photographischen Abbildung von mittels Laser erzeugten kohärenten Wellen. Dies ermöglicht die Schaffung einer Skalendichte
in der Größenordnung von einigen Tausend Linien auf der Länge von 1 mm, d.i. mit einem sehr hohen, bisher nicht erreichtem Auflösungsvermögen.
Um die Umsetzung der Verschiebungen einer Skala mit hoher Liniendichte
zu ermöglichen, ist der Lichtimpulsgenerator mit einem optischen System ausgerüstet, das ein vergrößertes Bild der Skala
erzeugt, und es ist eine Streifenblende vorgesehen, welche verschiebbar
gegenüber dem vergrößerten Skalenbild angeordnet ist. Die Streifenblende wird durch ein photographisch abgebildetes
Bild dargestellt, dessen Vergrößerung identisch und in demselben Maßstab wie das vergrößerte Skalenbild ist.
Die Verschiebung der Streifenblende gegenüber dem durch das optische
System erzeugten, vergrößerten Bild der Skala bewirkt
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eine Abdeckung der Zwischenlinienbereiche des einen Elements durch Linien des zweiten Elements, wodurch auf an sich bekannte
Weise Lichtimpulse erzeugt werden, deren Anzahl direkt proportional
zu der zu messenden Verschiebung ist. Die Lichtimpulse werden anschließend auf an sich bekannte Weise, z.B. mittels
eines Detektors, in entsprechende, leicht zusammenzählbare elektrische Impulse umgesetzt.
Die Erzeugung von Lichtimpulsen ist zwar bekannt, z.B. aus der US-Patentschrift Nr. 3 578 979, jedoch wird bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in bisher nicht bekannter Weise die gegenseitigen Verstellungen des vergrößerten Skalenbilds und der
Streifenblende, die eine phötographische Registrierung dieses Bildes ist, ausgenutzt. Dadurch werden Beugungserscheinungen
beseitigt, was ermöglicht, exakte und gut registrierbare Lichtimpulse bei bedeutend größerer Liniendichte der Meßskala zu erreichen.
Dadurch wird eine entsprechende Erhöhung der Meßgenauigkeit erzielt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: einen Blockschaltplan der Vorrichtung zur direkten
Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen,
Fig. 2: einen übersichtsschaltplan der Vorrichtung zur Messung
mit Ziffernablesung von linearen Verschiebungen,
Fig. 3: einen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung zur Messung
mit Ziffernablesung von winkeligen Verschiebungen mit ümfangsskala und
Fig. 4: die Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit Radialskala.
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Die Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen/ deren Blockschaltplan
in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus folgenden Baugruppen: einer Strahlungsquelle 1, welche die Skala 2 mit großer Liniendichte
beleuchtet, einem Lichtimpulsgenerator 4, der ein optisches
Vergrößerungssystem 3 umfaßt, einem Detektor 5, einer Zähleinheit
6 zum Addieren der elektrischen Impulse und einem Ziffernanzeiger
7 zur digitalen Darstellung des Meßergebnisses.
In der in Fig. 2 dargestellten Beispielsausführung wird die Strahlungsquelle 1 durch eine sichtbares Licht abstrahlende Lampe
gebildet, jedoch kann auch eine andere Strahlungsquelle, z.B. eine Infrarotstrahlungsquelle, angewendet werden, wodurch die
Vorrichtung anderen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. In diesem Falle muß auch entsprechend der anzuwendenden Strahlung
der Detektor 5 angepaßt werden.
Das optische System 3 dient zur Erzeugung eines vergrößerten Bilds
10 der Skala 2. Der Lichtimpulsgenerator 4 ist mit einer Streifenblende 9 versehen, die identisch und in demselben Maßstab dem
vergrößerten Bild 10 der Skala 2 entspricht.
Als Detektor 5 dient eine an sich bekannte Siliziumdiode, die die
auf deren lichtempfindliche Fläche fallenden Lichtimpulse in entsprechende elektrische Impulse umsetzt.
Die Zähleinheit 6 dient zum Addieren der auf ihren Eingang gegebenen
elektrischen Signale, während das Meßergebnis in Ziffernform auf dem Anzeiger 7 angezeigt wird.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachstehend beschrieben:
Bas Element, dessen Verschiebungsgröße zu bestimmen ist, ist mit der Skala 2 oder der Streifenblende 9 gekuppelt, was bei Verschieben
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des Elements eine entsprechende gegenseitige Verschiebung von Skala 2 und Streifenblende 9 ergibt. Während der Verschiebung,
z.B. des vergrößerten Bilds 10 gegenüber der Streifenblende 9, erfolgt eine wechselweise Abdeckung und Aufdeckung des Zwischenlinienbereichs
der Streifenblende 9 durch die Streifen des vergrößerten Bildes 10. Die Anzahl der dadurch erzeugten Lichtimpulse
ist direkt proportional zur Größe der zu messenden Verschiebung.
