DE3018527A1

DE3018527A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer laenge

Info

Publication number: DE3018527A1
Application number: DE19803018527
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 8012 Ottobrunn Mehnert
Original assignee: Individual
Current assignee: Mtc Messtechnik und Optoelektronik Ag Neuenburg/
Priority date: 1980-05-14
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1981-11-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtullg
zur Messung einer Lange gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw-. 39.
Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen werden zum Beispiel in der Indus-trie überall dort verwendet, wo ein Maschinenteil, beispielsweise ein schienengeführter Schlitten gegen den Rest der Maschine auf einer exakt oder annähernd linearen Bahn hin- und herbewegbar ist und entweder kontinierlich oder zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten die jeweilige momentane Entfernung des beweglichen Maschinenteilsvon-einem fest vorgegebenen Nullpunkt, der im allgemeinen mit einem der beiden Endpunkte der Linearbewegung zusammenfällt oder von einem momen-tan willkürlich festgelegten. Bezugspunkt gemessen und angezeigt oder für irgendwelche Steuerungszwecke verwendet werden soll. Da der bewegliche Maschinenteil im allgemeinen auch in Bewegungsrichtung eine gewisse Ausdehnung besitzt, ist der Begriff der Entfernung dieses Körpers vom Null- bzw. Bezugspunkt nicht eindeutig definLert. Man kann aber davon ausgehen, daß sich in jedem konkreten Fall, in dem eine solche Entfernung gemessen werden soll, auf dem beweglichen Körper ein Punkt bzw. eine senkrecht zur Richtung der Linearbewegung verlaufende Linie festlegen iäßt, dessen bzw. deren Abstand vom Null- bzw. Bezugspunkt gemessen und überwacht werden -soll. Diese Linie wird im folgenden als Meßnormale bezeichnet.
Bekannte Verfahren der eingangs beschriebenen Art, wie sie z.B. auch in der DE-OS 25 40 412 beschrieben sind, haben alle gemeinsam, daß bei ihnen ein als langgestreckter flacher Stab ausgebildeter Markierungsträger starr mit dem einen der beiden Körper verbunden ist, während an dem anderen der beiden Körper ein diesen Markierungsträger abtastender Meßfühler starr befestigt ist. Bei diesen Anordnungen wird beispielsweise die MeßnormaSe durch die durch den Meßschwerpunkt des an diesem Körper befestigten Meßfühlers laufende, sich senkrecht zur Richtung der Linearbewegung erstreckende Gerade definiert.
In gleicher Weise ist es natürlich auch möglich, den langgestreckten linearen Markierungsträger an dem beweglichen Maschinenteil zu befestigen und den Meßfühler an einer geeigneten Stelle der restlichen Maschine anzubringen.
Wesentlich ist lediglich, daß zwischen den beiden Körpern eine Relativbewegung stattfindet und Markierungsträger und Meßfühler nicht an demselben Körper befestigt sind.
In diesem Sinne ist es zu verstehen, wenn im folgenden der einfacheren Ausdrucksweise halber von einem feststehenden und einem beweglichen Körper die Rede ist.
Um den momentanen Abstand des beweglichen Körpers vom Null- bzw. Bezugspunkt mit hohem Auflösungsvermögen messen zu können, ist auf dem den Markierungsträger bildenden Maßstab eine Vielzahl von in Richtung der Linearbewegung voneinander beabstandeten Markierungen in Form von zu dieser Bewegungsrichtung senkrecht verlaufenden Strichen angebrachts die beispielsweise eine andere Lichtdurchlässigkeit als die sie umgebenden Bereiche des Markierungsträgers besitzen, so daß ein einen elektro-optischen Sensor umfassender Meßfühler immer dann ein elektrisches Signal abgibt, wenn die Helligkeit eines auf den Sensor auffallenden, von einer auf der anderen Seite des Markierungsträgers angeordneten Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels durch das Vorbeilaufen eines solchen Markierungsstriches geändert wird. In diesem Fall ist der oben erwähnte "Meßschwerpunkt" des Meßfühlers der geometrische Schwerpunkt der lichtempfindlichen Fläche des elektro-optischen Sensors.
Bewegen sich also die beiden Körper gegeneinander, so wird eine Folge von impulsförmigen elektrischen Signalen erzeugt, durch deren Auswertung eine Information über die nach Beendigung der Linearbewegurl(7 von den beidcn Körpern zueinander eingenommene Lage bzw. über den Abstand des beweglichen Körpers vom Null- bzw. Bezuqs-Punkt gewonnen werden kann.
Die Meßgenauigkeit der-bekannten Verfahren wird in entscheidendem Maße von der Präzision bestimmt, mit der die Skalenstriche auf dem Markierungsträger angeordnet sind, wobei innerhalb des Pauschalbegriffes "Präzision" folgende Einzelfaktoren von besonderer Bedeutung sind: Die einz-elnen-Skalenstriche müssen in Richtung der Linearbewegung möglichst schmal sein und zueinander möglichst genau parallel verlaufende Begrenzungskanten aufweisen; außerdem müssen sie mög-lichst exakt senkrecht zur Richtung der Linearbewegung verlaufen und unter~einander möglichst identisch sein. Weiterhin müssen die Abstände der Skalenstrichemit einem Höchstmaß an Genauigkeit übereinstimmen. Da es nicht genügt, wenn der bei dem bekannten Verfahren zur Verwendung kommende Markierungsträger diese- Eigenschaft nur bei oder unmittelbar nach seiner Fertigstellung aufweist, sind darüber hinaus sehr hohe Anforderungen an die -Maßhaltigkeit und insbesondere an die Temperaturstabilität des zur Herstellung eines solchen Markierungsträgers verwendeten Materials zu stellen.
Nach dem Stand der Technik wird daher im allgemeinen so vorgegangen, daß als Markierungsträger spezielle Glaskörper verwendet werden, in die mit sehr aufwendigen und hohe Kosten verursachenden Verfahren die erforderliche Anzahl von Markierungen in Form sehr genau positionierter und äußerst schmaler Skalenstrichebeispielsweise eingeätzt oder eingeritzt wird. Dabei ist typischerweise die Strichdicke etwa gleich dem Strichabstand und liegt häufig in einer Größerordnung von ca. 10/u. Daraus ergibt sich das weitere Problem eines sehr ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnisses und es muß ein erheblicher elektronischschaltungstechnischer Aufwand getrieben werden, um aus dem stark verrauschten Meßfühlerausgangssignal die den einzelnen Markierungen zugeordneten Nutzsignale für die weitere Verarbeitung zu extrahieren. Darüber hinaus wird auch die maximal erreichbare Meßgenauigkeit durch dieses schlechte Signal-Rausch-Verhältnis in nachteiliger Weise beeinflußt., Einewitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß sich solche hochgenauen linearen Maßstäbe nur mit einer begrenzten Länge, etwa im Bereich von einem Meter herstellen lassen. Zur Ausmessung von Linearbewegungen größerer Länge müssen daher mehrere solcher hochgenauer Maßstäbe aneinandergesetzt werden, wobei der genaue Anschluß der einzelnen Skalen aneinander einen enormen Justier- und Anpassungaufwand erfordert.
Die sich aus den eben erwähnten Problemen ergebenden hohen Herstellungskosten sowohl für den Markierungsträger als auch für die Auswerteelektronik haben zur Folge, daß bisher eine sehr genaue und mit hohem Auflösungsvermögen erfolgende Längen- bzw. Abstandsmessung in obigem Sinn nur in solchen, zahlenmäßig begrenzten Fällen zum Einsatz kommen konnte, in denen die Verwendung einer mit derart hohen Herstellungskosten behafteten Meßvorrichtung wirtschaftlich vertretbar war.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hochgenaue, gewünschtenfalls hochauflösende Längenmessung unter Verwendung eines einfachen, kostengünstig herstellbaren Markierungsträgers ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen 1 (Verfahren) bzw. 39 (Vorrichtung) niedergelegten Merkmale vor--.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also von einer Meßanordljung ausgeganqen, bei der eine sich ständig drehende, beispielsweise direkt von einem kleinen Elekiromotor oder mittelbar über ein Getriebe oder dergleichen angetriebene Abtasteinrichtung mit demjenigen der beiden Körper, der den linearen Markierungsträger nicht trägt, so verbunden ist, daß sie bei jeder Umdrehung einen Winkelbereich durchläuft, in welchem sie zumindest einen Teil des linearen Markierungsträgers überstreicht und dabei die auf diesem befindlichen Markierungen abtastet. Beispielsweise kann die Abtasteinrichtung an dem einen Ende eines mit seinem anderen ~Ende an einer Welle befestigten Armes verbunden sein, dessen Länge etwas- - größer als der Abstand der Welle von dem linearen Markierungsträger gewählt: ist, so daß der Meßfühler der Abtasteinrichtung bei-jeder vollen Umdrehung, d.h. also periodisch zumindest einige dieser Markierungen überstreicht.
