DE2720195A1

DE2720195A1 - Vorrichtung zum messen von groesse und richtung einer bewegung

Info

Publication number: DE2720195A1
Application number: DE19772720195
Authority: DE
Inventors: Alexander Turnbull Shepherd
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1976-05-08
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1977-11-17
Also published as: JPS588444B2; JPS52142539A; GB1525049A; US4115008A

Description

P α f e η f π n \v ο I ί r

'i·. wr. «al.

Unser Zeichen: A 14 018

Lh/3

LIMITED
Hollxnwood, Lancashire (England)

Vorrichtung zum Messen von Größe und Richtung einer Bewegung

⁷ 0 9. R L β / 1 0 7

272Ü195

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Größe und Richtung der Relativbewegung eines ersten Gegenstandes in einer von zwei Riehtungen relativ zu einem zweiten Gegenstand.

Messungen der Relativbewegungen von zwei Gegenständen zueinander sind häufig erforderlich bei Werkzeugmaschinen oder Maschinen- und Prüfwerkzeugen. Es sind Verfahren bekannt, um solche Messungen durchzuführen, z.B. solche, die zwei optische Gitter verwenden, von denen je eines an einem der Gegenstände angebracht ist. In den britischen Patentschriften 760 321 und 810 478 sind solche Methoden beschrieben. Bei diesen Verfahren ist ein sehr enger Spalt zwischen den beiden optischen Gittern erforderlich, und sie sind sehr empfindlich auf Änderungen des Abstandes und der relativen Fluchtung der beiden Gitter. Ferner leidet die Genauigkeit durch Verschmutzung der Gitterflächen durch Öl, Schneidflüssigkeit, Abfall und dgl., wodurch die Gitterflächen getrübt oder abgedeckt werden können.

Insbesondere haben bisherige Systeme ihre gegenphasigen Ausgleichssignale von separaten Bereichen des Gitters abgeleitet, so daß eine ungleichförmige Verschmutzung diese in unterschiedlichem Maße beeinflußt, was zu Fehlern führt·

Um dies zu vermeiden, war es daher notwendig, sehr genaue Führungen für die bewegten Teile der Vorrichtungen zu schaffen und Mittel vorzusehen, um soweit wie möglich Materialien auszuschließen, die die Gitterflächen verschmutzen könnten.

's' ²⁷'^!lu5

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie einwandfreie Messungen unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein reflektierendes Gitter, das an einem der beiden relativ zueinander beweglichen Gegenständen angebracht ist, wobei die Gitterlinien im wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufen, einem optischen System, das am anderen der beiden relativ bewegbaren Gegenstände angebracht ist und eine Lichtquelle aufweist zur Erzeugung von wenigstens drei Lichtstrahlen, die in gleichen Abständen in einer dichtung im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien angeordnet sind, eine erste Linse mit einer Lichtquelle, die in ihrer Brennpunktebene angeordnet ist, um die iiicht strahl en auf einen Bereich des Gittere zu richten, wo sie reflektiert werden, eine zweite Linse, um die von dem Gitter reflektierten Lichtstrahlen auf einen Spiegel zu fokusieren, der eine gleichmäßige Drilling um eine Achse hat, die im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien liegt, eine dritte Linse, bei der der Spiegel im wesentlichen in ihrer Brennpunktebene liegt, um die vom Spiegel reflektierten Strahlen auf einen anderen Bereich des Gitters zum Zwecke der Reflektion zu richten, und durch eine vierte Linse, um jeden weiteren reflektierten Lichtstrahl auf ein separates lichtempfindliches Gerät zu fokusieren.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert, in welchen

ι 0 0 P, U R / 1 Π 7 ;

ORIGINAL INSPECTED

_ / _ 2 7 2 υ Ί υ 5

Fig. 1 schematisch ein Gitter und ein optisches System zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des Spiegels nach den Figuren 1 und 2.

Nach den Figuren 1 und 2 ist ein reflektierendes Gitter 10 an dem ortsfesten Bett einer Maschine 11 angebracht und ausgerichtet, so daß die Gitterlinien 12 rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Maschinenschlittens 13, 14 verlaufen. Der Schlitten selbst, der schematisch mit 14 bezeichnet ist, trägt ein optisches System 15. Die Einzelheiten des optischen Systems sind in Fig. 1 gezeigt.

