DE2637361A1 - Vorrichtung zum messen der bewegung eines ersten teiles relativ zu einem zweiten teil - Google Patents

Vorrichtung zum messen der bewegung eines ersten teiles relativ zu einem zweiten teil

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DE2637361A1 DE19762637361 DE2637361A DE2637361A1 DE 2637361 A1 DE2637361 A1 DE 2637361A1 DE 19762637361 DE19762637361 DE 19762637361 DE 2637361 A DE2637361 A DE 2637361A DE 2637361 A1 DE2637361 A1 DE 2637361A1
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David George Brake
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    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

Description

DR.-ING. HANS LEYH
D-8 München 80,
Lucile-Grahn-Straße 38
Unser Zeichen: A 13 288
Lh/fi
FERRANTI LIMITED Hollinwood, Lancashire England
Vorrichtung zum Messen der Bewegung eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Bewegung eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil, mit einem Skalengitter, das an einem der beiden Teile angebracht ist und sich parallel zur Richtung der relativen Bewegung erstreckt, einem Indexgitter, das am anderen der beiden Teile angebracht ist, Einrichtungen zum Beleuchten des Skalengitters mit einer Strahlung, sowie einer Detektoreinrichtung zur Feststellung der räumlichen periodischen Verteilung der durch das Indexgitter erzeugten Strahlung.
Meßvorrichtungen dieser Art, in der die Bewegung eines Teiles relativ zu einem anderen Teil bestimmt wird, benutzen Signale, die von einem oder mehreren fotoelektrischen Umformernabgeleitet werden, die auf die räumliche periodische Verteilung
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der Strahlung ansprechen, die durch die Wechselwirkung von zwei oder mehr Gittern erzeugt wird, die periodische Veränderungen von Durchlässigkeit, Reflexion oder Wellenfront-Phasenverzögerung aufweisen, die auf die einfallende Strahlung einwirken. Die Gitter sind relativ zueinander in einer Ebene parallel zur Ebene des ersten Gitters beweglich und es sind elektrische Schaltungen oder Geräte vorgesehen, durch die eine Messung von den fotoelektrischen Signalen abgeleitet werden kann. Solche Meßvorrichtungen sind bekannt und z.B. in der britischen Patentschrift 914 438 beschrieben, nach welcher eine Strahlung durch ein erstes Gitter hindurchgeht, an einem zweiten Gitter reflektiert wird und dann zurück durch das erste Gitter läuft, ehe sie auf fotoelektrische Umwandler auftrifft.
Die meisten der bekannten Vorrichtungen benötigen einen schmalen Spalt zwischen den beiden Gittern, der während der Bewegung genau eingehalten werden muß. Eine Vorrichtung, die dieses Problem vermeidet, ist in der Druckschrift Nr. der Konferenz über Metrologie (conference on Metrology) beschrieben, die im Oktober 1974 im Birniehill Institute, National Engineering Laboratory, East Kilbridge, Glasgow, abgehalten wurde. Bei dieser Vorrichtung werden drei Gitter (oder zwei Gitter , wobei die Strahlung zweimal durch eines hindurchläuft ) verwendet, und sie erlauben einen beträchtlichen Spalt mit großer Toleranz zwischen den Gittern.
Ein weiteres Problem bei der Verwendung solcher Meßvorrichtungen, insbesondere bei Verwendung in Verbindung mit Maschinenwerkzeugen, ist die Verschmutzung des Skalengitters durch Flüssigkeiten und damit die Brechungsablenkung der Strahlung durch Verschmutzung der Skala durch die Flüssigkeit, oder eine Ablenkung der Strahlung infolge einer nicht vollständig ebenen Skala, wodurch entweder eine Verschiebung oder eine Modulation
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der von den fotoelektrischen Umwandlern gemessenen Strahlungsverteilung hervorgerufen wird.
Eine weitere Schwierigkeit ist die Ungleichheit der beiden oder mehreren fotoelektrischen Signale infolge einer Verschmutzung von nur einem Teil der bestrahlten Fläche des Skalengitters.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Verschmutzung des Skalengitters oder Ungenauigkeit hinsichtlich der Ebenheit des Gitters nicht zu einem fehlerhaften Betrieb oder zu wesentlichen Meßfehlern führt. Auch eine teilweise Verschmutzung der bestrahlten Fläche des Skalengitters soll nicht zu einem fehlerhaften Betrieb oder zu ins Gewicht fallenden Meßfehlern führen. Schließlich sollen die Gitter durch einen relativ großen Spalt mit größeren Toleranzen voneinander getrennt sein, so daß Meßfehler oder Beschädigungen aufgrund ungenauer Bewegung des einen Teiles relativ zu dem andern vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Skalengitter direkt beleuchtet wird, derart, daß die Strahlung die vom Skalengitter zum Indexgitter läuft, wenigstens teilweise diffus ist.