ErfindungsOemäß s-ind die Markierungen zwar in etwa gleichförmig über die Länge des linearen Markierungsträgers- verteilt, ohne daß jedoch ein besonderer Aufwand hinsichtlich einer möglichst identischen Ausbildung ihrer gegenseitigen Abstände getrieben worden ist. Dennoch läßt sich die Länge einer bei einer relativen Linearbewegung zwischen den beiden Körpern von der Meßnormalen, die hier durch die sich durch den Rotationsmittelpunkt hindurch erstreckende und auf der Richtung der Linearbewegung senkrecht stehende Linie definiert wird, durchlaufenen Strecke außerordentlich genau dadurch bestimmen, daß man zumindest in einem der Endpunkte dieser Strecke den Zeitabstand zwischen einem eine willkürlich festgelegte Winkelstellung der Abtasteinrichtung bezüglich der Meßnorrnalen kennzeichnenden Referenzsignal und wenigstens einem vom Meßfühler der Abtasteinrichtung abgegebenen, einer identifizierten Markierung zugeordneten Signal mißt und aus diesen Werten unter Zuhilfenahme der hier zunächst als bekannt angeno)flmcncfl Drehyeschwindigkeit der Abtasteinrichtung den momentanen Abstand der Meßnormalen von der betreffenden Markierunq des linearen Markierungsträgers berechnet, wenn der Abstand dieser Markierung vom anderen Endpunkt der auszumessenden Strecke bekannt ist. Nimmt man nämlich an, daß das Referenzsignal bei jeder Umdrehung immer dann erzeugt wird, wenn die Abtasteinrichtung mit der Meßnormalen den grundsätzlich frei wählbaren, durch die Geometrie der Meßanordnung aber definitiv und genau bestimmbar festgelegten Winkel f einschließt, und daß zur Zeit t, zu der die Messung durch führt wird, der in Richtung der Linearbewegung gemessene Abstand der Meßnormalen von einer in dem betreffenden Endpunkt der auszumessenden Strecke vom Meßfühler überstrichenen Markierung m vom Rotationsmittelpunkt her gesehen unter einem Winkel £ (t) erscheint, dann gilt folgende Gleichung: #(t) = γ + ## (t) . #(t) (1) in der derSe(t) den gemessenen Zeitabstand zwischen dem Referenzsignal und dem von der Markierung m am Meßfühler erzeugten Signal und 47(t) die momentane Drehgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung bedeuten. Dabei können sowohl ç als auch de(t) sowohl mit positivem als auch mit negativem Vorzeichen auftreten, je nach dem in welcher zeitlichen Reihenfolge das Referenzsignal, das beim Uberstreichen der Markierung m erzeugte Meßfühlersignal und der Zeitpunkt zu einander liegen, in welchem der Meßfühler über die Meßnormale hinweg läuft.
Aus Gleichung (1) ergibt sich mit dem als bekannt angenommenen Radius R, mit dem der Meßfühler der Abtasteinrichtung um den Rotationsmittelpunkt umläuft, und dem ebenfalls als bekannt vorausgesetzten Abstand Sm der Markierung m vom anderen Endpunkt der auszumessenden Strecke die Länge S dieser Strecke durch die Gleichung m = Sm+ e ##.#(t)# . R (2) Die Kenntnis des Abstandes kSm der Markierung m vom anderen Endpunkt der auszumessenden Strecke ergibt sich bei Strecken, die so kurz sind, daß der rotierende Meßfühler auch im anderen Endpunkt dieselbe Markierung In abtasten kann, unmittelbar aus ei-ner dort vorgenommenen der eben beschriebenen Zeitabstandsmessung entsprechenden Messung.
Ist jedoch die auszumessende Strecke so groß, daß der Meßfühler, wenn sich die Meßnormale am anderen Endpunkt der Strecke befindet, die im ersten Endpunkt abgetastete Markierung h nicht mehr erreicht, so kann er in diesem anderen Endpunkt eine andere Markierung m t x abtasten und den Abstand de-r Meßnormalen von dieser Markierung in der beschriebenen-Weise bestimmen. Zur Bestimmung der Länge der auszumessenden Strecke muß in diesem Fall dann der Abstand zwischen den Markierungen m und m+x auf dem linearen Markierungsträger bekannt seine im allgemeinsten Fall bedeutet das, daß sämtliche Abstände der Markierungen des linearen'Markierungsträgers entweder voneinander oder von einem gemeinsamen Nullpunkt bekannt sein müssen.
Aus den als bekannt vorausgesetzten bzw. gemessenen Werten kann also durch eine einfache Rechenoperation die gesuchte Länge mit der außerordentlich großen Genauigkeit einer Zeitmessung ermittelt werden, wobei lediglich vorausgesetzt wird, daß.-der Abstand R des Meßfühlers vom Rotationsmittelpunkt genügend groß bzw. der Winkel (t) hinreichend klein ist, um ohne merklichen Fehler die Länge des Bogens des Winkels £ mit der Länge der zugehörigen Sehne gleichsetzen zu können.
Diese Forderung ist für die meisten Anwendungsfälle durch eine geeignete, Wahl von R und einen entsprechend kleinen Abstand der auf dem linearen Markierungsträger befindlichen Markierungen ohne großen Aufwand zu erreichen. Sollte dies ausnahmsweise einmal nicht möglich sein, so kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, daß zur genauen Bestimmung der interessierenden Längen eine entsprechende Umrechnung vom Bogen auf die Sehne vorgenommen wird, was keinen zusätzlichen technisch-apparativen sondern lediglich einen gewissen Rechenaufwand für den der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zugeordneten Mikroprozessor bedeutet.
Die Gleichungen (1) bzw. (2) und die zu ihrer Auswertung beim erfindungsgemäßen Verfahren erforderlichen' Rechenoperationen lassen sich dadurch wesentlich vereinfachen, daß man nach Anspruch 2 das Referenzsignal immer genau dann erzeugt, wenn die den Meßfühler mit dem Rotationsmittelpunkt verbindende Linie mit der Meßnormalen zusammenfällt, der obige Winkel also gleich Null ist. Dadurch, daß man überdies nicht nur den Zeitabstand zwischen dem Referenzsignal und dem ihm unmittelbar vorausgehenden Signal der Markierung m sondern auch zwischen dem Referenzsignal und dem ihm unmittelbar nachfolgenden Signal der Markierung m+1 mißt, erhält man nicht nur für ein und dieselbe Stellung des beweglichen Körpers zwei Meßwerte, die zur gegenseitigen Korrektur verwendet werden können, sondern verkleinert auch die maximale auszumessende Strecke auf den halben Abstand zweier einander unmittelbar benachbarter Markierungen des linearen Markierungsträgers, wodurch der durch das Ersetzen, der Sehne durch den zugehörigen Bogen entstehende Fehler nochmals weiter verringert wird.
überdies ermöglicht die Erzeugung der genannten zwei Meßwerte weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, auf die weiter unten nochmals genauer eingegangen wird.
Anders als beiden bekannten Längenmeßverfahren, bei denen die einzelnen Markierungen nicht als Individuen sondern völlig anonym behandelt werden, und dafür mit möglichst großer Exaktheit in genau definierten Abständen åuf dem Markierungsträger angebracht werden müssen, wird gemäß der Erfindung, zunächst in Kauf genommen, daß bei einem mit geringem Kostenaufwand hergestelltem Markierungsträger die Markierungsabstände innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken können rundes wird die angestrebte Genauigkeit dadurch erzielt, daß man vor den- eigentlichen Abstands messungen die Abstände der interessierenden Markierungen entweder untereinander oder bezüglich des Nu-llpunkts der Längenmessung genau bestimmt, diese Eichwerte unter Zuordnung zu den als Individuen behandelten -Markierungen speichert, und dann, wenn diese auch während des Längenmeßvorgangs als Individuen erkannten Markierungen zu den erwähnten Zeitabstandsmessungen herangezogen worden sind, auf die jeweilszugehörigen gespeicherten Eichwerte zurückgreift, um die momentane Lage der beiden Körper bzw.
die Länge ihrer Relativverschiebung bezüglich des Nullpunkts der Linearbewegung nach obigen Gleichungen zu berechnen.
Ein- besonderer Vorteil der Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren Linearmaßståbe verwendet werden können, bei denen an die Gleichmßigkeit der Abstände zwischen einander benachbarten Markierungen keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen, ist darin zu sehen, daß sich solche Maßstäbe sehr einfach und mit geringen Kosten- auch für große Längen, beispielsweise in der Größenordnung von 3 bis 5 Metern und mehr herste-llen lassen, bzw. daß mehrere kürzere Maßstäbe einfach aneinandergesetzt werden können, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit leidet.
Die in die Gleichungen (1) und (2) eingehende momentane Winkelgeschwindigkeit (t) der Abtasteinrichtung kann zum Beispiel dadurch bekannt sein, daß der die Abtasteinrichtung in eine ständige Rotation versetzende Antrieb so geregelt wird, daß die Geschwindigkeit dieser Rotation auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Neben dem hierfür erforderlichen schaltungstechnischen Aufwand hat dies den Nachteil, daß die interessierenden Abstandswerte immer nur mit der Genauigkeit bestimmt werden können, mit der die die Drehgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung konstant haltende Regelvorrichtung arbeitet. Dies ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend.
Daher ist gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die momentane Drehgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung gemäß Anspruch 4 nach dem in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P ............. (mit der Bezeichnung "Verfahren und vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers", unser Aktenzeichen M 41) beschriebenen Verfahren gemessen wird. Der Inhalt dieser deutschen Patentanmeldung P ............. wird hierdurch ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung miteinbezogen.
Es wird beim erfindungsgemäßen Längenmeßverfahren also ein zweiter Markierungsträger verwendet, der-beispielsweise aus einer flachen, kreisförmigen Scheibe bestehen kann, die mit der den linearen Markierungsträger abtastenden Abtasteinrichtung so verbunden ist, daß sie sich mit dieser mitdreht und die gemeinsame Achse bzw. Welle in etwa durch den Kreismittelpunkt verläuft. Auf diesem zweiten Markierungsträger ist. eine Vielzahl von in Drehrichtung voneinander beabstandeten Markierungen angebracht, die es ermöglichen, die momentane Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers und damit auch der mit ihm starr verbundenen Abtasteinrichtung für den linearen Markierungsträger mit hohem Auflösungsvermögen und hoher Genauigkeit zu messen. Zu diesem Zweck werden die Markierungen des rotierenden, zweiten Markierungsträgers durch eine zweite, mit dem den rotierenden Markierungsträger und die erste Abtasteinrichtung tragenden Körper starr verbundene zweite Abtasteinrichtung abgetastet, deren Meßfühler das Vorbeilaufen der Markierungen des rotierenden Markierungsträgers erfaßt und eine Folge von Signalen abgibt, von denen jedes jeweils einer Markierung zugeordnet ist.
