DE2557136C3

DE2557136C3 - Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen mit Ziffernablesung

Info

Publication number: DE2557136C3
Application number: DE2557136A
Authority: DE
Inventors: Adam Dr.-Ing. Dubik; Henryk Zenon Dr.-Ing. Kowalski; Franciszek Dipl.-Ing. Krol; Pawel Dipl.-Ing. Osiennik
Original assignee: INSTYTUT GEODEZJI I KARTOGRAFII WARSCHAU
Current assignee: INSTYTUT GEODEZJI I KARTOGRAFII WARSCHAU
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1979-03-15
Also published as: CA1056593A; CH602981A5; JPS5416753B2; DE2557136B2; FR2296836A1; FR2296836B1; DE2557136A1; PL105392B1; JPS5193252A; SE7514370L

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen eines Meßobjekts 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 Skalen, die auf mechanischem, chemischem, optischem oder magnetischem Wege aufgetragen sind, wobei zur Erhöhung der Ablesegenauigkeit 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 54 755 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 35 52 86i ist ferner eine zur Messung der Verschiebungen von Einheiten bei

ίο 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 35 78 979 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die Verschiebung durch Addieren von Lichtimpulsen gemessen wird, die durch

ίο Verschiebung von mit dem zu messenden Objekt verbundenen Teilungsgittern erzeugt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen zu schaffen, mit welcher eine erhebliche Erhöhung der Meßgenauigkeit gegenüber den mit bekannten Vorrichtungen erzielbaren Ergebnissen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einer mit sehr dicht und sehr genau eingetragenen Linien versehenen Meßskala sowie mit einem Lichtimpulsgenerator ausgestattet, der eine unmittelbare Umsetzung der linearen oder winkeligen Verschiebung dieser Meßskala in elektrische Impulse ermöglicht. Untersuchungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben gezeigt, daß die Meßskala 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 Tausen Linien auf der Länge von 1 mm, d. h. mit einem sehr hohen, bisher nicht erreichtem Auflösungsvermögen.

Um die Umsetzung der Verschiebungen einer Meßskala mit hoher Liniendichte zu ermöglichen, ist der Lichtimpulsgenerator mit einem optischen System ausgerüstet, das ein vergrößertes Bild der Meßskala erzeugt, und es ist eine Streifenblende vorgesehen, welche verschiebbar gegenüber dem vergrößerten Skalenbild angeordnet ist. Die Streifenblende wird durch ein photographisch abgebildetes Bild der Meßskala dargestellt, dessen Vergrößerung identisch und in demselben Maßstab erfolgt wie das vergrößerte Skalenbild.

Die Verschiebung der Streifenblende gegenüber dem durch das optische System erzeugten, vergrößerten Bild der Meßskala bewirkt eine Abdeckung der Zwischenlinienbereiche des Skalenbildes durch Linien der Streifenblende, wodurch beim Verschieben der Meßskala 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 35 78 979, jedoch werden

3 4

dort nicht wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Ziffernanzeiger 7 zur digitalen Darstellung des Meßerdie gegenseitigen Verstellungen eines vergrößerten gebnisses.

Skalenbildes und einer Streifenblende, die eine photo- In der in Fig.2 dargestellten Beispielsausführung

graphische Registrierung dieses Skalenbildes ist ausge- wird die Strahlungsquelle 1, durch eine sichtbares Licht nutzt Dadurch werden Beugungserscheinungen besei- 5 abstrahlende Lampe gebildet jedoch kann auch eine tigt was ermöglicht, exakte und gut registrierbare andere Strahlungsquelle, z. B. eine Infrarotstrahlungs-Lichtimpulse bei bedeutend größerer Liniendichte der quelle, angewendet werden, wodurch die Vorrichtung Meßskala zu erreichen. Dadurch wird eine entsprechen- anderen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann, de Erhöhung der Meßgenauigkeit erzielt In diesem Falle muß auch entsprechend der anzuwen-