Die Detektoreinrichtung kann eine Linse oder einen Spiegel umfassen, um die räumlich und periodisch verteilte Strahlung auf einen fotoelektrischen Umformer zu fokussieren, der auf unterschiedliche Teile der Strahlungsverteilung anspricht. Alternativ kann der Detektor ein drittes Gitter aufweisen, um selektiv die Strahlung durchzulassen oder zu reflektieren, auf einen fotoelektrischen Umwandler, der auf verschiedene Teile der Strahlungsverteilung anspricht.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung und Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform.
Nach Fig. T ist ein langes reflektierendes Skalengitter 1 an einem ersten Teil 2 von zwei relativ beweglichen Teilen angebracht. Ein kürzeres durchlässiges Indexgitter 3 ist am anderen der Teile 4 angebracht. Die beiden Gitter sind im wesentlichen parallel zueinander und zur Richtung der relativen Bewegung, die durch den Pfeil 5 angezeigt ist, angeordnet.
Eine fadenförmige Lichtquelle 6 ist vorgesehen, um eine Strahlung, die wenigstens teilweise diffus ist, zu erzeugen, wobei die Strahlung durch eine Linse 7 direkt auf das Skalengitter 1 fokussiert wird. Ein Teil des Lichtes, das von dem Skalengitter 1 reflektiert wird, läuft durch das Indexgitter und trifft auf eine Detektoreinrichtung in Form von vier fotoempfindlichen Geräten,8, 9, 10 und 11. Die elektrischen Ausgänge der vier Geräte werden an eine elektrische Schaltung, bestehend aus den Stufen 12, 13 und 14 gelegt.
Die beiden Gitter 1 und 3 haben einen beträchtlichen Abstand voneinander, wie oben erwähnt. Wie erläutert, wird hierdurch das System unempfindlich gegenüber kleinen Änderungen im Abstand, z.B. infolge von Maschinen- oder Gitterungenauigkeiten.
Jedes der Gitter 1 und 3 trägt ein Muster von parallelen Linien, vorzugsweise rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung und mit der-
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selben Periode. Die Reflexion des Lichtes vom Gitter 1 und sein nachfolgender Durchgang durch das Gitter 3 führt zu einer räumlichen periodischen Lichtverteilung, die als sogenanntes Streifenmuster erscheint. Die vier lichtempfindlichen Geräte empfangen alle Licht von praktisch demselben Bereich des Skalengitters 1 und sie sind in einer Richtung senkrecht zur Länge.der Rillen auf den Gittern im Abstand angeordnet, so daß sie um 90° relativ zur Phase des Streifenmusters (fringe pattern) versetzt bzw. im Abstand angeordnet sind.
Die Ausgänge der Geräte 8 und 1CP stellen somit das Streifenmuster dar, das an Punkten auftritt, die 180° voneinander liegen, ebenso wie die Ausgänge der Geräte 9 und 11. Die Schaltkreistufe 12 faßt die Ausgänge der Geräte 8 und 10 und die der Geräte 9 und 11 zusammen, um zwei Signale zu erzeugen, die um 90° außer Phase sind und die an die Stufe 13 gelegt werden. Die beiden Signale werden verarbeitet, um sowohl die Richtung als auch die Größe jeder Relativbewegung zwischen den beiden Gliedern 2 und 4 anzuzeigen und diese Anzeige wird durch ein elektrisches Signal dargestellt, das an ein Anzeigegerät 14 gelegt wird.
Vorzugsweise sind das Skalengitter 1 und das Indexgitter 3 parallel zueinander angeordnet, obwohl dies nicht absolut wesentlich ist. Das Skalengitter 1 kann durchlässig und die Lichtquelle kann hinter ihm angeordnet sein. Das von der Lichtquelle emittierte Licht braucht nicht diffus sein, sofern das Skalengitter 1 so ausgebildet ist, daß das Licht, das von ihm zum Indexgitter 3 läuft, wenigstens teilweise diffus ist.
