DE2818742C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Längenabmessung mit einer Abtasteinrichtung für einen inkrementalen Maßstab, die gegeneinander versetzte, photoelektrische Abtasteinheiten aufweist, welche bei der Verstellung entlang des Maßstabes gegeneinander phasenver­ schobene, etwa sinusförmige Analogsignale mit der Meßtei­ lung entsprechender Wellenlänge erzeugen und über einstell­ bare Verstärkerstufen mit einer Verarbeitungsstufe ver­ bunden sind, in der aus zwei Analogsignalen durch Mehr­ fachauswertung und Umwandlung digitale richtungsabhängige Steuersignale für Zähler und Anzeigeeinrichtungen erzeug­ bar sind, wobei die der Verarbeitung zugeführten Signale über Schaltelemente auf einen definierten Phasenabstand gebracht sind.

Bei derartigen Geräten erfolgt die Abtastung der inkremen­ talen Teilung aus Strichen und Lücken gleicher Breite meist mit Hilfe von Abtasteinheiten mit 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 Abtast­ einheit, angeordnet sind. Durch Zusammenschaltung von je zwei Abgriffen werden bei der Abtastung, also bei der Verstellung der Abtasteinrichtung gegenüber dem Maßstab, zwei phasenver­ schobene, analoge Sinussignale erzeugt. Zur Erzielung einer exakten Messung sollte die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen genau 90° 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 0°, 90° und 180° zur Verfügung stehen. Durch Mehrfachauswertung, z. B. über Spannungsteiler, werden aus diesen Signalen dann Meßsignale erhalten. Typischerweise 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 mm vorgenommen. Nach einer Möglichkeit werden diese Signale über Verstärkerkomparatoren, die jeweils beim Nulldurchgang des Eingangssignales einen positiven oder negativen Pegel abgeben, zu digitalen Steuersignalen 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 richtungs­ abhängige Steuerung der Zähler od. dgl. vornehmen und z. B. beim Verstellen in der einen Richtung zum Zählerstand sum­ mieren und bei der anderen Verstellrichtung subtrahieren. Zusätzlich zu der erwähnten Mehrfachauswertung kann noch eine Interpolationsanzeige zur Erhöhung der Anzeigegenauig­ keit auf My vorgenommen werden.

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 Er­ zielung einer 90°-igen Verstellung betragen. Die Abtastein­ heiten 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 Aus­ richtung auf die Abtasteinheit kann es schon durch ein minimales Verrücken beim Festlöten der elektronischen Bauteile wieder zu Verschiebungen gegenüber der Soll­ phaseneinstellung kommen. In der Praxis ist mit größeren Verstellungen gegenüber der Sollphasenlage zu rechnen. Es werden Toleranzgrenzen von 20% ohne weiteres zuge­ lassen. Derartige Abtasteinheiten gelten sogar noch als "gut". Hier beträgt also nicht die Phasenverschiebung bei dem analogen Eingangssignal nicht 90, sondern 70 bzw. 100°. 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 Analogsignale. Daraus ergibt sich in der Praxis, daß in der diesen vervielfachten Signalen zugeordneten Anzeige­ stelle, beim erwähnten Beispiel in der Anzeige der Hun­ dertstelmillimeter (10^-2 mm), 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 dieser Fehlers von Teilung zu Teilung, doch wird die An­ zeige im genanten Bereich mit der angegebenen Toleranz von beispielsweise 0,01 mm ungenau. Schon wegen des ge­ nannten 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 würde sich aber ein äußerst komplizierter mechanischer Aufbau und zusätzlich die Gefahr ergeben, daß es bei auftretenden Erschütterungen u. dgl. geringfügigen Verstellungen kommt, so daß wieder der Phasenfehler auftritt.

Die DE-AS 12 08 087 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung des Phasenfehlers bei einer Einrichtung zum Messen von Längen mittels Impulszählung, bei der mehere z. B. fünf Abtaststellen elektrische Ausgangssignale mit ent­ sprechender Phasenversetzung liefern. Zur Vermeidung des Phasenfehlers wird vorgesehen, daß sämtliche der von den Abtaststellen erzeugten Ausgangssignale auf elektrischem Wege mit Koeffizienten beaufschlagt und zur Bildung von Summensignalen herangezogen werden, wobei ebensoviele Summensignale, wie Abtaststellen vorhanden sind, gebildet werden.

Die Grundüberlegung dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß durch Einbeziehung aller Ausgangssignale, die mit Koeffizienten beaufschlagt sind, in alle Summensignale diese Summensignale auch bei Phasenabweichungen der Ausgangssignale den richtigen Phasenabstand, gegebenenfalls aber verschie­ dene Amplituden aufweisen werden. Die gebildeten Summensi­ gnale werden in rechteckige Impulszüge und die zugehörigen inversen Impulszüge umgeformt und einer aus Nor-Elementen gebildeten Vervielfacherschaltung zugeführt, wobei jedem Nor-Element dieser Vervielfacherschaltung in zyklischer Ver­ tauschung ein jedem Ausgangssignal zugeordneter Rechteckim­ pulszug bzw. im entsprechenden Verhältnis der zugeordnete inverse Impulszug zugeführt wird.

