DE2730715A1

DE2730715A1 - Einrichtung zur laengenmessung

Info

Publication number: DE2730715A1
Application number: DE19772730715
Authority: DE
Inventors: Heinz Rieder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1978-02-23
Also published as: US4158509A; DE2730715C2

Description

Heinz Rieder und Max Schwaiger, Ostermiething (Österreich)

Einrichtung zur Längenmessung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Längenmessung, mit einem aus zwei oder mehreren Teilstücken bestehenden, inkrementalen Maßstab und einem über diesen Maßstab verstellbaren Meßschlitten, der Phototransistoren od. dgl. zur photoelektrischen Abtastung des Maßstabes aufweist, die Zählwerke od. dgl. Anzeigeeinrichtungen für die gemessene Länge steuern, wobei vorzugsweise Steuereinrichtungen zur Berücksichtigung der Verstellrichtung für das Zählervorzeichen vorgesehen sind.

Solche Längenmeßeinrichtungen ermöglichen eine berührungslose photoelektrische Abtastung des inkrementalen Maßstabes und sind daher weitgehend verschleißfrei, wobei eine hohe Meßgenauigkeit eingehalten werden kann. Durch schalttechnische Maßnahmen ist es möglich, die durch die Inkrementalteilung gegebene Meßteilung in feinen Stufen noch einmal zu unterteilen. Zu solchen schalttechnischen Maßnahmen zählen Phasen-

809808/0627

Vervielfacherschaltungen und Potentiometerschaltungen mit mehreren Ausgängen. Besteht die Inkrementalteilung aus gleich großen aufeinanderfolgenden hellen und dunklen Feldern, dann wird in einem über diese Teilung hinweggehenden Phototransistor od. dgl. eine Sinusspannung erzeugt, deren Wellenlänge der Summe der beiden Längen eines hellen und dunklen Feldes entspricht, also der Meßteilung proportional ist. Dadurch, daß man zwei oder mehrere Phototransistoren verwendet, und diese in Abständen anbringt, die sich als Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Meßteilung und einem Bruchteil der Meßteilung ergeben, kann man phasenverschobene Meßsignale erzeugen, die weiter eine Phasenvervielfältigung ermöglichen und überdies eine Bestimmung der Verstellrichtung des Meßschlittens über den Maßstab zulassen. Diese Bestimmung der Verstellrichtung ist dann wesentlich, wenn die jeweilige Längenmessung nicht nur von einem vorgegebenen Nullpunkt weg erfolgt, sondern der Schlitten während der Messung auch vor- und zurückverstellt wird, wobei u.a., wenn von einem Nullpunkt weg zu messen ist, bei der Verstellung des Schlittens auf den Nullpunkt zu eine Subtraktion bzw. Rückzählung vorgenommen werden muß.

In der Praxis können inkrementale Glasmaßstäbe mit relativ kleinen Querschnitten, z.B. einer Dicke von 2 mm und einer Breite von höchstens 10 mm hergestellt werden. Bei größeren Meßlängen wird es schwierig bzw. unmöglich, solche Maßstäbe mit kleinem Querschnitt einstücMg in beliebigen Längen herzustellen. Anderseits wäre es unrationell, nur deshalb große Querschnitte des Glasmaßstabes vorzusehen, um die benötigte Maßstablänge in einem Stück erzeugen zu können. Dies würde in der Praxis auch erhebliche Transportprobleme für die langen Maßstäbe bedingen. Bei den benötigten, angegebenen Teilquerschnitten lassen sich Teilstücke derzeit nur bis zu einer Maximallänge von 1,5 m herstellen. Bei größeren Meßlängen werden mehrere solche Teilstücke zusammengesetzt. Dieses Zusammensetzen

809808/0627

erfolgt bisher durch Verkleben. Dabei ist es notwendig, die Breite der Stoß- bzw. Klebefuge bis auf Mikrometer genau einzuhalten, wenn nicht die gesamte Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung beeinträchtigt werden soll. Es ist klar, daß das Einrichten der Teilstücke mit so hoher Genauigkeit auf große Schwierigkeiten stößt. Überdies muß die Verbindung möglichst unverrückbar hergestellt werden, damit später keine Änderungen in den Genauigkeitstoleranzen auftreten. Selbst bei der Montage kommt es immer wieder zu einem überschreiten der zulässigen Spalttoleranzen und zu Störungen in der Meßgenauigkeit durch nachträgliche Relatiwerlagerungen der einzelnen Teilstücke des Maßstabes.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Einrichtung der genannten Art dadurch aus, daß am Meßschlitten zwei Gruppen von Phototransistoren zur Abtastung des Maßstabes in einem größer als die mögliche Spaltbreite zweier Teilstücke des Maßstabes gehaltenen Abstand voneinander angeordnet und ein jeweils nur eine dieser Gruppen mit dem Zählwerk und vorzugsweise auch der Vorzeichen-Steuereinrichtung verbindender Umschalter vorgesehen ist, der über den Stoßbereichen der Maßstabteilstücke zugeordnete Steuereinrichtungen bei der üuerquerung jedes Stoßbereiches durch den Schlitten betätigbar ist, so daß er wechselweise von der zum Stoßbereich gelangenden und überquerenden Abtastgruppe auf die jeweils andere Abtastgruppe umschaltet.