Die soweit beschriebene Meßvorrichtung kann in jeder von zwei unterschiedlichen Arbeitsweisen arbeiten, abhängig von der
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physikalischen Anordnung. Die geometrische Arbeitsweise ist eine, in der ein Streifenmuster rein aus der Geometrie des Systems entsteht, unter Berücksichtigung der Gitterlinienabs tände und des Abstandes und der Flucht bzw. Ausrichtung der beiden Gitter. Bei der anderen Arbeitsweise, der sogenannten Diffraktions-Arbeitsweise, wird das Streifenmuster durch Diffraktionswirkungen erzeugt. Obwohl beide Arbeitsweisen benutzt werden können, wird die geometrische Weise vorgezogen. Der Betrieb in dieser Arbeitsweise ist definiert durch die folgenden Gleichungen:
ν Cl
b " - ■■ --' (D
-I
sm,
P9 sin /3 (a+b)
-A ? (2)
wobei n-j und n^ kleine ganze Zahlen sind, die keinen gemeinsamen Teiler haben, p^ und p2 sind die Perioden des ersten Gitters (Skalengitter) und des zv/eiten Gitters (Indexgitter) , d£und β sind die Winkel zwischen der optischen Achse und dem ersten und zweiten Gitter entsprechend, a ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter, b ist der Abstand zwischen dem zweiten Gitter und der Detektoreinrichtung und p^ ist die Periode des entstehenden Linien- oder Streifenmuster.
Die eben beschriebene Ausführungsform erfordert die Verwendung von kleinen fotoempfindlichen Geräten, um sicherzustellen, daß sie auf die gewünschten Teile des Streifenmusters ansprechen. Wegen ihrer geringen Größe wird nur eine relativ kleine Licht-
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menge von ihnen aufgefangen. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ermöglicht die Verwendung von größeren Geräten mit der Folge, daß größere Lichtmengen aufgefangen werden können.
Der einzige Unterschied bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die Verwendung eines dritten Gitters 15, das zwischen dem zweiten Gitter 3 und den fotoempfindlichen Geräten 8-11 angeordnet ist. Dieses Gitter hat eine Periode, die leicht verschieden gegenüber der Periode p3 des Streifenmusters ist und es wirkt daher als ein Nonius-Gitter (Feineinstellgitter), wodurch ein Streifenmuster mit wesentlich größerer Teilung erzeugt wird, so daß größere fotoempfindliche Geräte benutzt werden können.
Das dritte Gitter kann aus vier Abschnitten bestehen, von denen jeder dieselbe Periode wie das Streifenmuster hat, wobei die Abschnitte jedoch räumlich um 90° relativ zueinander versetzt sind.
Alternativ kann das Gitter 15 dieselbe Periode wie das Streifenmuster haben, jedoch leicht schräg angeordnet sein, d.h. seine Rillen sind nicht vollständig parallel zu den Rillen bzw. Linien des Streifenmusters. Dies führt zur Erzeugung eines konventionellen Moire-Streifenmusters.
Die dritte Ausführungsform nach Fig. 3 hat zwei weitere Merkmale» Das erste ist eine Linse 16, die zwischen dem zweiten Gitter und dem dritten Gitter 15 angeordnet ist. Sie dient dazu, das von dem Gitter 3 erzeugte Streifenmuster auf die Detektoren 8 bis 12 zu fokussieren, wodurch der Abstand zwischen diesen reduziert werden kann. Der kombinierte Effekt der Linsen 7 und ist es, ein Bild der Lichtquelle 16 in derselben Ebene, in der das Streifenmuster liegt, zu erzeugen.
Das andere Merkmal nach Fig. 3 ist die Verwendung eines Glas-
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blockes 17, der den größten Teil des Raumes zwischen den Gittern 1 und 3 ausfüllt. Hierdurch wird eine Verschmutzung des Gitters 3 verhindert. Wenn die zweite Linse 16 benutzt wird, ist der Abstand zwischen der Linse und den Detektoren sowie die Periode des entstehenden Streifenmusters durch die folgenden Gleichungen gegeben:
f (b - by)
b3 P3 (4)
p4 = b - b2
worin b und p, dieselben Größen wie bei den Gleichungen 1 und sind, während b~ der Abstand zwischen dem zweiten Gitter und der Linse und f die Brennweite der Linse sind.
Die elektrische Schaltung ist nicht im einzelnen beschrieben, da hierzu bekannte Schaltungsanordnungen verwendet werden können.
Wie in der Zeichnung dargestellt, kann die Lichtquelle eine übliche Glühfadenlampe sein, obwohl auch andere Lichtquellen verwendet werden können. Die Länge des Glühfadens gewährleistet, daß das auf das Skalengitter 1 fallende Licht wenigstens teilweise diffus ist. Die Verwendung von diffusem Licht, das auf das Skalengitter fällt, hat die Wirkung, daß jeder reflektierende Teil des Gitters eine Quelle einer diffusen Beleuchtung des Indexgitters bildet.