Auch der zweite, rotierende Markierungsträger kann mit außerordentlich geringem technischen Aufwand und daher sehr kostengünstig hergestellt werden, da es auch bei ihm in keiner Weise darauf ankommt, daß seine Markierungen mit besonderer Präzision im oben. erläuterten Sinn aufgebracht sind. Stattdessen werden gemäß der Erfindung diese Markierungen als Individuen behandelt, deren Winkelabstände bezüglich des Rotationsmittelpunktes zunächst genau ausgemessen und unter Zuordnung zu den jeweiligen Markierungen längerfristig gespeichert werden. Weiß man nun aber, daß zum Beispiel die,n-te Markierung des rotierenden Markierungsträgers mit der in Drehrichtung unmittelbar nachfolgenden n+1-ten Markierung den Winkel y n n+1 einschließt und mißt man für die diesen beiden Markierungen zugeordneten Meßfühlersignale zu einer beliebigen.Zeit t den Zeitabstand Tn ,n1(t),sO gilt für die momentane Winkelgeschwindigkeit #(t) des rotierenden Markierungsträgers: Die momentane Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers und damit auch der den linearen Markierungsträger abtastenden Abtasteinrichtung kann also unabhängigvon der Präzision, mit der der rotierende Markierungsträger gefertigt ist, mit der Genauigkeit bestimmt werden, mit der die Eichwerte # n,n+1 bekannt sind und mit der die jeweilige Zeitabstandsmessung durchgeführt werden kann.
überdies bietet der zur Messung der Drehgeschwindigkeit o(t) der rotierenden Abtasteinrichtung verwendete rotierende Markierungsträger in Verbindung mit dem ihn abtastenden mit-dem zugehörigen Körper fest verbundenen Meßfühler eine einfache Möglichkeit, das für die Durchführung der erfindungsgemäßen Längenmessung erforderliche Referenzsignal zu bilden. Hierzu wird gemäß Anspruch 3 eine der auf dem rotierenden Markierungsträger vorhandenen identifizierten Markierungen verwendet, wobei der zugehörige Meßfühler so positioniert wird, daß diese festgelegte Markierung an ihm genau/detinSignal erzeugt, wenn sich die rotierende Abtasteinrichtung in der vorgegebenen Winkelstellung befindet.
Wie eben ausführlich dargelegt, stellt es einen wesentlichen Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, daß sowohl die für die Bestimmung der interessierenden Länge herangezogenen Markierungen des linearen Markierungsträgers als auch die zur Bestimmung der momentanen Winkelgeschwindigkeit der sich drehenden Abtasteinrichtung verwendeten Markierungen des'rotierenden Markierungsträgers innerhalb ihrer Gruppe jeweils als Individuen behandelt und identifiziert werden. Vorzugsweise erfolgt- die Identifizierung von Markierungen gemäß Anspruch 6 mit-Hilfe von in der jeweiligen Markierungsgruppe vorhandenen Asymmetrien. Diese Asymmetrien können beispielsweise darin bestehen, daß sich die einzelnen Markierungen hinsichtlich ihrer Länge und/oder Breite oder durch eine andere Kodierung so voneinander unterscheiden, daß sie jeweils als Individuum erkennbar sind. Allerdings ist der hierfür erforderliche Kodierungsaufwand bei der Herstellung der Markierungsträger und ebenso der mit Hilfe entsprechender Abtasteinrichtungen durchzuführende Dekodierungsaufwand bei den jeweiligen Meßvorgängen außerordentlich groß.
Deshalb wird es bevorzugt, daß mit Hilfe von Asymmetrien in jeder Markierungsgruppe gemäß Anspruch 7 immer nur eine Markierung identifiziert wird, die dann als Null-Markierung für eine Abzählung der übrigen Markierungen dient. In diesem Fall - wird der erforderliche Kodierungsaufwand wesent.-lich geringer, da es beispielsweise genüyt, die Null-Markierung einer jeden Gruppe etwas länger oder kurzer als die übrigen, einander im wesentlichen gleichen Markierungen-auszubilden, und diesen Unterschied mit Hilfe eines entsprechenden Sensors abzutasten.
Für den linearen Markierungsträger kann allerdings hierauf verzichtet werden, da hier gemäß Anspruch 9 vorteilhafterweise die an dem einen oder dem anderen Ende der Linearbewegung- jeweils äußerste Markierung als Null-Markierung verwendet werden kann.
Hierbei können bestimmten Anwendungsfällen allerdings Probleme dadurch auftreten, daß unter Umständen sehr lange Zeiträume vergehen, bis der bewlegliche Körper wieder -in eine der beiden Endlagen zurückkehrt und damit eine Möglichkeit gegeben wird, die Richtigkeit der in dem zurückliegenden Zeitraum erfolgten Abzählung der Markierungen des linearen Markierungsträgers zu überprüfen.
Daher wird bei --einer besonders bevorzugten Aus.führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jede Markierung des linearen Markierungsträgers nach Anspruch 1Q identifiziert. Die hierbei zur Verwendung kommenden Asymmetrien bzw. Unregelmäßigkeiten des linearen Markierungsträgers werden von den ungleichmäßigen Abständen einander benachbarter Markierungen gebildet, die mit Hilfe eines entsprechend genauen Zeitmeßverfahrens immer mit einer solchen Genauigkeit ausgemessen werden können, daß es selbst dann keine zwei miteinander übereinstimmenden Meßwerte gibt, wenn der Markierungsträger mit weit höherer Präzision hinsichtlich der Positionierung-der einzelnen Markierungen hergestellt wird, als dies im Rahmen des erfindungsemaßn Verfahrens angestrebt und erforderlich ist.
Es ist also möglich, jede der Markierungen des linearen Markierungsträgers mit Hilfe ihres Abstandes von der unmittelbar vorausgehenden und/oder von der unmittelbar nachfolgenden Markierung als Individuum zu erkennen, wenn erst einmal sämtliche Abstände aller jeweils einander unmittelbar benachbarter Markierungen ausgemessen und gespeichert sind.
Da die Identifizierung der Markierungen des linearen Markierungsträgers immer dann erfolgen muß, wenn die Position des beweglichen Körpers bestimmt werden soll, können immer wieder Fälle auftreten, in denen die Meßnormale sehr nahe bei einer der Markierungen des linearen Markierungsträgers liegt oder sogar mit dieser zusammenfällt. Da für einen kleinen Abstand R des rotierenden Meßfühlers von der Drehachse und/oder große Abstände einander benachbarter Markierungen des linearen Markierungsträgers die Sehne des vom Meßfühler zwischen der zu identifizierenden Markierung und ihrer Nachbarmarkierung überstrichenen Bogens um einen nicht mehr vernachlässigbaren Winkel gegen die diese beiden Markierungen in Richtung der Linearbewegung verbindende Linie, deren Länge als Eichwert gespeichert ist, geneigt sein kann, könnten Fälle auftreten, in denen-aufgrund des durch diese Neigung vergrößerten momentan gemessenen Abstandsmeßwertes der beiden Markierungen eine Identifizierung nicht mehr möglich ist. Dem wird dadurch abgeholfen, daß nach Anspruch 10 der Zeitabstand zwischen den den beiden interessierenden Markierungen zugeordneten Meßfühlersignalen nicht unmittelbar gemessen sondern aus der Summe der Zeitabstände bestimmt wird, den die betreffenden Meßfühlersignale zum Referenzsignal aufweisen. Da das Verhältnis dieser beiden Zeitabstände ein Maß dafür bildet, wie weit bei der betreffenden Messung diese Meßnormale aus der Mitte des Abstandes der beiden Nachbarmarkierungen heraus zur einen oder anderen Markierung hin-verschoben ist, kann es in den beschriebenen Fällen nac!i Anspruch 11 zur Durchführunq einer den obigen WinkeLsberücksichtigenden Korrektur verwendet werden, so daß auch hier wieder eine einwandfreie Identifizierung der betreffenden Markierungen möglich ist.
In ähnlicher Weise wie beim linearen Markierungsträger können gemäß Anspruch 12 auch beim rotierenden Markierungsträger die Winkelabstände einander benachbarter Markierungen zur Identifizierung dieser Markierungen verwendet werden, da diese Winkeäbstände aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe einer Zeitmessung bestimmt werden, die sich in jedem Fall so genau durchführen läßt, daß auch bei einem sorgfältig hergestellten Markierungsträger keine zwei identischen Werte vorhanden sind.
Es ist somit mögLich; jede der Markierungen des rotierenden Markierungsträgers mit Hilfe ihres Winkelabstandes von der unmittelbar vorausgehenden und/oder von der unmittelbar nachfolgenden Markierung oder aber auch mit Hilfe der Winkelabstände von zwei oder mehr vorausgehenden Markierungen als Individuum zu erkennen, wenn erst einmal sämtliche'Winkelabstände aller jeweils in Drehrichtung unmittelbar aufeinanderfolgender Markierungen dieser Gruppe ausgemessen und gespeichert sind. Soll z.B. -beim Vorbeilaufen der n-ten Markierung am feststehendenMeßfühler eine bestimmte Funktion, beispielsweise die Erzeugung des Referenzsignals ausgelöst werden, so kann diese Auslösung dann erfolgen, wenn das erste Meßfühlersignal auftritt, nachdem das Wiedererscheinen des bekannten und auf dem rotierenden Markierungsträger nur ein einziges Mal vorhandenen Winkelabstandes zwischen der (n-1)-ten und der (n-2)-ten Markierung erkannt worden ist.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Winkelabstand zweier Markierungen über den Zeitabstand der zugehörigen Meßfühlersignale gemessen wird und in diese Messung die momentane Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers eingeht, ist es zweckmäßig, zur Indentifizierung der n-ten Markierung den Quotienten beispielsweise der die Winkelabstände der (n-l)-ten zur (n-2)-ten und der (n-2)-ten zur (n-3)-ten Markierung kennzeichnenden Zeitabstände heranzuziehen, da bei dieser Quotientenbildung die momentane Winkelgeschwindigkeit herausfällt, wenn während,des sich aus diesen beiden unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitabständen zusammensetzenden Zeitraums die Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers konstant ist; wegen der Kürze dieses Zeitraums wird diese Bedingung im allgemeinen erfüllt sein. Auch ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich auf dem rotierenden Markierungsträger verschiedene Markierungsfolgen befinden, für die die in der eben beschriebenen Weise gebildeten Ouotienten im Rahmen der verwendeten, sehr genauen Zeitmessung einander gleiche Werte besitzen, nochmals wesentlich kleiner als die Wahrscheinlichkeit für das zufällige Auftreten von zwei einander genau gleichen Winkelabständen zwischen aufeinanderfolgenden Markierungen.