Zum Verständnis der Erfindung sei noch einmal darauf verwiesen, daß bei der Längenmeßeinrichtung der gegenständlichen Art einfach gezählt wird, wieviele Zählschritte ein Punkt von einem anderen Punkt entfernt ist. Der "Meßpunkt" am Meßschlitten braucht keineswegs mit einem der Phototransistoren zu fluchten. Bei gleich aufgebauten Abtastgruppen ist es an sich gleichgültig, welche der beiden Abtastgruppen eingeschaltet ist. Die den Stoßbereich überquerende Abtastgruppe wird jeweils abgeschaltet und die Zählung und damit die Längenmessung erfolgt jeweils mit Hilfe der in ihrer Gesamtheit auf ein Teilstück des Maßstabes gerichteten

809808/0627

Abtastgruppe. Es können also relativ große Toleranzen für die zulässige Spaltbreite gewährt werden, ohne daß darunter die Meßgenauigkeit leidet. Selbst eine Verlagerung der Maßstabteilstücke gegeneinander wird, soferne die Teilstücke nach der Verlagerung bzw. während der Messung unverschiebbar gehalten werden, keine merkliche Verschlechterung der Meßgenauigkeiten mit sich bringen. Gemeint ist naturgemäß eine Verlagerung in Maßstablängsrichtung. Da die Spaltbreite großen Toleranzen unterliegen kann, ist es möglich, daß die Meßteilung eines folgenden Teilstückes nicht in einem einem ganzzahligen Vielfachen der Teilungseinheit entsprechenden Abstand vom Ende der Meßteilung des vorhergehenden Teilstückes beginnt. Es kann also beim Umschalten von der einen Abtastgruppe auf die andere Abtastgruppe zu geringen Phasenverschiebungen kommen, die in der Praxis möglicherweise eine Ungenauigkeit von einem Zählschritt hervorrufen. Diese Ungenauigkeit liegt im zulässigen Toleranzbereich bei den gegenständlichen großen Meßlängen und ist praktisch geringer als die bisher beim Verkleben der Maßstäbe auftretende Ungenauigkeit, wenn nach der herkömmlichen Meßmethode gearbeitet wird.

Für die Betätigung des Umschalters können verschiedene Einrichtungen vorgesehen werden. Es ist denkbar, jeweils im Stoßbereich Anschläge, Steuernocken od. dgl. für die Schalterbetätigung vorzusehen. Da anderseits der Maßstab berührungslos abgetastet wird, empfiehlt es sich, auch für die Betätigung des Schalters eine berührungslos arbeitende Steuereinrichtung vorzusehen. Neben Magnetschaltern (Reedrelais) und ähnlichen berührungslos arbeitenden Steuereinrichtungen empfiehlt sich wegen des geringen Platzbedarfes und der geringen Leistungsaufnahme eine Ausführung, bei der die Maßstabteilstücke neben der Inkrementalteilung Steuerspuren für am Schlitten angeordnete, mit ihren Ausgangssignalen den Umschalter steuernde, zusätzliche Steuer-Phototransistoren od. dgl. aufweisen. Der Umschalter wird in diesem Fall als elektronischer Schalter (Flip-Flop) ausgebildet.

809808/0627

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Längenmeßeinrichtung im Teilquerschnitt,

Fig. 2 ein Teilstück der wesentlichen Teile der Längenmeßeinrichtung nach Fig. 1 bei geöffnetem Gehäuse stark schematisiert in Draufsicht,

Fig. 3 ein Blockschaltschema einer erfindungsgemäßen Längenmeßeinrichtung und
Fig. 4 zur Erläuterung der Funktionsweise den Stoßbereich zweier Maßstabteilstücke mit verdickt, unproportional gezeichneter Steuerspur und verschiedenen Schlittenstellungen.