Vier separate Lichtquellen S1 bis S4 sind in gleichen Abständen dS in der Brennebene einer ersten Linse L1 in einer Richtung parallel zu den Gitterlinien angeordnet. Diese vier Lichtquellen erzeugen vier parallele Lichtstrahlen, die durch die Linse L1 gehen und einen Bereich A des Gitters 10 beleuchten. Die vier Lichtstrahlen werden durch das Gittermuster moduliert und zu einer zweiten Linse L2 reflektiert, welche die Strahlen auf die Oberfläche eines Spiegels M fokusiert.

Der Spiegel M ist ein Reflektor, der genügend elastisch ist, um eine gleichmäßige Verdrillung um eine Achse parallel zu den Gitterlinien 12 zu erhalten. Das Verfahren zur Herstellung dieser Verdrillung wird noch er-

/ ο η π L R /1 Π 7 ·

©RfefNAL ifsiSPECTED

- \ - 2 7 2 Li I Ü 5

läutert. Der Spiegel M liegt nicht nur in der Brennebene der Linse 12, sondern auch in der Brennebene einer dritten Linse L3. Diese richtet die nunmehr versetzten Lichtstrahlen auf einen Bereich B des Gitters 10 nahebei, aber unterschieden vom Bereich A. Das Gitter reflektiert erneut die vier Lichtstrahlen, und diese werden schließlich durch eine vierte Linse LA auf vier separate lichtempfindliche Detektoren D1 bis D4 fokusiert.

Die vier Lichtstrahlen der Lichtquellen S1 bis S4, die Linsen L1, L2, L3 und der Spiegel M ermöglichen es, vier Bilder eines Bereiches A des Gitters auf den Bereich B des Gitters zu projizieren mit relativen Verschiebungen von 1/4 der Teilung längs des Gitters aufgrund der Verdrillung des Spiegels M. Eine Wechselwirkung zwischen den Bildern des Bereiches A und des Bereiches B führt zur Erzeugung eines Moire-Streifenmusters in der Bildebene, das in 90°-Phasenintervallen durcf; die vier Detektoren D1 bis D4 aufgenommen wird. Ks ist nicht möglich, ein sichtbares Bild des Bereiches A auf den Bereich B des Gitters wahrzunehmen, weil die vier überlagerten Bilder eine gleichmäßige Intensität in der Gitterebene erzeugen. Die Bilder der vier Lichtquellen, die auf die vier Detektoren fallen, sind individuell moduliert mit Phasen^unterschieden von 90°.

Die dein Spiegel M gegebene Verdrillung ist derart, daß jeder Strahl gegenüber dem nächsten in einer Ebene versetzt ist, die normal zu den Gitterlinien verläuft, und zwar um einen Abstand gleich einem Viertel einer Gitterteilung, geraessen, wo die Strahlen auf den Bereich B des Gitters auftreffen.

⁷ 0 ^f^ R 4 ß / 1 0 7 <

- ι Ίΐ . ■ \ Li 5

Eine Bewegung des optischen Systems relativ zum Gitter verursacht eine Bewegung des Bildes des Bereiches A auf dem Bereich B in entgegengesetzter Richtung infolge der Umkehrung durch den Spiegel. Die Auswirkung auf die Moire-Linien, erzeugt durch die Wechselwirkung zwischen den Gitterlinien im Bereich B und dem projizierten modulierten Muster, ist aie eines Gitters mit Doppel-Teilung. Hierdurch ergibt sich ein automatischer Frequenz-Verdoppelungseffekt.

Da die auf das Gitter fallenden Lichtstrahlen parallel sind, ist die genaue Position des Gitters relativ zum optischen System nicht kritisch. Der Abstand braucht daher nicht innerhalb senr genauer Grenzen gehalten werden. Der Frequenz-Verdoppelungseffekt erlaubt auch die Verwendung eines gröberen Gitters für eine gegebene Auflösung. Wegen des verwendeten Vierphasen-Systeras, in welchem zwei -faare von Ausgleichssignalen von im wesentlichen demselben Gitterbereich abgeleitet werden, ist die Anordnung relativ unempfindlich gegen ungleichförmige Verschmutzung der Oberfläche des Gitters, solange dieses nicht vollständig verdunkelt bzw. abgedeckt ist.