Auch bei dem eben beschriebenen, besonders bevorzugten Identifizierunqsverfahren ist es nicht erforderlich, alle Markierungen einzeln zu identifizieren. Statt dessen kann auch hier mit Hilfe der vorhandenen Asymmetrien auf dem rotierenden Markierungsträger nur eine einzige Markierung identifiziert werden, die dann als Null-Markierung bei der durch Abzählen der zugehörigen Meßfühlersignale erfolgenden Identifizierung der übrigen Markierungen dient. Dies wird für den rotierenden Markierungsträger-bevoræugt, da hier anders als beim linearen Markierungsträger die Null-Markierung mit einer der Drehzahl der Abtasteinrichtung bzw. des Markierungsträgers entsprechenden, relativ hohen Folgefrequenz periodisch am feststehenden Meßfühler. vorbeiläuft, so daß eventuell z.B. durch Störsignale auftretende Zählfehler -sehr rasch wieder korrigiert werden können.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es im allgemeinsten Fall nicht erforderlich ist, diese Null-Markierung bei der Herstellung des rotierenden Markierungsträgers von vornherein und endgültig als solche festzulegen. Vielmehr kann jede der auf dem Markierung-sträger vorhandenen Markierungen während des Betriebes einer-nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Meßvorrichtung willkürlich herausgegriffen und für einen folgenden Zeitraum als Null-Markierung verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch gemäß Anspruch 13, daß als Null-Markierung diejenige Markierung verwendet wird, deren Meßfühlersignal als Referenz-signal dient.
Zur Vereinfachung der Identifizierung ist es auch beim rotierenden Markierungsträger möglich, anstelle von oder zusätzlich zu den "natürlicherweise" vorhandenen Asymmetrien "absichtlich" erzeugte Asymmetrien zur Identifizierung zumindest der Null-Markierung zu verwenden.
So kann z.B. vorgesehen sein, daß die Null-Markierung dadurch festgelegt wird, daß ihr Winkelabstand zu einer ihrer unmittelbaren Nachbarmarkierungen sich wesentlich von den Winkelabständen aller anderen unmittelbar benachbarten Markierungen unterscheidet.
Wie bereits erwähnt, ist es zur erfindungsgemäßen Messung der Länge einer interessierenden Strecke nicht nur erforderlich, die für die momentanen Zeitabstandsmessungen herangezogenen Markierungen als solche zu identifizieren, sondern es müssen auch für die Markierungen des linearen Markierungsträgers deren gegenseitige Abstände bzw. die jeweiligen Abstände vom Nullpunkt der Linearbewegung und für jede der Markierungen des rotierenden Markierungsträgers der Winkelabstand zumindest zu den unmittelbar benachbarten Markierungen bekannt sein. Nun ist es zwar prinzipiell möglich, gemäß der Erfindung ohne besonders großen Aufwand hergestellte Markierungsträger vor ihrer Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens sorgfältig auszumessen und die einzelnen Abstände bzw.
Winkelabstände in einem elektronischen Fes-twertspeicher unter Zuordnung zu den betreffenden Markierungen niederzulegen und für die später erforderlichen Rechenoperationen zur Verfügung zu stellen. Dies würde allerdings bedeuten, daß man beim linearen Markierungsträger an den exakt zur Linearbewegung senkrechten Verlauf und beim rotierenden Markierungsträger an den exakt radialen Verlauf der einzelnen Markierungen und an die Langzeitkonstanz der gesamten Anordnungsgeometrie außerordentlich hohe Anforderungen stellen müßte.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist: es tür eine besonders bevorzuyte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 15 bzw.- 22 vorgesehen, daß in einem Haupteichlauf sämtliche Abstände einander jeweils unmittelbar benachbarter Markierungen des linearen Markierungsträgers und damit auch die Abstände all dieser Markierungen zum Nullpunkt der Linearverschiebung bzw. in einem Hilfseichlauf die Winkelab--stände aller auf dem rotierenden Markierungsträger jeweils unmittelbar-nebeneinander angeordneter Markierungen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtung s-elbst ausgemessen und dies gewonnenen Ergebnisse längerfristig als Eichwerte gespeichert werden.
Diese Eichläufe haben erfindungsgemäß jeweils vor Beginn der eigentlichen Längenmessungen zu erfolgen und zweckmäßigerweise wird sogar der Hilfseichlauf vor dem H.aupteichlauf durchgeführt.
Zunächst soll jedoch- auf den im vorliegenden Zusammen--hang wichtigeren, zur Ausmessung des linearen Markierungsträgers dienenden Haupteichlauf eingegangen werden.
Bei diesem Haupteichlauf werden gemäß Anspruch 15 zweckmäßigerweise ausgehend von der Null-Markierung der Linearverschiebung die Abstände zwischen allen einander unmittelbar benachbarten Markierungen jeweils in der Weise ausgemessen, daß die beiden Zeitabstände zwischen demjenigenSignal des rotierenden Meßfühlers, das als letztes vor dem Referenzsignal erzeugt wurde, und dem Referenz signal einerseits und zwischen dem Referenzsignal und demjenigen Meßfühlersignal, das als erstes nach dem Referenzsignal erzeugt wurde, andererseits gemessen werden. Nimmt man an, daß der oben erwähnte Winkel kurz 0 gewählt worden ist, so erhält man aus der Summe dieser beiden Zeitabstände Se1 und Ae2 und der momentanen Winkelgeschwindigkeit #(t) der rotierenden Abtasteinrichtung analog zur Gleichung (1)als Maß für den Abstand der gerade betrachteten Markierungen m und mtl den Winkel #m,m+1 unter dem dieser Abstand vom Rotationsmittelpunkt her erscheint: £ m, (e1 = ( ##1 + +##2)#(t) (4) Hierbei handelt es sich also noch nicht um den eigentlich interessierenden Abstand, den man aus dem Winkel ja erst durch Multiplikation mit dem Radius R erhält, auf dem der Meßfühler der rotierenden Abtasteinrichtung um dem Rotationsmittelpunkt umläuft; da jedoch bei der späteren Bestimmung der relativen Lage der beiden Körper der gleiche Radius R in derselben Weise in die Meßergebnisse eingeht, ist es prinzipiell möglich, bereits die sich nach Gleichung (4) ergebenden Winkelwerte g als Eichwerte längerfristig zu speichern, wenn R wenigstens einmal genau bestimmt wird, so daß eine spätere Umrechnung auf die Abstände möglich ist.
Alternativ hierzu ist es nach Anspruch 16 vorgesehen, daß nicht die Winkelwerte £ sondern die sich aus ihnen nach Gleichung Lm,m+i =#m,m+1 . R (5) ergebenden Abstandswerte b Lm,m+1 der betreffenden Markierungen beim Haupteichlauf jeweils sofort einzeln berechnet und längerfristig abgespeichert werden.
Damit dies möglich ist, muß, wie bereits erwähnt, der Radius R genau bekannt sein, mit den der Meßschwerpunkt des Meßfühlers, d.h. zum Beispiel bei einem elektrooptischen Sensor der geometrische Schwerpunkt der lichtempfindlichen Fläche bzw Flächen um den Rotationsmittelpunkt umläuft. Zur Ausmessung von R sieht die Erfindung mehrere alternativ oder zur gegenseitigen Korrektur kumulativ anwendbare Möglichkeiten vor.
So kann zum Beispiel der Meßschwerpunkt des Meßfühlers durch die Abtastung entsprechend ausgebildeter Markierungen bestimmt und sein Abstand vom Rotationsmittelpunkt direkt nach irgendeinem bekannten Verfahren ausgemessen werden.
Eine-andere bevorzugte Möglichkeit besteht darin, mit dem rotierenden Meßfühler einen hochgenau gefertigten, nur als Eichnormal dienenden und für die weitere Messung nicht benötigten Maßstab abzutasten, der wenigstens zwei Markierungen umfaßt, deren Abstand #L sehr genau bekannt ist. Mitdem nach Gleichung (4) aus den $Meßwerten ##1,##2 und «>(t) berechneten zugehörigen Winkelwert # kann dann nach Gleichung (5) R bestimmt werden.
Eine dritte Möglichkeit wird weiter unten im Zusammenhang mit Anspruch 21 erläutert.
Der Abstand Lrn einer jeden m-ten Markierung van Nullpunkt der Linearverschiebung ergibt sich dann durch eine einfache Summation: In den Fällen, in denen beispielsweise aus apparativen Gründen der rotierende - Meßfühler' einen kleinen Stand R von der Drehachse aufweist bzw. die Abstände 5 L zwischen den einzelnen Markierungen relativ groß gewählt werden müssen, kann es vorteilhaft sein, nach Anspruch 1-7 die sich aus Gleichung (5) ergebende Bogenlänge auf die Länge der zugehörigen Sehne umzurechnen.
Wie oben im Zusammenhang mit den eigentlichen Längenmessungen ausgeführt wurde, überstreicht der Meßfühler zwischen zwei Nachbarmarkierungen des linearen Markierungsträgers dann, wenn sich die Meßnormale in unmittelbarer Nähe einer dieser Markierungen befindet, einen Bogen, der auch dann größer als der parallel zur Richtung der Linearbewecjung gemessene Abstand dieser beiden Markieruncsn ist, wenn sich die Länge dieses Bogens ohne wesentlichen Fehler gleich der Länge der zugehörigen Sehne setzen läßt. Bei den eigentlichen Längenmessungen lassen sich derartige Situationen einerseits nicht vermeiden, da hier die Stellungen der Meßnormalen, in denen die Messungen durchgeführt werden müssen, durch den Betrieb der mit der Längenmeßvorrichtung ausgestatteten Maschine und nicht vom Meßsystem bestimmt werden.Andererseits ergeben sich bei den Langenmessungen hieraus allenfalls eine Korrektur erfordernde Schwierigkeiten für die Identifizierung der abgetasteten Markierungen, nicht aber für die Genauigkeit der Messungen, die um so größer ist, je kleiner der Abstand der Meßnormalen zur nächstgelegenen Markierung des linearen Markierungsträgers ist.