Ferner ist es bekannt eine Meßskala vergrößert auf io denden Strahlung der Detektor 5 angepaßt werden,
eine spezieJ! geformte Spaltblende abzubilden, deren Das optische System 3 dient zur Erzeugung eines

Teilung der im Abbildungsmaßstab vergrößerten Tei- vergrößerten Bildes 10 der Meßskala 2. Der Lichtimlung der Meßskala entspricht, wobei die Signale ge- pulsgenerator 4 ist mit einer Streifenblende 9 versehen, zählt werden, die jeweils entstehen, wenn wenigstens welche ein photographisch aufgenommenes, identisch ein Maßstabsstrich in einen Spalt der Spaltblende ein- 15 und in demselben Maßstab wie das Skalenbild 10 läuft (DE-OS 1583018). Da hier die Größe der Licht- vergrößertes registriertes Bild der Meßskala 2 darstellt, impulse für das Zählergebnis maßgeblich sind, wirken Als lichtelektrischer Detektor 5 dient eine an sich

sich Beugungserscheinungen bei enger Maßstabstei- bekannte Siliziumdiode, welche die auf die lichtempfindlung nachteilig auf das Meßergebnis aus. Demgegen- liehe Fläche fallenden Lichtimpulse in entsprechende über erlaubt es die erfindungsgemäße Lösung, eine sehr 20 elektrische Impulse umsetzt.

große Liniendichte der Meßskala zu verwenden, ohne Der Zähler 6 dient zum Addieren der auf den Eingang

daß das Meßergebnis durch Beugungserscheinungen gegebenen elektrischen Signale, während das Meßerbeeinflußt wird. gebnis in Ziffernform auf dem Anzeiger 7 angezeigt

Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausge- wird.

nutzte Verfahren, die aufgrund der Verschiebungen der 25 Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachstemit dem Meßobjekt verbundenen Skala erhaltenen hend beschrieben: Das Meßobjekt, dessen Verschie-Impulse direkt in Lichtimpulse, und diese anschließend bungsgröße zu bestimmen ist, ist mit der Meßskala 2 in entsprechende, leicht addierende elektrische Impulse oder der Streifenblende 9 gekuppelt, was bei Verschieumzusetzen, ermöglicht eine unmittelbare und schnelle ben des Meßobjekts eine entsprechende gegenseitige Ziffernablesung des Meßergebnisses. 30 Verschiebung von Meßskala 2 und Streifenblende 9

Darüber hinaus lassen sich mit der erfindungsgemä- ergibt. Während der gegenseitigen Verschiebung des Ben Vorrichtung Messungen von Verschiebungen in vergrößerten Skalenbildes 10 und der Streifenblende 9 einem sehr weiten Geschwindigkeitsbereich durchfüh- erfolgt eine wechselweise Abdeckung und Freigabe des ren. Im Zusammenwirken mit einem geeigneten Zwischenlinienbereichs der Streifenblende 9 durch die Zeitbezugssystem ermöglicht die Vorrichtung eine ₃₅ Streifen des vergrößerten Skalenbildes 10. Die Anzahl leichte Messung von Geschwindigkeiten, Beschleuni- der dadurch erzeugten Lichtimpulse ist direkt proporgungen, bzw. Ableitungen verschiedener Meßgrößen, tional zur Größe der zu messenden Verschiebung des welche durch Verschiebungen von physischen Größen Meßobjekts.

gemessen werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Da die Lichtimpulse durch eine gleichzeitige Abdek-Vorrichtung als unmittelbares, mit einer Ziffernrechen- ₄₀ kung und Freigabe von mehreren Zvvischenlinienbereimaschine gekoppeltes Glied Einsatz finden und somit chen der Streifenblende 9 durch die sich demgegenüber Bestandteil von Steuerungsanlagen für verschiedene verschiebenden Streifen des vergrößerten Skalenbildes herstellungstechnische Prozesse bilden. 10 erzeugt werden, erreicht man eine hohe Zuverlässig-