Die Form eines verdrillten Spiegels ist in Fig. 3 gezeigt. Der zentrale rechteckige Teil 31 ist der reflektierende Bereich, während die vier abstehenden Arme 32 die Stützen oder Träger bilden. Drei dieser Stützen sind an einem Trägerteil 33 befestigt, so daü die reflektierende Fläche sich über eine Öffnung 34 erstreckt. Der vierte Arm liegt auf einer Kinstell-

- b - ' Π ° Π I₄ R / 1 0 7 ·

ORIGINAL

schraube 35 aui", wobei die Elastizität des Spiegeln selbst den Arm in Kontakt mit der Schraube hält. Durch geeignete Verstellung der Schraube kann dem Spiegel jedes gewünschte Maß einer Verdrillung gegeben werden, um die richtige Phasenverschiebung für unterschiedliche Gitterteilungen zu erhalten. Der Spiegel und seine Halterung können auch in anderer Weise ausgebildet sein.

Die elektronische Schaltung zur Zählung der Streifen und zur Ableitung der erforderlichen Anzeige von Richtung und Ausmaß einer Bewegung zwischen dem Gitter und dem optischen System ist nicht beschrieben. Geeignete Vier-Phasen-Schaltungen sind bekannt. Die Schaltung bildet keinen Teil der Erfindung.

Um die von dem System erzeugten Signale maximal ausnutzen zu können, sollten sie in gegenphasigen Paaren an Verstärker gelegt werden, die über einen breiten Amplitudenbereich arbeiten. Dies ist zweckmäßig, da eine Verschmutzung des Gitters zu einem möglichen Verlust an Amplitude führt, wobei jedoch ein stabiler Ausgleichszustand erhalten bleibt.

in der beschriebenen Ausführungsform werden vier separate Lichtquellen verwendet. Sie können beispielsweise licht-emittierende Dioden sein, es können aber auch andere Lichtquellen benutzt werden. Alternativ kann eine langgestreckte einzelne Lichtquelle verwendet werden, die sich in einer Richtung parallel zu den Gitterlinien erstreckt. Unter der Bezeichnung "Licht" ist auch eine elektromagnetische Strahlung geeigneter

' η ° R /* fi /1 η 7

ORIGINAL

Wellenlänge zu verstehen, wenngleich die Vorrichtung zweckmäßigerweise mit sichtbarem Licht betrieben wird.

Die vier Linsen L1 bis L4 können aus einem oder mehreren Materialblücken hergestellt werden, und es sind zweckmäßigerweise sphärische Linsen.

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

. Vorrichtung zum fressen der Größe und der Kichtung der Bewegung eines ersten Gegenstandes in einer von zwei Dichtungen relativ zu einem zweiten Gegenstand, gekennzeichnet durch ein reflektierendes Gitter, das auf einem der beiden beweglichen Gegenstände angeordnet ist, wobei die Gitterlinien im wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufen, eine optische Einrichtung, die am anderen der beiden beweglichen Gegenstände angebracht ist und eine lichtquelle aufweist zur erzeugung von wenigstens drei Lichtstrahlen, aie gleiche Abstände in einer Kichtung iii wesentlichen parallel zu den Gitterlinien haben, eine erste Linse, in deren Brennebene die Lichtquelle liegt unu die Lichtstrahlen auf einen Bereich dos fitters zum Zwecke der ueflektion projiziert, eine zweite uiriBe, um die vom Gitter reflektierten Lichtstrahlen auf einen Spiegel zu fokusieren, der eine gleichmäßige Verdrillung um eine Achse im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien hat, eine dritte .uinse, in deren Brennebene der Jpiegüi liegt und die die vom Jpiegel reflektierten Lichtstrahlen auf einen anderen Bereich des Gitters zur weiteren Reflektion projiziert, und durch eine vierte Linse, um jeden der reflektierten Lichtstrahlen auf ein separates lichtempfindliches Gerät zu fokusieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßige Verdrillung des Jpiegels derart ist, daß jeder Lichtstrahl gegenüber den nächsten in einer iiJbene normal zu den

/ Π H R /< P / 1 Π 7 ·

ORIGINAL INSPECTED

2 7 2 υ 1¹J S

Gitterlinien um einen Abstand versetzt ist, der gemessen auf der Gitterfläche gleich einem Viertel der Gitterteilung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus mehreren separaten licht-emittierenden Einrichtungen besteht, von denen jede einen separaten Lichtstrahl erzeugt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daü die licht-emittierenden Geräte licht-emittierende Dioden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Spiegel eine reflektierende Fläche aufweist, von der aus sich vier Arme erstrecken, von denen wenigstens ein Arm durch Verstelleinrichtungen beweggbar ist.
7 0 "■ Π U Π / 1 Π 7 '
ORIGINAL INSPECTED