Demgegenüber können beim Haupteichlauf die Positionen der Meßnormalen, in denen irgendwelche Messungen durchgeführt werden sollen, weitgehend frei gewählt werden. Bevorzugt wird daher nach Anspruch 18 beim Haupteichlauf die Ausmessung des Abstandes eines Markierungspaares immer dann durchgeführt, wenn die Meßnormale etwa durch die Mitte dieses Abstandes verläuft, was daran erkannt werden kann, daß die beiden Zeitabstandsmeßwerte j e1 und ße2 in etwa gleich groß sind. In dieser Position ist sichergestellt, daß die Sehne des vom rotierenden Meßfühler überstrichenen Bogens in etwa parallel zur Richtung der Linearbewegung verläuft.
Vorzugsweise wird daher der Haupteichlauf so durchqcführt, daß gemäß Anspruch 19 der bewegbare Körper von Markierungspaar zu Markierungspaar weitergeschoben und immer dann angehalten wird, wenn die Meßnormale sich in etwa in der Mitte zwischen den beiden Markierungen befindet. In dieser Stellung werden die beiden Zeitabstände bei mindestens einer, vorzugsweise bei mehreren Umdrehungen der rotierenden Abtasteinheit gemessen und für die Berechnung der erforderlichen Eichwerte weiter verarheitet.
Eine andere Möglichkeit besteht nach Anspruch 20 darin, den beweglichen Körper kontinuierlich voranzuschieben und immer dann wenigstens eine Messung der beiden genannten Zeitabstände durchzuführen, wenn sich die Meßnormale in unmittelbarer Nähe der Mitte des Abstandes zweier Nachbarmarkierungen befindet. Durch die während der Messung weiterlaufende Linearbewegung werden natürlich andere Zeitabstände gemessen als bei dem Verfahren nach Anspruch 19. Um den hierdurch entstehenden Fehler klein zu halten, ist es für Längenmeßverfahren, bei denen an die Meßgenauigkeit normal hohe Anforderungen gestellt werden, ausreichend, wenn die Linearbewegung mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die wesentlich kleiner ist als die Bahngeschwindigkeit des rotierenden Meßfühlers. Für extrem hohe Meßgenauigkeiten muß zusätzlich die Geschwindigkeit der Linearbewegung in etwa konstant und in erster-Näherung bekannt sein, so daß die gemessenen Zeitabstände entsprechend korrigiert werden können.
Sind sämtliche Abstände einander benachbarter Markierungen nach den Ansprüchen 15 und 21 durch Bestimmung des jeweiligen Winkels a, unter dem sie vom Rotationsmittelpunkt her erscheinen-, -ausgemessen, ohne daß zunächst R bekannt ist, so können diese Winkelmeßwerte analog zu Gleichung (6) summiert werden. Mißt man dann zusätzlich gemäß Anspruch 21 den Abstand der beiden Endmarkierungen des linearen Markierungsträgers wenigstens einmal nach einem anderen Verfahren, beispielsweise auf interferometrischem Wege sehr genau aus, so läßt sich hieraus in Analogie zur Gleichung (5) ebenfalls der Radius R bestimmen.
Um den durch die Suation der jeweils gewonnen Einzelmeßwerte sich ergebenden Fehler möglichst klein zu halten, kann der Haupteichlauf ein erstes Mal von der einen Endlage und ein zweites Mal von der anderen Endlage her beginnend durchgeführt werden, was einen Vergleich und eine Mittelwertbildung aus den so doppelt gewonnenen Werten er möglichst.
Wie erwähnt, werden auch die Winkelabstände der Markierungen des rotierenden Markierungsträgers vorzugsweise durch die erfindungsgemäße -Meßvorrichtung -selbst bei einem Hilfseichlauf ausgemessen.
Hierzu werden nach Anspruch 22 die Winkelabstande aller auf dem rotierenden Markierungsträger vorhandener, durch in Drdarichtunq jeweils unmittelbar aufeinander folgende Markierunqen qebi ldeter Markierungspaare durch Messung der Zeitabstände der diesen Markierungen zugeordneten Meßfühlersignale nach folgender Gleichung bestimmt ts ,+1 (tEICH) z Tv,9+1 (tEICH) #(tEICH) (7) Da hier die während des Hilfseichlaufes herrschende Winkelgeschwindigkeit bJttEIcH) des rotierenden Markierungsträgers eingeht, muß diese Größe bekannt sein. Man erhält sie nach Anspruch 23 vorteilhafterweise dadurch, daß dann, wenn der rotierende Markierungsträger nur mit einem einzigen feststehenden Meßfühler abgetastet wird, die oberlbeschriebenen Hilfseichlauf-Messungen über wenigstens zwei volle Umdrehungen des-Markierungsträgers hinweg durchgeführt werden. Es ergeben sich dann wenigstens zwei Reihen von Zeitabstandsmeßwerten, wobei die gleiche Platzziffer innerhalb einer jeder Meßreihe aufweisende Meßwerte immer von demselben Markierungspaar stammen.
Stimmen nun sämtliche, einander in dieser Weise entsprechende Meßwerte der verschiedenen Meßreihen innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander überein, so kann daraus der Schluß gezogen werden, daß die Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers während der Aufnahme dieser Meßreihen, d.h. beispielsweise während zweier Umdrehungen konstant war. Mißt man während dieser Umdrehungen zumindest für eine Markierung des rotierenden Markierungsträgers die Zeitabstände der Signale, die von dieser Markierung beim ersten und beim darauf folgenden zweiten Vorbeilaufen am feststehenden Meßfühler, d.h. also bei einer Drehung des rotierenden Markierungsträgers um genau 3600 erzeugt worden sind, so erhält man hieraus ein unmittelbares Maß für diese während- des Eichlaufes konstante Drehgeschwindigkeit hv(tEICH) mit der dann die Zeitabstandsmeßwerte entweder der während der ersten Volldrehung gewonnenen und zwischengespeicherten Meßreihe oder die hiermit -ja praktisch identischen Meßwerte der zweiten Meßreihe zur Gewinnung der erforderlichen Fichwerte multipliziert werden.
Die für dieses Verfahren einzuhaltende Forderung, daß die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers-während wenigstens zweier Volldrehungen konstant bleiben muß, läßt sich ohne weiteres erfüllen, da ja selbst dann, wenn die Drehgeschwindigkeit des frei laufenden und keinerlei Belastungen unter liegenden-Markierungsträgers des öfteren schwankt, dazwischen doch-immer Zeiträume liegen, in denen keine solchen Schwankungen auftreten. Will man die Zeit, während derer die Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers zur Durchführung eines Hilfseichlaufes konstant sein muß-, noch.verkürzen, so ist es beispielsweise möglich, den rotierenden Markierungsträger mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, am zugehörigen Körper befestigten Meßfühlern abzutasten. Das Verfahren läuft prinzipiell genauso wie oben beschrieben, doch kann man hier bereits nach- einer halben Umdrehung mit dem Vergleich- der beiden hier an den verschiedenen Meßfühlern entstehenden-Meßreihen beginnen,so daß sich der gesamte Hilfseichlauf innerhalb einer vollen Umdrehung abschließen läßt.
Eine andere Möglichkeit zur Überprüfung der Konstanz der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Markierung 5-trägers besteht darin, daß man hierzu nicht die Zeitabstände der zu den jeweils einander unmittelbar benachbarten Markierungen gehörenden Signale verwendet, sondern über zwei volle Umdrehungen des Markierungsträgers hinweg für jede Markierung den Zeitabstand zwischen dem bei einem ersten Vorbeilaufen dieser Markierung am Meßfühler ausgelösten Signal und dem von derselben Markierung beim nächsten Vorbeilau1'en an diesem Meßfühler erzeugten Signal mißt und alle diese 360°-Zeitabstände miteinander vergleicht. Ergbit sich hier eine Übereinstimmung innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen, so kann man auch hieraus auf eine Konstanz der Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers während dieses Zeitraumes schließen und die gleichzeitig gemessenen Zeitabstände der zueinander benachbarten Markierungen gehörenden Signale nach einer entsprechenden Umrechnung als Eichwerte benutzen.
Die vorausgehend beschriebenen Haupt- und Hilfseichläufe müssen-zwar mindestens einmal durchgeführt werden, bevor der eigentliche Abstandmeßbetrieb aufgenommen werden kann. Um keine besonderen Anforderungen an die Langzeitkonstanz insbesondere der Geometrie der Meßanordnung stellen zu müssen, wird es jedoch bevorzugt, daß die Eichläufe zur ständigen Nacheichung wiederholt werden.
Für den rotierenden Markierungsträger gestaltet sich diese Wiederholung der Eichläufe-besonders einfach, da es möglich ist, bei jeder seiner Umdreiungen die Zeitabstände zwischen allen unmittelbar aufeinanderfolgenden Meßfühlersignalen zu messen und mit den entsprechenden Zeitmeßwerten der vorausgehenden Umdrehung zu vergleichen. Stellt sich heraus, daß die erfaßten -Werte nicht innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, sowird zunächst an den alten, gespeicherten Eichwerten festgehalten und die auftretende Abweichung als Kennzeichen für eine momentane Änderung innerhalb des Meßsystems interpretiert. Sobald aber zwei aufeinanderfolgende Umdrehungen des Markierungsträgers wieder zu denselben Zeitabstandsmeßwerten führen, d.h. also diese Zeitabstandsmeßwerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, können sofort neue Eichwerte gebildet und anstelle der alten Eichwerte gespeichert werden. Dadurch wird die Meßanordnung in die Lage versetzt, sehr rasch auf irgendwelche auftretenden Drifterscheinungen zu reagieren und deren Einfluß zu eliminieren.