Die Anwendung einer zusätzlichen Einheit, z. B. eines keit in der Unterscheidung der einzelnen Skalenstriche, Analog-Digital-Umsetzers, erlaubt, die Verschiebungs- ₄₅ und dadurch zugleich eine hohe Ablesezuverlässigkeit,
größen in analoger Form darzustellen. jeder auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors 5

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines fallende Lichtimpuls wird in einen elektrischen Impuls Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung umgesetzt. Die elektrischen Impulse werden durch den zeigt Zähler 6 zusammengezählt und das Ergebnis wird, nach

F i g. 1 einen Blockschaltplan der Vorrichtung zur 50 Dividieren der Impulssumme durch die der Verschiedirekten Messung mit Ziffernablesung von linearen oder bungseinheit entsprechende Impulsanzahl, auf dem winkeligen Verschiebungen, Anzeiger 7 als Meßergebnis aufgezeigt.

Fig. 2 einen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung Die Fig. 3 stellt eine Vorrichtung dar, bei welcher die

zur Messung mit Ziffernablesung von linearen Verschie- als Hologramm ausgebildete Meßskala H auf dem bungen, ₅₅ Umfang eines Zylinders aufgetragen ist, wobei der

F i g. 3 einen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung Zylinder mit dem Meßobjekt, dessen Winkelverschiezur Messung mit Ziffernablesung von winkeligen bung zu messen ist, gekuppelt ist. In diesem Falle bildet Verschiebungen mit Umfangsskale, und die Streifenblende 9 der Vorrichtung eine phoiographi-

F ig. 4 die Vorrichtung gemäß F ig. 3 mit Radialskala. sehe Abbildung des vergrößerten Bildes eines Aus-

Die Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffern- 60 schnittes der auf dem Zylinder aufgetragenen Meßskala ablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen, 8. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist dieselbe deren Blockschaltplan in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt wie die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung,
folgende Baugruppen: eine Strahlungsquelle 1, welche Wie in F i g. 4 gezeigt, kann die Vorrichtung auch mit

die Meßskala 2 mit großer Liniendichte beleuchtet, einer auf dem Umfang einer Scheibe in Form von einen Lichtimpulsgenerator 4 mit einem optischen 65 radiaicn Linien aufgetragenen Skala 12 arbeiten. In Vergrößerungssystem 3 und einer Streifenblende 9, diesem Falle wird die Streifenblende 9 durch ein einen lichtelektrischer Detektor 5 sowie einen Zähler 6 registriertes, photographisch vergrößertes Bild der zum Addieren der elektrischen Impulse und einen Skala 12 gebildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen eines Meßobjekts mit Ziffernablesung, mit einem Lichtimpulsgenerator und einem lichtelektrischen Detektor zum Erfassen und Zählen der durch gegenseitiges Verschieben von mit dem Meßobjekt verbundenen Teilungsgittern erzeugten Lichtimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpulsgenerator (4) ein optisches Vergrößerungssystem (3) zur Erzeugung eines vergrößerten Skalenbildes (10) einer Meßskala (2; 8;12) aufweist sowie eine gegenüber dem vergrößerten Skalenbild (10) paraläel verschiebliche Streifenblende (9), welche ein photographisch aufgenommenes, identisch und in demselben Maßstab wie das Skalenbild (10) vergrößertes registriertes Bild der Meßskala (2; 8 oder 12) darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (2; 8 oder 12) in Form eines Hologramms mit großer Liniendichte ausgebildet 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 Meßskala (2) eben ist und die Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (8) auf dem Umfang einer Zylinderfläche aufgetragen ist, dessen Winkelverschiebung zu messen ist, wobei die Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (12) auf dem Umfang einer sich drehenden Scheibe aufgetragen ist und ihre Skalenlinien in Radialrichtung verlaufen.