Nach Fig. 1 und 2 besitzt die Längenmeßeinrichtung ein Führungsgehäuse 1, in dem ein aus mehreren Teilstücken 2, 2a usw. bestehender Glasmaßstab angeordnet ist, der eine Inkrementalteilung trägt, die nur durch abstandsweise angeordnete Striche 3 angedeutet wurde. Neben der Inkrementalteilung 3 tragen die Teilstücke 2, 2a eine Steuerspur 4 für die beim Ausführungsbeispiel angenommen wird, daß sie von dem einen Ende jedes Maßstabteiles ausgehend schwarz, also lichtundurchlässig, ausgebildet ist und im anderen Endbereich in ein durchsichtiges Fenster 5 endet.

Im Gehäuse 1 ist ein Meßschlitten 6 so geführt, daß in ihm angeordnete Phototransistoren I, II, 7, 8 und gegenüber diesen angebrachte Leuchtdioden Ia, 7a den Maßstab 3 bzw. die Steuerspur 4, 5 berührungslos abtasten können. Der Schlitten 6 trägt zwei Gruppen I bzw. II von Meß-Phototransistoren und, gegenüber diesen versetzt und gegen die Steuerspur 4, 5 gerichtet, zwei Steuer-Phototransistoren 7, 8.

Die Einzeltransistoren in den Meßgruppen I, II sind hinter einem die gleiche Inkrementalteilung 3 wie die Maßstab- +eile 2, 2a aufweisenden Meßraster angeordnet, der mit ihnen über die Meßteilung bewegt wird und dabei gegeneinander so

809808/0627

versetzt, daß sie bei eingeschalteter Meßgruppe und über die Inkrementalteilung bewegtem Schlitten 6 unter einander phasenverschobene Sinussignale erzeugen, die über Leitungen 9, 10 getrennten Auswertungsstufen ti, 12 zugeführt werden, welche Auswertungsstufen über Leitungen 13,14 digitale Zählimpulse und über Leitungen 15 bzw. 16 Signale abgeben, welche angeben, in welcher Richtung der Schlitten 6 gegenüber der Meßteilung 3 bewegt wird. Die über die Leitungen 15, 16 abgegebenen Signale bestimmen in weiterer Folge das Vorzeichen, mit dem die Zählimpulse auf einen über eine Leitung 17 angeschlossenen Zähler gelegt werden. Man kann das Vorzeichen auf eine Leitung 18 legen und über diese Leitung 18 den Zähler entsprechend steuern. Dabei ist ein Umschalter 19 vorgesehen, der von den Phototransistoren 7,8 über eine Leitung 20 gesteuert wird und je nach Stellung die Leitung 13 oder 14 mit der Leitung 17 und die Leitung 15 oder 16 mit 18 verbinden. Über eine Leitung 21 kann auch eine Nullungstaste 22 auf den Umschalter gelegt werden, wodurch der Nullpunkt, von dem aus mit der Zählung begonnen wird, festgelegt und dabei der Zähler auf Null gestellt wird.

Die Art der Umwandlung der von den Meßgruppen I, II erzeugten Sinussignale in Steuersignale zur digitalen Steuerung eines Zählers und zur Erkennung der Verstellungsrichtung des Schlittens ist an sich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Bei der Anordnung der Phototransistoren I, II und 7,8 nach Fig. 1 sollen zur Erzielung einer richtigen Steuerung folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Spaltbreite A zwischen zwei Maßstabteilstücken 2,2a muß kleiner als der nur für den linken Phototransistor 7 zum benachbarten Transistor der Gruppe 1 eingezeichnete Abstand B sein, der auch zwischen 8 und der benachbarten Gruppe II gegeben ist. Ferner muß der eingezeichnete Abstand C etwas kleiner als die Länge D des Fensters 5 gehalten sein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gesamtabstand der Gruppen I und II,

809808/0627

bedingt durch die Art der Steuerung, größer als 2B, also wesentlich größer als die Spaltbreite A. Braucht man auf die Steuerung keine Rücksicht zu nehmen, beispielsweise bei einer Umsteuerung von I auf II durch Anschlagschalter, muß man auf jeden Fall zwischen den Gruppen I und II einen Mindestabstand einhalten, der größer ist als A, damit die Endtransistoren beider Gruppen nicht gleichzeitig über dem Spalt liegen können.

