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Gerät zur Längenmessung
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Die erfindung betrifft ein Gerät zur Längenmessung mit einer Abtasteinrichtung
für einen inkrementalen Maßstab, die wenigstens zwei gegeneinander versetzte, fotoelektrische
Abtasteinheiten aufweist, welche bei der Verstellung entlang des Maßstabes gegeneinander
phasenverschobene, etwa sinusförmige Analogsignale mit der Meßteilung entsprechender
Wellenlänge erzeugen und über einstellbare Verstärkerstufen mit einer erarbeitungsstufe
verbunden sind, in der aus den Analogsignalen durch Mehrfachauswertung und Umwandlung
digitale, richtungsebhängige Steuersignale für Zähler und Anzeigeeinrichtungen erzeugbar
sind.
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Bei derartigen Geräten erfolgt die Abtastung der inkrementalen Teilung
aus Strichen und Lücken gleicher Breite meist mit Hilfe von Abtasteinheitenint Gegenplatten
in Abtastfeldern, die ebenfalls je eine inkrementale Teilung mit Strich und Lücke
aufweisen und den zugehörigen fotoelektrischen Abtasteinheiten zugeordnet sind.
Die Inkrementalteilung, also die Summe aus einem Strich und einer Lücke, beträgt
typisch 0,2 mm, Meist erfolgt die Abtastung über wenigstens vier Abtasteinheiten,
die gegeneinander im Sinne einer gleichmäßigen Aufteilung des Inkrementalmaßstabes
versetzt sind, also in einem Abstand von einer an sich beliebigen Anzahl ganzer
Grundteilungen plus 1/4, 2/4 und 3/4 der Grundteilung, bezogen auf die erste Abtasteinheit,
angeordnet sind. Durch Zusammenschaltung von je zwei Abgriffen werden bei der Abstastung,
also bei der Verstellung der Abtasteinrichtung gegenüber uem Maßstab, zwei phasenverschobene,
analoge Sinussignale erzeugt. Zur Erzielung einer exakten Messung sollte die Phasenverschiebung
zwischen diesen beiden Signalen genau 900 betragen. Meist wird durch einen Inverter
aus den erwähnten beiden Signalen noch ein drittes
Signal gebildet,
so daß für die Weiterverarbeitung dann drei sinusförmige Analogsignale mit den Soll-Phasenlagen
o0, 900 und 1800 zur Verfügung stehen. Durch Mehrfachauswertung, z.B. über Spannungsteiler,
werden aus diesen Signalen dann Meßsignale erhalten. TTpischerweise werden 20 Meßsignale
gebildet, die untereinander gleiche Phasenverschiebungen aufweisen sollen. Bei dem
genannten Beispiel einer Meßteilung von 0,2 mm wird elektronisch eine Unterteilung
auf 0,01 min vorgenommen. Nach einer Möglichkeit werden diese Signale über Verstärkerkomparatoren,
die jeweils beim wTulldurchgang des Eingangssignales einen positiven oder negativen
Pegel abgeben, zu digitalen Qteuersignalen weiterverarbeitet, die als Zählimpulse
dienen können. Da in der einen Richtung der Verstellung der Abtasteinheit gegenüber
dem Maßstab das eine Analogsignal dem anderen und in der anderen Verstellrichtung
das andere Analogsignal voreilt, kann man auch eine richtungsabhängige Steuerung
der Zähler od.dgl. vornehmen und z.B.
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beim Verstellen in der einen Pichtung zum Zählerstand summieren und
bei der anderen Verstellrichtung subtrahieren.
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Zusätzlich zu der erwähnten Mehrfachauswertung kann noch eine Interpolationsanzeige
zur Erhöhung der Anzeigegenauigkeit auf My vorgenommen werden.