Da die Lichtimpulse durch eine gleichzeitige Abdeckung von mehreren
Zwischenlinienbereichen der Streifenblende 9 durch die sich demgegenüber
verschiebenden Streifen des vergrößerten Bildes 10 erzeugt werden, erreicht man eine hohe Zuverlässigkeit in der Unterscheidung
der einzelnen Skalenstrichen, und dadurch zugleich eine hohe Ablesezuverlässigkeit.
Jeder auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors 5 fallende
Lichtimpuls wird in einen elektrischen Impuls umgesetzt. Die elektrischen Impulse werden durch die Zähleinheit 6 zusammengezählt
und das Ergebnis wird, nach Dividieren der Impulssumme durch die der Verschiebungseinheit entsprechenden Impulsanzahl, auf dem
Anzeiger 7 als Meßergebnis aufgezeigt.
Die Fig. 3 stellt eine Vorrichtung dar, bei welcher die als Hologramm ausgebildete Skala 8 auf dem Umfang eines Zylinders aufgetragen ist, wobei der Zylinder 8 mit dem Element, dessen Winkelverschiebung
zu messen ist, gekuppelt ist. In diesem Falle bildet die Streifenblende 9 der Vorrichtung eine photographische Abbildung
des vergrößerten Bilds eines Ausschnittes der auf dem Zylinder aufgetragenen Skala 8. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist
dieselbe wie die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung.
Wie in Fig. 4 gezeigt, kann die Vorrichtung mit einer auf dem
Umfang einer Scheibe in Form von radialen Linien aufgetragenen
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Skala 12 arbeiten. In diesem Falle wird die Streifenblende 9 durch ein registriertes, photographisch vergrößertes Bild der
Skala 12 gebildet.
Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgenutzte Verfahren, die aufgrund der Verschiebungen der Skala 2, 8 bzw. 12 erhaltenen
Impulse direkt in Lichtimpulse, und diese anschließend in entsprechende, leicht addierende elektrische Impulse umzusetzen,
ermöglicht eine unmittelbare und schnelle Ziffernablesung des Meßergebnisses.
Darüber hinaus lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Messungen von Verschiebungen in einem sehr weiten Geschwindigkeitsbereich
durchführen. Im Zusammenwirken mit einem geeigneten Zeitbezugssystem ermöglicht die Vorrichtung eine leichte Messung
von Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, bzw. Ableitungen verschiedener Meßgrößen, welche durch Verschiebungen von physischen
Größen gemessen werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
als unmittelbares, mit einer Ziffernrechenmaschine gekoppeltes Glied Einsatz finden und somit Bestandteil von Steuerungsanlagen
für verschiedene herstellungstechnische Prozesse bilden.
Die Anwendung einer zusätzlichen Einheit, z.B. eines Analog-Digital-Umsetzers,
erlaubt, die Verschiebungsgrößen in analoger Form darzustellen.
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Claims (5)
- PatentansprücheVorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen mit Ziffernablesung, mit einer Skala und einem aufgrund gegenseitigen Verschiebens von Teilgittern Lichtimpulse erzeugenden Generator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator (4) mit einem optischen System (3) ausgerüstet ist, das ein vergrößertes Bild (10) der Skala (2; 8; 12) erzeugt, und daß eine gegenüber dem vergrößerten Bild (10) der Skala (2; 8; 12) parallel verschiebliche Streifenblende (9) vorgesehen ist, welche ein photographisch aufgenommenes/ identisches und in demselben Maßstab wie das Bild (10) vergrößertes Bild der Skala (2; 8 oder 12) ist.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala (2; 8 oder 12) durch ein Hologramm mit großer Liniendichte gebildet ist, das durch photographische Abbildung des linienartigen Interferenzmusters von kohärenten Wellen erzeugt ist.
- 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala (2) eben ist und die Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.
- 4.- Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Skala (8) auf eine Zylinderfläche aufgetragen ist, wobei deren Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.
- 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Skala (12) auf dem Umfang einer Scheibe aufgetragen ist und ihre Skalenlinien in Radialrichtung verlaufen.S09827/068SLeerseite
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