In Fig. 3 sind übereinander verschiedene mögliche Stellungen des Schlittens 6 angedeutet. Diese Stellungen wurden mit den Buchstaben a bis e bezeichnet. Die eingeschalteten Transistoren der Gruppe I bzw. II wurden jeweils durch ein eingezeichnetes χ gekennzeichnet. Die Steuertransistoren 7,8 wurden durchsichtig dargestellt, so daß man durch sie hindurch die Spur 4 bzw. das Fenster 5 oder den Spalt A erkennen kann.

In der Stellung a befinden sich beide Steuer-Transistoren 7 und 8 über der Steuerspur 4,und es sind die Transistoren der Gruppe II eingeschaltet, so daß die von ihnen abgegebenen Signale in 11 zu Steuersignalen umgeformt und über die Leitung 13, 15 und den entsprechend gestellten Umschalter 19 sowie die Leitungen 17,18 dem Zähler zugeführt werden.

In der Stellung b befindet sich der Transistor 8 bereits über dem Fenster 5, was bedeutet, daß die ^Gruppe II in die Nähe des Spaltes A gelangt. Die Steuertransistören 7,8 steuern über den ihnen nachgeordneten Steuerkreis den Umschalter 19 um, so daß nun die Gruppe I eingeshaltet ist. Dieser Schaltzustand bleibt erhalten, während die Gruppe II den Spalt A überquert (Stellungen d und e; in der Stellung e könnte durch entsprechende Schaltmaßnahmen auch die Gruppe II eingeschaltet werden). Sobald beide Transistoren 7,8 sich über der abgedunkelten Steuerspur 4 des Maßstabteilstückes 2a befinden, schaltet der Umschalter 19 wieder

809808/0627

die Transistorgruppe II ein, was bedeutet, daß ein Steuerzustand analog zu a hergestellt ist und nun die Abtastung auf den Maßstab des Teilstückes 2a übergeht.

Wird der Schlitten 6 von rechts nach links, also von 2a nach 2 verstellt, dann erfolgt die Umsteuerung in umgekehrter Reihenfolge, also analog zu den Stellungen e bis a.

Die dargestellte Ausführungsform ist nur beispielsweise gegeben. Die Steuertransistoren 7,8 könnten auch an den Schlittenenden angeordnet werden. Man kann auch zu beiden Seiten der Inkrementalteilung 3 Steuerspuren für entsprechende Abtasttransistoren für die Betätigung des Umschalters anbringen und sogar durch entsprechend geformte, z.B. sägezahnförmige Steuerspuren, über die Transistoren 7,8 die Verstellrichtung des Schlittens bestimmen, so daß der entsprechende vierte Transistor in den Gruppen I, II wegfallen kann. An Stelle von Phototransistoren und zugeordneten Leuchtdioden können andere lichtempfindliche Steuer- bzw. Abtasteinrichtungen verwendet werden.

809808/0627

Claims

27307 !5 Patentansprüche :

1.) Einrichtung zur Längenmessung, mit einem aus zwei oder mehreren Teilstücken bestehenden, inkrementalen Maßstab und einem über diesen Maßstab verstellbaren Meßschlitten, der Phototransistoren od.dgl. zur photoelektrischen Abtastung des Maßstabes aufweist, die Zählwerke od. dgl. Anzeigeeinrichtungen für die gemessene Länge steuern, wobei vorzugsweise Steuereinrichtungen zur Berücksichtigung der Verstellrichtung des Schlittens für das Zählervorzeichen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßschlitten (6) zwei Gruppen (I,II) von Phototransistoren zur Abtastung des Maßstabes (3) in einem größer als die mögliche Spaltbreite (A) zwischen zwei Teilstücken (2,2a) des Maßstabes gehaltenen Abstand voneinander angeordnet und ein jeweils nur eine dieser Gruppen mit dem Zählwerk und vorzugsweise auch der Vorzeichen-Steuereinrichtung verbindender Umschalter (19) vorgesehen ist, der über den Stoßbereichen der Maßstabteilstücke zugeordnete Steuereinrichtungen (4,5,7,8) bei der Überquerung jedes Stoßbereiches durch den Schlitten betätigbar ist, so daß er wechselweise von der zum Stoßbereich gelangenden und überquerenden Abtastgruppe auf die jeweils andere Abtastgruppe umschaltet.

2. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßstabteilstücke (2,2a) neben der Inkrementalteilung (3) Steuerspuren (4,5) für am Schlitten (6) angeordnete, mit ihren Ausgangssignalen den Umschalter (19) steuernde, zusätzliche Steuer-Phototransistoren (7,8) od. dgl. aufweisen.

809808/0627

ORIGINAL INSPECTED