Es ist dies der Grund, daß eine teilweise oder ganze Verschmutzung
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— y _
des relevanten Teiles des Skalengitters durch Schneidflüssigkeiten oder Abfall, oder andere möglicherweise auftretende Verschmutzungen, wenn überhaupt, nur einen geringen Einfluß auf die Beleuchtung des Indexgitters, abgesehen von der Verminderung der Intensität der Beleuchtung, haben. Änderungen der Intensität der Beleuchtung werden durch Verwendung der vier fotoempfindlichen Geräte 9 bis 12 aufgefangen.
Die Lichtquelle braucht nicht auf dem Teil 4 angebracht sein, wenn sie jedoch auf dem Teil 2 angebracht ist, sollte es eine langgestreckte Lichtquelle sein, so daß die gesamte Länge des Skalengitters beleuchtet wird.
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine lineare Relativbewegung zwischen den beiden Teilen. Wenn die Relativbewegung kreisförmig ist, können radiale Gitter verwendet werden.
Die beiden Gitter 1 und 3 müssen nicht dieselbe Teilung haben. Wenn die Teilung des Indexgitters 3 von derjenigen des Skalengitters 1 differiert, so wird das Streifenmuster in einer Ebene erzeugt ohne die Verwendung einer Linse 8. Die Linsen 7 und 8 können, wenn gewünscht, durch geeignete Spiegel ersetzt werden.
Der Abstand zwischen dem Skalengitter und dem Indexgitter kann einige Millimeter bis einige Zentimeter betragen. Dies ist sehr viel mehr als bei üblichen Systemen, bei denen der Abstand einige hundertstel Millimeter beträgt.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Vorrichtung zum Messen der Bewegung eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil, mit einem Skalengitter an einem der beiden Teile, das sich parallel zur Richtung der Bewegung erstreckt, einem Indexgitter am anderen der beiden Teile, Einrichtungen zum Beleuchten des Skalengitters mit einer Strahlung und Detektoreinrichtungen zum Feststellen der räumlichen periodischen Verteilung der Strahlung, die durch das Indexgitter erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Skalengitter (1) direkt beleuchtbar ist, derart, daß die Strahlung, die von dem Skalengitter (1) zum Indexgitter (3) läuft, wenigstens teilweise diffus ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Skalengitter (1) ein reflektierendes Gitter ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (6) zur Beleuchtung des Skalengitters (1) an den Teil (4) der beiden beweglichen Teile angeordnet ist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsweise der Vorrichtung die folgenden Gleichungen erfüllt:
    nTpTsinö?
    - 1
    b =
    und
    - 11 -
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    p2sin/?(a+b)
    worin η- und η. kleine ganze Zahlen sind, die keinen gemeinsamen Teiler haben, p., und p2 sind die Perioden des Skalengitters und des Indexgitters, ö( und fo sind die Winkel zwischen der optischen Achse und dem Skalengitter sowie dem Indexgitter, a ist der Abstand zwischen den beiden Gittern, b ist der Abstand zwischen dem Indexgitter und der Detektoreinrichtung und p3 ist die Periode des resultierenden Streifenmusters.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein drittes Gitter (15) , dessen Teilung sich etwas gegenüber der räumlichen periodischen Verteilung der Strahlung unterscheidet und das zwischen dem Indexgitter (3) und der Detektoreinrichtung (8 bis 11) angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennz e i chnet durch ein drittes Gitter (15), das dieselbe Teilung wie die räumliche periodische Strahlungsverteilung hat und zwischen dem Indexgitter (3) und der Detektoreinrichtung liegt und etwas schräg bezüglich dieser periodischen Strahlungsverteilung angeordnet ist.
    7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e kennzeichnet durch ein optisches Element zur Fokussierung der räumlichen periodischen Strahlungsyerteilung auf die Detektoreinrichtung.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das optische Element eine Lins'e (16) ist.
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    — 1 e. ~
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitter lineare Gitter sind.
    10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoreinrichtung vier strahlungsempfindliche Geräte (8 bis 11) aufweist, die auf unterschiedliche Teile der räumlichen periodischen Strahlungsverteilung ansprechen, die von demselben Bereich des Skalengitters (1) abgeleitet sind.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17), die den Hauptteil des Raumes zwischen dem Skalengitter (1) und dem Indexgitter (3) ausfüllt, um eine Verschmutzung des Indexgitters zu verhindern.
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