Aus den oben gemachten Ausführungen geht hervor, daß mit Ausnahme von R, das im Grunde aber nur ein einziges Mal gemessen werden muß, so daß für seine genaue Bestimmung auch -ein etwas größerer Aufwand getrieben werden kann, sämtliche für die Berechnung der Länge der jeweils auszumessenden Strecke erforderlichen Größe aufgrund des erfindunsgemäßen Verfahrens durch reine Zeitabstandsmessungen zwischen Meßfühlersignalen gewonnen werden können.
Die Zeitabstände zwischen zwei'aufeinanderfolgenden elektrischen Signalen aber ohne hohen technischen und kostenmäßigen Aufwand beispielsweise mit Hilfe einer quarzgesteuerten Oszillatorschaltung elektronisch sehr genau bestimmt werden können, erhält man die gesuchte Länge mit der Genauigkeit der verwendeten Zeitmessung und völlig unabhängig davon, mit welcher Genauigkeit bzw. Regelmäßigkeit die durch die Meßfühler abgetasteten Markierungen auf den verwendeten Markierungsträgern angebracht worden sind. Gegenüber den bekannten Längenmeßverfahren lassen sich älso durch die Verwendung stark verbilligter Markierungsträger erhebliche tierstellungskosten einsparen, von denen nur ein sehr geringer Teil durch den etwas größeren elektronischen Meß-und Auswerteaufwand wieder verbraucht wird.
Darüber hinaus kann für alle Teile der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit Ausnahme der Zeitmeßeinheit auf besondere Maßnahmen zur Sicherung einer guten Langzeitkonstanz verzichtet werden, da sich im übrigen ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Meßsystem selbsttätig immer wieder nacheicht und somit in der Lage ist, den Einfluß sowohl kurzfristiger Schwankungen als auch langfristiger Drifterscheinungen auf das Meßergebnis vollständig zu eliminieren.
Aus den Gleichungen (1), (2) und (4) geht hervor, daß sowohl bei den während des Haupteichlaufes als auch während der eigentlichen Abstaninessung durchgeführten Messungen der Zeitabstände 91 und t 62 die Winkelgeschwindigkeit #(t) der rotierenden Abtasteinrichtung bekannt sein muß. Allerdings ist es nicht erforderlich, diese Winkelgeschwindigkeit während des ganzen für eine volle Umdrehung der Abtasteinrichtung erforderlichen Zeitraumes zu messen. Es genügt, wenn sie nach Anspruch 25 in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne erfaßt und überwacht wird, die unmittelbar vor dem Überstreichen der die Messung von # ##1 einleitenden Markierung des linearen Markierungsträgers durch den rotierenden Meßfühler beginnen und unmittelbar nach dem Oberstreichen der die Messung von t 92 beendenden Markierung des linearen Markierungsträgers durch den rotierenden Meßfühler enden kann.
Damit die in diesem Zeitraum gemessenen Zeitabstände 60 1 und zu 2 überhaupt in sinnvoller Weise zur Berechnung der Länge der interessierenden Strecke herangezogen werden können, muß die Winkelg.eschwindigkeit G)(t) (t) des rotierenden Markierungsträgers in dem Sinn konstant sein, daß sie zumindest am Beginn der genannten Zeitspanne denselben Wert besitzt, wie an deren Ende.
Da die momentane Winkelgeschwindigkeit 4? (t) aber nicht zu d-iesen Zeitpunkten als infinitesimal kleiner Wert sondern jeweils nur als Mittelwert über den (wenn auch sehr'kleinen) Zeitraum hinweg bestimmt werden kann, der vergeht, bis zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Markierungen an dem den rotierenden Markierungsträger abtastenden Meßfühler vorbeigelaufen sind, wird die Konstanz der Winkelgeschwindigkeit in obigem Sinne vorzugsweise gemäß Anspruch 26 dadurch überprüft, daß man ihren Mittelwert über einen der Messungen von ##1 und ##2 unmittelbar vorausgehenden und unmittelbar folgenden Zeitraum bestimmt und diese beiden Mittelwerte miteinander vergleicht. Stimmen sie innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander überein, so kann daraus mit großer Zuverlässigkeit der Schluß gezogen werden, daß sich die Winkelgeschwindigkeit während der Messung von doU,a 02 in obigem Sinne nicht geändert hat.
Da vorzugsweise nach Anspruch 27 für jede Stellung der beiden gegeneinander verschiebbaren Körper eine Vielzahl von Zeitabständen ##1 und ##2 bei aufeinanderfolgenden Umdrehungen des rotierenden Markierungsträgers gemessen wird, beispielsweise um durch Mittelwertbildung der so erhaltenen Abstandswerte die Meßgenauigkeit noch weiter zu steigern, wird auch bei jeder dieser Umdrehungen in der eben beschriebenen Weise die Konstanz der Wink,elgeschwindigkeit G0(t) überprüft. Zeigt sich, daß sich die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Abtasteinrichtung vorübergehend ändert, so werden die in diesem Zeitraum gewonnenen Meßwerte ##1 und ##2 nicht zur Berechnung des momentan Abstandes herangezogen, sondern es wird solange gewartet, bis die Winkelgeschwindigkeit a (-t) wieder konstant ist.
Da, wie bereits erwähnt, diese Konstanz nur für äußerst kurze Zeiträume gewährleistet sein muß, um einen weiteren Abstandsmeßwert zu erhalten, wird dies im allgemeinen sehr schnell wieder der Fall sein.
/ bei ruhenden Körpern erfaßten Bevor aus mehreren Abstands-Meßwerten der Mittelwert gebildet wird, ist zu überprüfen, ob nicht während des Meßzeitraums eine Linearbewegung zwischen den beiden Körpern oder eine andere, das Meßergebnis beeinflußende Störung aufgetreten ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man die einzelnen Abstands-Meßwerte miteinander vergleicht und den Mittelwert erst dann bildet, wenn sie innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß wegen der freien Verschieblichkeit der beiden Körper gegeneinander ohne weiteres Stellungen auftreten können, in denen einer der beiden auszumessenden Zeitabstände d # 1 bzw.
2 zu 2 praktisch beliebig kurz wird. Erfindungsgemäß wird daher die Zeitmessung so durchgeführt, daß auch solche "Beinahe-Koinzidenzen" bzw. echte Koinzidenzen zwischen Markierungen des linearen Markierungsträgers zugeordneten Meßfühlersignalen und dem Referenzsignal in der richtigen Weise erfaßt und ausgewertet werden.
Hierauf wird weiter unten nochmals genauc>.r eingegangen.
Für das Auflösungsvermögen der Messung der Länge der interessierenden Strecke bedeutet das, daß dieses Auflösungsvermögen nicht durch den Abstand'der auf dem linearen Markierungsträger einander benachbarten Markierungen sondern allein durch das sehr hohe Auflösungsvermögen der verwendeten Zeitabstandsmessung bestimmt wird.
In vielen Fällen kann es von großer Bedeutung sein, nicht nur die Länge einer Strecke auszwnessen, die bei der Linearbewegung von zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern durchlaufen wird, sondern auch die Geschwindigkeit dieser Linearbewegung zu ermitteln. Dies kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 28 durchgeführt werden, wobei allerdings die Voraussetzung eingeht, daß die Indentifizierung der jeweils abgetasteten Markierungen des linearen Markierungsträgers nicht vermittels -ihrer Abstände sondern beispielsweise durch Abzählen -åusgehend von einer einmalig oder momentan willkürlich gewählten Null-Markierung erfolgt.
Ist nämlich der-aus dem Haupteichlauf bekannte wahre Abstand zwischen der Markierung mund ihrer Nachbarmarkierung m+1 gleich Lm,m+1 und beträgt der während einer mit der Geschwindigkeit v ablaufenden Linearbewegung gemessene Zeitabstand zwischen den diesen beiden Markierungen zugeordneten Meßfühlersignalen ##1m,m+1 + ##2m,m+1 ##m,m+1, so ergibt sich hieraus mit der momentan Winkelgeschwindigkeit #(t) und dem Radius R der scheinbare Abstand Lm,m+1* = ##m,m+1#(t) . R, der größer oder kleiner als Lm,m+1 ist, je nachdem ob sich die Geschwindigkeit der Linearbewegung von der Bahngeschwindigkeit des rotierenden Meßfühlers subtrahiert oder zu dieser addiert.
Die gesuchte Geschwindigkeit v der Linearbewegung ergibt sich dann unmittelbar aus der Gleichung Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung ist in der Lage, auch bei sich gegeneinander bewegenden Körpern den Abstand der Meßnormalen von einer identifizierten Markierung für den Zeitpunkt exakt auszumessen, in welchem der rotierende Meßfühler diese Markierung überstreicht, da das zu dieser Messung weiterhin erforderliche Referenzsignal von einer an demselben Körper wie die rotierende Abtasteinrichtung befestigten Vorrichtung, d.h. also unabhängig von der Geschwindigkeit einer eventuellen Linearbewegung erzeugt wird.
Da der Zeitpunkt, in dem der rotierende Meßfühler das der identifizierten Markierung zugeordnete Signal erzeugt, und der Zeitpunkt, in welchem das Referenzsignal erzeugt wird, im allgemeinen nicht zusammenfallen, der Abstand der Meßnormalen von der Markierung aber erst nach Messung des Zeitabstandes dieser beiden Signale und einer - allerdings sehr kurzen - Signalverarbeitungs-und Rechenzeit bekannt list, erhält man den interessierenden Abstandswert jedoch erst, wenn sich die beiden Körper und damit auch die Meßnormale berei.ts um ein gewisses Stück weiterbewegt haben. Dieser Effekt ist vor allem dann deutlich ausgeprägt, wenn das der abgetasteten Markierung zugeordnete Signal vor dem Referenzsignal erzeugt wird, da in diesem Fall das Meßfühlersignal die erfindungsgemäß-durchzuführende Zeitmessung einleitet, der Meßwert aber erst berechnet werden kann, wenn die Zeitmessung durch das Referenzsignal beendet worden ist.