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Die Genauigkeit der elektronischen Unterteilung und damit die Meßgenauigkeit
hängt in entscheidendem Maße davon ab, wie genau der 90°-Abstand zwischen den beiden
phasenverschobenen Meßsignalen eingehalten werden kann. Praktisch muß bei dem genannten
Beispiel die Verschiebung der Abtastfelder gegenüber dem Maßstab exakt von der Deckung
mit diesem Maßstab bei dem einen Abtastfeld, bezogen auf dieses, 0,05 mm zur Erzielung
einer 900-igen Verstellung betragen. Die Abtasteinheiten können beispielsweise neben
diesen Abtastfeldern mit Fototransistoren und Leuchtdioden ausgestattet sein. Alle
diese Teile müßten exakt ausgerichtet werden, um genau die
richtige
Phasenverschiebung zu erhalten. In der Praxis ist dies unmöglich. Selbst bei ursprünglich
exakter Ausrichtung auf die Abtasteinheit kann es schon durch ein minimales Verrücken
beim Festlöten der elektronischen Bauteile wieder zu Verschiebungen gegenüber der
Sollphasenenstellung kommen. In der Praxis ist mit größeren Verstellungen gegenüber
der Sollphasenlage zu rechnen.
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Es werden Toleranzgrenzen von 20% ohne weiteres zugelassen. Derartige
Abtasteinheiten gelten sogar noch als gut. Hier beträgt also die Phasenverschiebung
bei dem analogen ingangssignal nicht 90, sondern 70 bzw. 1100.
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Bei einer solchen Phasenverschiebung ist bei dem genannten Beispiel
der Unterteilung der Eingangssignale auf das Zwanzigfache der Fehler in der Phasenverschiebung
größer als der Phasenabstand der aus der Vervielfacherschaltung erhaltenen und später
zu den Meßsignalen verarbeiteten Analogignale. Daraus ergibt sich in der Praxis,
daß in der diesen vervielfachten Signalen zugeordneten Anzeigestelle, beim erwähnten
Beispiel in der Anzeige der Hundertstelmillimeter (10 2mm), ein Fehler auftritt,
also eine bestimmte Stelle angezeigt werden kann, obwohl richtigerweise noch die
vorherige oder schon die nächste angezeigt werden müßte. Es erfolgt zwar keine Aufaddierung
dieses Fehlers von Teilung zu Teilung, doch wird die Anzeige im genannten Bereich
mit der angegebenen Toleranz von beispielsweise 0,01 mm ungenau. Schon wegen des
genannten mechanischen Fehlers ist es daher bisher sinnlos, eine weitere elektronische
Unterteilung des Grundmaßstabes vorzunehmen und auch eine Interpolationsanzeige
in einer weiteren Anzeigestelle (My) vorzunehmen. Es wäre an sich möglich, die Ableseeinheiten
auf der Abtasteinrichtung mit Feintrieben zu versehen, um eine Nachjustierung auf
exakte Phasenabstände vorzunehmen. Daraus wUrde sich aber ein äußerst komplizierter
mechanischer Aufbau und zusätzlich
die Gefahr ergeben, daß es bei
auftretenden Erschütterungen u.dgl. zu geringfügigen Verstellungen kommt, so daß
wieder der Phasenfehler auftritt.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gerätes, bei dem mit
einfachen Mitteln der bisher in Kauf genommene Phasenfehler ausgeglichen werden
kann und eine Einstellung der Analogsignale auf die richtige Phasenverschiebung
möglich ist.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Einstellung der
Phasenverschiebung der Analogsignale, die im Leitungszug des einen Signales liegende
Verstärkerstufe als Mischstufe ausgebildet ist, bei der der eine Eingang mit den
zugehörigen Abtasteinrichtungen verbunden ist und der andere Eingang an einer vom
anderen Analogsignal abgeleiteten, über Stellglieder einstellbaren, analogen Regelspannung
liegt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der mechanische Fehler
bei der Abtastung praktisch unvermeidlich ist, praktisch aber dadurch ausgeglichen
werden kann, daß man das eine Analogsignal unverändert läßt und das zweite zur Weiterverarbeitung
geführte Signal nicht nur aus dem zweiten Analogsignal von der Abtastung, sondern
aus der Summe dieses Signals mit dem zur Verfügung stehenden ersten Analogsignal
bildet. Uber Stellglieder kann, wie erwähnt, der Anteil der vom ersten Signal abgeleiteten
Regelspannung am Ausgangs Signal der Verstärkerstufe für das andere Signal exakt
eingestellt werden. Die Toleranzgrenze in der Phasenverschiebung kann dadurch weitgehend
herabgesetzt werden, wobei in der Praxis die Phasenverschiebung auf 10 genau ohne
weiteres eingestellt werden kann. Damit wird der mechanische Fehler praktisch beseitigt,und
es wird die Meßgenauigkeit erhöht, so daß beim eingangs genannten Beispiel eine
Anzeige im 10-2 mm- und 10 3 mm-Bereich sinnvoll ist.