Die Schaltungsanordnung ist in Aufbau und Abgleich äußerst aufwendig, da soviele Summensignale wie Abtaststellen vorhanden sind, gebildet werden müssen und jedes Ausgangs­ signal für die Bildung der einzelnen Summensignale heranzu­ ziehen ist. Aus fünf gebildeten Summensignalen können bei der Vervielfachung nur insgesamt zehn Zählsignale erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gerätes der eingangs genannten Art, bei dem mit einfachen Mitteln der Phasenfehler ausgeglichen werden kann und eine Einstellung des richtigen Phasenabstandes ebenfalls mit einfachsten Mitteln möglich ist.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Einstellung der Phasenverschiebung der beiden Analogsignale nur die im Leitungszweig des einen Analogsignales liegende Verstärkerstufe als Mischstufe ausgebildet ist, von der der eine Eingang mit der zugehörigen Abtasteinrichtung verbun­ den ist und der andere Eingang an einer vom anderen, unver­ ändert bleibenden Signal abgeleiteten, über Stellglieder einstellbaren, analogen Regelspannung liegt.

Der wesentliche Erfindunggedanke besteht darin, daß man das eine Analogsignal unverändert läßt und nur das zweite Ana­ logsignal hinsichtlich der Einstellung des Phasenabstandes einstellt, wobei für diese Einstellung eine vom ersten Analogsignal abgeleitete Regelspannung Verwendung findet. Die Schaltungsanordnung und der Abgleich wird dadurch äußerst einfach. Der Anteil der vom ersten Signal abgelei­ teten Regelspannung am Ausgangssignal der Verstärkerstufe für das andere Signal kann exakt eingestellt werden, wobei in der Praxis ohne weiteres die Phasenverschiebung auf 1° genau einstellbar ist. Damit wird die Meßgenauigkeit erhöht, so daß beim eingangs genannten Beispiel eine Anzeige im 10^-2 mm- und 10^-3 mm-Bereich sinnvoll ist.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der wesentliche Bereich der Schaltgruppe eines erfindungs­ gemäßen 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 Abtastgruppe I sind Leuchtdioden D ₁ bis D ₄ vorgesehen. Diese beleuchten durch die erwähnten Abtastfelder hindurch Fototransistoren T ₁ bis T ₄, so daß in diesen bei der Verstellung der Abtast­ einheit I, II entlang des Inkrementalmaßstabes gegeneinander phasenverschobene Analogsignale entstehen.

Die Signale aus den Transistoren T ₁ und T ₂ sowie den Transistoren T ₃ und T ₄ werden über Vorwiderstände und je einen Regelwiderstand R₁ bzw. R ₂ zusammengefaßt, so daß in am Regelwiderstand R ₁ bzw. R ₂ anliegenden Leitungen 1, 2 zwei gegeneinander phasenverschobene Signale geführt werden. Die Sollphasenverschiebung beträgt 90°. In der Praxis wird die Phasenverschiebung zwischen 60 und 120° ausmachen.

Um an Ausgänge A ₁, A ₂ 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 um­ geformt werden, ist die im Mittelteil des Schaltschemas dargestellte Schaltung vorgesehen.

Das auf der Leitung 2 liegende Signal wird zu dem einen Eingang eines Operationsverstärkers V ₂ geführt. Die Leitung liegt ebenfalls an dem einen Eingang eines Operations­ verstärkers V ₁.

Der zweite Eingang des Operationsverstärkers V ₂ liegt an einer über einen Widerstand R ₃ regelbaren Spannung. Mit Hilfe der Widerstände R ₂ und R ₃ kann daher das Ausgangssignal an A ₂ exakt eingestellt werden. R ₂ dient dabei der Einstellung der Symmetrie und R ₃ der Ein­ stellung der Signalamplitude.

Beim Operationsverstärker V ₁, der als echte Mischstufe arbeitet, ist zwar der zweite Eingang wieder über einen Regel­ widerstand R ₄ für die Einstellung der Signalamplitude vorge­ sehen. Zusätzlich liegt an diesem Eingang aber eine über eine Leitung 3 zugeführte, von dem zum Ausgang A ₂ geführten Signal abgeleitete Regelspannung. Diese Regelspannung wird von einem Operationsverstärker V ₃ erhalten, der am einen Eingang an einem konstanten Bezugspegel liegt und am anderen Eingang von der zu A ₂ führenden Leitung ein Signal erhält, das verstärkt wird und einen Regelpotentiometer R ₅ zugeführt wird, an dessen Abgriff die Leitung 3 liegt. Am Ausgang A ₁ 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 R ₅ genau eingestellt werden kann. Damit kann die Phasenlage des Signales an A ₁ exakt auf 90° gegenüber dem Signal auf­ A ₂ eingestellt werden. Die Überprüfung auf richtige Phasen­ verschiebung 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.

Claims (1)

1. Gerät zur Längenmessung mit einer Abtasteinrichtung für einen inkrementalen Maßstab, die gegeneinander versetzte, photoelektrische Abtasteinheiten aufweist, welche bei der Verstellung entlang des Maßstabes gegeneinander phasenver­ schobene, etwa sinusförmige Analogsignale mit der Meßtei­ lung entsprechender Wellenlängen erzeugen und über einstell­ bare Verstärkerstufen mit einer Verarbeitungsstufe ver­ bunden sind, in der aus zwei Analogsignalen durch Mehr­ fachauswertung und Umwandlung digitale richtungsabhängige Steuersignale für Zähler und Anzeigevorrichtungen erzeug­ bar sind, wobei die der Verarbeitung zugeführten Signale über Schaltelemente auf einen definierten Phasenabstand gebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Phasenabstandes der beiden Analogsignale nur die im Leitungszweig (1, A ₁) des einen Analogsignales liegende Verstärkerstufe (V ₁) als Mischstufe ausgebildet ist, von der der eine Eingang mit der zugehörigen Abtasteinrichtung (T ₁, T ₂) verbunden ist und der andere Eingang an einer vom anderen, bleibenden Signal abgeleiteten, über Stellglieder (V ₃, R ₅) einstellbaren, analogen Regelspannung liegt.