Da dieses Referenzsignal zumindest in den Fällen, in denen es als Normalstellungssignal in dem Zeitpunkt erzeugt wird, in welchem der rotierende Meßfühler die Meßnormale überstreicht, aber sofort die nächste Zeitmessung eiffieitet, die dann durch das Uberstreichen der Nachbarmarkierung beendet wird, ergibt sich nach sehr kurzer Zeit ein neuer Meßwert, diesmal für den wahren Abstand der Meßnormalen zu der Nachbarmarkierung in dem Zeitpunkt, in dem diese Markierung vom rotierenden Meßfühler überstrichen wird. Für alle dazwischen liegenden Zeitpunkt und insbesondere für den Zeitpunkt, zu dem 'das.Referenz- bzw. Normalstellungssignal erzeugt wird, bann die Lage der'Meßnormalen dann nach Anspruch 29 berechnet werden, wenn die Geschwindi-gkeit v der Linearbewegung aufgrund des in Anspruch 28 beschriebenen Verfahrens bekannt ist.
Erfolgt die Linearbewegung zwischen den beiden Körpern zur schnellen Uberw-indung einer großen Strecke mit hoher Geschwindigkeit, so wird eine durch Abzählen der vom rotierenden Meßfühler überstrichenen Markierungen. des linearen -Markierungsträgers erfolgende Identifizierung der Markierungen dann unmöglich, wenn die Zeit, die die Meßnormale benötigt, um den Abstand zwischen zwei benachbarten Markierungen zu durchlaufen, wesentlich kleiner ist als die für eine volle Umdrehung der rotierenden Abtasteinrichtung benötigte Zeit. Bei feingeteilten linearen Markierungsträgern, bei denen die Markierungsabstände beispielsweise in der Größenordilung von einem Millimeter liegen, wird hierdurch die Maximalgeschwindigkeit der Linearbewegung auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt.
Will man dennoch schneller an einen vorgegebenen Punkt heranfahren, so kann man gemäß der Erfindung beispielsweise die Geschwindigkeit mit irgendeiner bekannten Vorrichtung messen und über eine entsprechende Steuerung der Vorschubzeit in die Nähe des Zielpunktes gelangen, wo dann die Linearbewegung angehalten oder so stark verringert wird, daß sich die erfindungsgemäß aufgebaute und arbeitende Vorrichtung dadurch neu orientieren kann, daß sie gemäß Anspruch 10 die gerade vom Meßfühler überstreichbaren Markierungen identifiziert. Ist auf diese Weise die neue Position der Meßnormalen bestimmt, kann sie dann langsam an den gewünschten Zielpunkt angenähert werden.
Zur Vermeidung des hierfür erforderlichen Zeit- und Steuerungsaufwandes ist gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 30 vorgesehen, daß durch die rotierende Abtasteinrichtung ein zweiter, nur eine Grobteilung aufweisender linearer Markierungsträger abgetastet wird, dessen Markierungsabstände ebenfalls während des Haupteichlaufes ausgemessen werden können, und der einen wesentlich schnelleren Vorschub ohne Orientierungsverlust erlaubt, da bei ihm die Zeit, die die Meßnormale für das Durchlaufen der einzelnen, wesentlich größeren Markierungsabstände benötigt, erst bei viel schnelleren Linearbewegungen in den Größenordnungsbereich einer Rotationsperiode kommt.
Aus den bisher gemachten Ausführunqen ergibt sich, daß die Genauigkeit des beschriebenen Längenmeßverfahrens einzig und allein von der Genauigkeit abhängt, mit der die im einzelnen interessierenden Zeitabstände gemessen werden. Daher kommt im Rahmen des erfindungsqemäßen Verfahrens dieser Zeitabstandsmessung eine besondere Bedeutung zu, und es wird nach Anspruch 31 bevorzugt vorgesehen, daß für die verschiedenen Zeitabstandsmessungen die Impulse eines freilaufenden, quarzgesteuerten Oszillators abgezählt werden und daß beim Auftreten eines Signals an dem einen oder dem anderen Meßfühler der nach der steigenden Flanke des nächsten Oszillatorimpulses erreichte Zählwert ausgelesen und weiter verarbeitet wird.
Statt der nächsten steigenden Flanke kann erfindungsgemäß auch die nächste fallende oder einfach die nächste Impulsflanke verwendet werden. -In jedem Fall ermöglich es dieses Verfahren, die interessierenden Zeitabstände dadurch zu erhalten,. daß man die Differenz der betrefenden Zählwerte bildet und mit der sehr genau beka-nnten und festliegenden Periodendauer bzw. - halben Periodendauer der .Oszillatorschwingung multipliziert. Allerdings führt dies nur dann zu einer hohen Meßgenauigkeit, wenn die Signale, deren Zeitabstand bestimmt werden-soll, so weit auseinanderliegen und/oder'der Oszillator mit einer so hohen Frequenz schwingt, daß zwischen den beiden Signalen eine so große Anzahl von Oszillatorperioden bzw. -impulsen auftritt, daß die Tatsache keine wesentliche Rolle mehr spielt, daß bei dieser Art der Messung die kleinste, nicht mehr unterteilbare Zeiteinheit die Länge einer ganzen bzw. einer halben Oszillatorperiode ist.
Da nun, wie bereits erwähnt, der Zeitabstand zwischen zwei Signalen, die von verschiedenen Meßfühlern abgegeben werden, beliebig klein werden kann, ist die obige Voraussetzung allenfalls für mit extrem. hoher Frequenz schwingende Oszillatoren erfüllbar, bei denen man ohne großen Meßfehler zwei innerhalb einer Oszillatorperiode bzw. Halbperiode auftretende Ereignisse einfach als "gleichzeitig" betrachten kann.
Um den für solche extrem hochfrequente Oszillatoren erforderlichen Aufwand zu vermeiden und dennoch zu sehr genauen Zeitabstandsmeßwerten zu gelangen, ist bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß zur Bestimmung der zeitlichen Lage der Meßfühlersignale innerhalb der jeweiligen Schwingungsperiode des Oszillators durch diese Signale jeweils eine dem betreffenden Meßfühler zugeordnete Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung gestartet und durch die steigende Flanke des nächsten Oszillatorimpulses angehalten wird.
Liegen die beiden Signale, deren Zeitabstand gemessen werden soll, s ieit voneinander getrennt, daß zwischen ihnen eine oder mehrere Oszillatorperioden auftreten, so wird ihr Zeitabstand nach diesem Verfahren praktisch durch drei Einzelmessungen, nämlich eine durch die Abzählung der Oszillatorimpulse gegebene Grobzeitmessung und zwei mit Hilfe der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung bzw. -schaltungen durchgeführte Feinzeitmessungen bestimmt, deren Ergebnisse vorzeichenrichtig zu dem interessierenden Gesamt-Zeitabstand aufsummiert werden.
Liegen dagegen die beiden Signale so dicht beieinander, daß sie in dieselbe Schwingungsperiode des Oszillators fallen (Grobmeßwert = 0), was bei geeigneter Wahl der Oszillatorfrequenz bezüglich der Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers und der Anzahl der in einer Markierungsgruppe enthaltenen Markierungen nur für von verschiedenen Meßfühlern stammende Signale eintreten kann, so steht für jedes. dieser Signale eine eigene Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung zur Verfügung, die den zeitlichen Abstand dieses Signals von der nächsten steigendenOszillatorflanke mißt. Die Differenz dieser beiden Zeitfeinmeßwerte ergibt dann den gesuchten Zeitabstafldswert mit sehr großer Genauigkeit auch dann, wenn er nahezu oder exakt gleich Null ist.
Da die üblichen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen über längere Zeiten hinweg Drifterscheinungen aufweisen können, wobei sich die jeweils innerhalb bestimmter Zeitspannen nach dem Start-Signal erreichte Ausgangsamplitude ändert, ist gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß jede Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung immer-wieder dadurch nachgeeicht wird, daß sie durch -eine Flanke eines Oszillatorimpulses gestartet und durch eine nachfolgende Oszillatorimpulsflanke angehalten wird und daß der so erhaltene Zeitmeßwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung mit dem zwischen diesen beiden Qszillatorimpulsflanken liegenden.Zeitraum verglichen wird.
Es wurde oben bereits ausgeführt, daß die Genauigkeit und Langzeitkonstanz des erfindungsgemäßen Längen-Meßverfahrens nur von der Genauigkeit und der Langzeitkonstanz des zur Ausmessung der interessierenden Zeitabstände verwendeten Zeitmeßverfahrens abhängt. Dadurch, daß nun. auch bei der die Schwingungsperioden des quarzgesteuerten Oszillators zeitlich auflösenden Zeitmessung die keineswegs die Langzeitkonstanz eines Quarzes besitzenden Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen mit Hilfe des Quarzes ständig nachgeeicht werden, erhält das gesamte Längenmeßverfahren dieselbe Genauigkeit und Langzeitkonstanz wie der Quarz, ohne daß an die übrigen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Hinsicht irgendwelche besonderen Forderungen gestellt werden müßten.
Da auch über sehr lange Zeiten hinweg sehr genau schwingende Quarze kostengünstig zur Verfügung stehen, liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine außerordentlich preiswerte und dennoch extrem genau arbeitende Längen-bzw. Abstandsmeßvorrichtung.
Die üblichen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen weisen überdies die Eigenschaft auf, daß die Amplitude ihres Ausgangssignals erst nach einer gewissen Anlaufzeit nach jedem Startsignal linear mit der Zeit anwächst, während unmittelbar nach dem Startsignal eine mehr oder weniger starke Nichtlinearität vorhanden ist. Da der frei laufende Oszillator mit den Meßfühlersignalen in keiner Weise synchronisiert ist, ist es ohne weiteres möglich, daß zwischen dem die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung startenden Meßfühlersignal und der nächsten zum Anhalten verwendeten Oszillatorimpulsflanke ein so kurzer Zeitraum liegt, daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung im nichtlinearen Bereich arbeitet, was zu einer Verfälschung des so gewonnenen Zeitmeßwertes führen kann.