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In der Zeichnung ist als Ausftihrungsbeispiel der wesentliche Bereich
der Schaltgruppe eines erfindungsgemäßen Gerätes veranschaulicht. Es ist eine Abtasteinheit
I, II vorgesehen. Zwischen diesen beiden Einheiten können über einen Inkrementalmaßstab
gemeinsam mit den Einheiten I, II verstellbare Abtastfelder mit der Inkrementalteilung
entsprechender Teilung vorgesehen sein, die untereinander aber phasenverschoben
sind, z.B. jeweils in Abständen von n + 1/4 T angeordnet werden, wobei n eine ganze
Zahl mal der Teilung und T die Teilung ist. In der Pbtastgruppe I sind Leuchtdioden
D1 bis D4 vorgesehen. Diese beleuchten durch die erwähnten Abtastfelder hindurch
Fototransistoren T1 bis T4, so daß in diesen bei der Verstellung der Abtasteinheit
I, II entlang des Inkrementalmaßstabes gegeneinander phasenverschobene Analogsignale
entstehen.
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Die Signale aus den Transistoren T1 und T2 sowie den Transis-toren
T3 und T4 werden über Vorwiderstände und je einen Regelwiderstand P1 zw. R2 zusammengefaßt,
so daß in am flegelwiderstand R1 bzw. R2 anliegenden Leitungen 1. 2 zwei gegeneinander
phasenverschobene Signale geführt werden. Die Sollphasenverschiebung beträgt 900.
In der Praxis wird die Phasenverschiebung zwischen 60 und 1200 ausmachen.
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Um an Ausgängen A1, A2 zwei tatsächlich innerhalb ganz geringer Toleranzen
um 90 phasenverschobene Analogsignale zu erhalten, die in weiterer Folge, wie beschrieben,
durch Vervielfältigung und Umwandlung in digitale Meßsignale umgeformt werden, ist
die im Mittelteil des Schaltschemas dargestellte Schaltung vorgesehen.
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Das auf der Leitung 2 liegende Signal wird zu dem einen Eingang eines
Operationsverstärkers V2 geführt. Die Leitung liegt ebenfalls an dem einen Eingang
eines Operationsverstärkers V1.
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1Der zweite Eingang des Operationsvrstärers V2 liegt an einer über
einen Widerstand Rw regelbaren Spannung. Mit Hilfe der Widerstände R2 und R3 kann
daher das Ausgangssignal an A2 exakt eingestellt werden. R2 dient dabei der Einstellung
der Symmetrie und R3 der instellung der Signalamplitude.
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Beim Operationsverstärker VI, der als echte Mischstufe arbeitet,
ist zwar der zweite Eingang wieder über einen PLegelwiderstand R4 für die Einstellung
der Signalamplitude vorgesehen. Zusätzlich liegt an diesem ringang aber eine über
eine Leitung 5%geführte, von dem zum Ausgang A2 geführten Signal abgeleitete Regelspannung.
Diese Regelspannung wird von einem Operationsverstärker Vz erhalten, der am einen
Eingang an einem konstanten Bezugspegel liegt und am anderen Eingang von der zu
A2 führenden Leitung ein Signal erhält, das verstärkt wird und einem Regelpotentiometer
Ru zugeführt wird, an dessen Abgriff die Leitung 3 liegt.
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Am Ausgang A1 erhält man daher ein Signal, das praktisch der Summe
aus den auf den Leitungen 1 und 2 laufenden Signalen entspricht, wobei aber der
Anteil des Signales aus 2 über R5 genau eingestellt werden kann. Damit kann die
Phasenlage des Signales an A1 exakt auf 900 gegenüber dem Signal auf A2 eingestellt
werden. Die Überprüfung auf richtige Phasenverschiebung kann beispielsweise auf
einem Oszillografen erfolgen, wenn man die beiden Signale der Horizontal- und Vertikalablenkung
zuführt, so daß bei richtiger Einstellung ein Kreis angezeigt wird.
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L e e r s e i t e