Um hier zu noch besser reproduzierbaren und genaueren Ergebnissen zu gelangen, sieht die Erfindung vor, daß das Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung durch die steigende Flanke des entsprechenden Oszillatorimpulses bei jeder Zeitabstandsmessung und bei jeder Eichmessùng mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt und daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach-jeder dieser Messungen durch ein schaltungsintern erzeugtes.Startsignal gestartet und durch-ein gleichzeitig mit diesem Startsignal erzeugtes, ebenfalls der vorbebestimmten zeitlichen Verzögerung unterworfenes Sopsignal wieder angehalten wird'rund daß der so gewonnene Korrekturwert von dem vorausgehend gewonnenen Zeitmeßwert subtrahiert wird.
Durch diese Maßnahmen wird also zunächst die Zeitspanne, während derer die Zeit/Amplituden--Wandlerschaltung bei jeder-Zeitabstandsmessung und auch bei jeder Eichmessung arbeitet, -um einen vorgegebenen Zeitraum verlängert, der so gewählt ist, daß er'mit Sicherheit größer ist als der.-Zeitraum, während dessen die Amplitude des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung in nichtlinearer Weise anwächst. Sofort nachdem der so gewonnene Meßwert zwischengespeichert ist, wird die- Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf den Ausgangszustand zurückgesetzt -und dann durch ein intern erzeugtes Startsignal neu gestartet. Gleichzeitig mit diesem Startsignal wird auch ein- Stopsignal intern erzeugt und der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf dem gleichen Weg zugeführt, auf dem sie bei den eigentlichen Zeitrflessungen das von der Oszillatorimpulsflanke herrührende Stopsignal erhält.
Dieses gleichzeitig mit dem intern erzeugten Startsignal erzeugte Stopsignal erfährt also auch die oben erwähnte Verzögerung, so daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung trotz der gleichzeitigen Erzeugung der beiden Signale für einen Zeitraum arbeitet, der dieser Verzögerung (und eventuell zwischen Start- und Stopleitung vorhandenen Laufzeitunterschieden, die bei der eigentlichen Zeitmessung in gleicher Weise vorhanden sind) entspricht.
Es wird somit ein Korrekturwert erzeugt, mit dessen Hilfe exakt die in der gerade vorausgegangenen Zeitmessung enthaltenen Laufzeitdifferenzen und Nichtlinearitäten erfaßt werden. Dieser Korrekturwert wird von dem noch zwischengespeicherten Zeitabstandsmeßwert oder Eich-Meßwert abgezogen. Die Differenz stellt einen Meßwert dar, wie man ihn mit einer ideal linear arbeitenden und ohne Laufzeitdifferenzen angesteuerten Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung erhalten würde und ist somit für eine weitere Verarbeitung optimal geeignet. Da die Korrekturwerte immer sofort unmittelbar nach der zu korrigierenden Messung gewonnen werden, wird auch der Einfluß von an dieser Stelle eventuell auftretenden Langzeitdriften eliminiert.
Weiterhin ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß durch jeden Meßfühler aus den auf den Markierungsträgern angebrachten realen Markierungen ideale Marken -abstrahiert und deren Zeitabstände gemessen werden. Dies hat zur Folge, daß nicht nur keine besonderen Anforderungen an die Langzeit-Maßhaltigkeit des zur Herstellung der Markierungsträger verwendeten Materials und an die Genauigkeit der abstands und winkelmäßigen Positionierung der auf den Markierungsträgern angebrachten Markierungen gestellt werden müssen, sondern daß auch die Breite und die konkrete geometrische Form dieser Markierungen sowie die Genauigkeit ihres parallelen bzw. radialen Verlaufes keine wesentliche, die Genauigkeit der Längenmessung beeinflussende Rolle mehr spielen.
Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die- Breite der realen Markierungen -in Richtung der Linearbewegung bzw.
in Drehrichtung gesehen wesentlich größer gewählt werden kann, als dies-nach dem Stand der Technik möglich war, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit des Verfahrens in irgendeiner Weise beeinträchtigt würde. Durch die größere Breite der Markierungen läßt sich vielmehr das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang der Meßfühler erheblich verbessern, wodurch einerseits der zur Verarbeitung der Nutzsignale erforderliche schaltungstechnische Aufwand wesentlich verringerbar ist und zum anderen die Meßgenauigkeit noch weiter gesteigert werden kann.
Vorteilhafterweise erfolgt die Abstrahierung der idealen Marken aus den realen Markierungen dadurch, daß der Durchgang eines aus dem vom Meßfühler beim Vorbeilaufen einer Markierung abgegebenen Signal abgeleiteten elektrischen Signals durch einen vorgegebenen konstanten Spannungspegel alls ideale Marke dient, wobei bevorzugt als Meß--fühler jeweils ein Differential-Fotoempfänger mit wenigstens einem nachgedchalteten differenzbildenden Glied Verwendung findet und der Null-Durchgang des vom differenzbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger erzeugten Ausgangssignals als ideale Marke dient.
Als Differential-Fotoempfänger kann eine Differential-Fotodiode. verwendet werden, deren lichtempfindliche Fläche durch einen bzw. zwei Trennstege in zwei Hälften bzw. vier Quadranten unterteilt ist.
Im ersten Fall wird sowohl beim rotierenden als auch beim feststehenden Meßfühler die Fotodiode so angeordnet, daß ihr Trennsteg bezüglich der Drehachse des rotierenden Markierungsträgers in etwa radial verläuft. Zur Signalverarbeitung ist der Fotodiode jeweils nur ein differenzbildendes Glied, vorzugsweise ein Differenzverstärker nachgeschaltet, dessen beide Eingänge jeweils mit einer der beiden Hälften der lichtempfindlichen Fläche verbunden sind. Beim Vorbei-laufen einer jeden Markierung liefert das differenzbildende Glied jeweils ein Ausgangssignal, dessen Nulldurchgang in zumindest kurzfristig exakt reproduzierbarer Weise eine Art optische Schwerlinie" der realen Markierung definiert und somit ausgezeichnet als ideale, zeitlich praktisch "punktförmige" Marke geeignet i-st. Zwar ist es möglich, daß die so gebildeten "Markierungsschwerlinien" aufgrund von Drifterscheinungen beispielsweise der Lichtempfindlichkeit -der Fotodiode über längere Zeiträume hinweg gesehen ihre gegenseitigen Abstände bzw. Winkelabstände geringfügig ändern. Durch die erfindungsgemäß ständig erfolgende Nacheichung bleibt dies aber ohne-Bedeutung.
Im'zweiten Fall ist die Fotodiode jeweils so angeordnet, daß der eine der beiden Trennstege wieder in etwa in radialer Richtung verläuft, während sich der andere etwa tangential zu der von den Meßfühlern bezüglich der Markierungsträger bei der Drehung der Abtasteinrichtung beschriebenen Bahnen erstreckt. Zur Verarbeitung der bei dieser Anordnung beim Vorbeilaufen einer Markierung jeweils entstehenden vier Signale werden zwei differenzbildende Glieder verwendet, die so angeschlossen sind, daß ihre beiden Eingänge jeweils die Signale von zwei einander bezüglich des Schnittpunktes der Trennstege gegenüberliegenden Quadranten der lichtempfindlichen Fläche erhalten. Bei einer solchen Anordnung sind die von den beiden differenzb.ildenden Gliedern beim Vorbeilaufen einer Markierung abgegebenen Signale bzw. deren Nulldurchgänge zeitlich gegeneinander versetzt, wenn die Randlinien der Markierung nicht genau symmetrisch zu dem sich radial erstreckenden Trenflsteg der Fotodiode verlaufen. Aus einer Änderung des Zeitabstandes dieser beiden jeweils zu einer Markierung gehörenden Signale kann das Ausmaß einer auf.getretenen radialen Verschiebung des rotierendenMeßfühlers bzw. einer Radialverschiebung zwischen dem feststehenden Meßfühler und demrotierenden Markierungsträger ermittelt und beispielsweise bei Uberschreiten einer vorgegebenen Toleranzgrenze automatisch eine Nacheichung des Systems durchgeführt werden. Auch das Auftreten von Exzentrizitäten läßt sich mit dieser Anordnung erkennen.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß für jedes von dem differenzbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger abgegebene Ausgangssignal einRechtecksimpuls erzeugt wird, dessen wenigstens eine Flanke in einem festen zeitlichen Abstand zum Null-Durchgang des Ausgangssignals liegt, und daß die Zeitabstände dieser Flanken gemessen und weiter verarbeitet werden. Die von dem aus Meßfühler, differenzbildendem Glied und nachfolgender Püfferschaltung bestehenden Geber abgegebenen Rechtecksimpulse können beispielsweise in ihrer Flankensteilheit und Amplitude so ausgebildet sein, daß sie zur Ansteuerung-der handelsüblichen TTL-IC-Digitalbausteine geeignet sind, wodurch sich die nachfolgende Auswerte schaltung besonders kostengünstig aufbauen läßt.
Erfindungsgemäß können aber tuch andere diskrete oder integrierte Schaltungsbauteile zur weiteren Signalverarbeitung herangezogen werden. Wesentlich ist allein die- strenge- zeitliche Zuordnung eines eindeutig erfaßbaren Teils, beispielsweise der steigenden Flanke des vom Geber beim Vorbeilaufen einer Markierung am Meßfühler erzeugten Signals zu dieser Markierung, so daß tatsächlich der zeitliche Abstand dieser Signalteile als Maß für den Abstand b>w. Winkelabstand der Markierungen verwendet werden kann.
Eine zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe geeignete Vorrichtung wird durch die im Anspruch 39 zusammengefaßten Merkmale beschrieben. Auf die Funktion und Bedeutung der einzelnen Bestandteile dieser und der durch den Anspruch 40 definierten Vorrichtung wurde bereits im Zusammenhang mit der Schilderung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich eingegangen. Es sei hier lediglich darauf hingewiesen, daß diese im wesentlichen von elektronischen Schaltungen gebildeten Bestandteile nicht notwendigerweise individuell nebeneinander vorhanden sein müssen, sondern schaltungsmäßig zusammengefaßt sein können. So ist es z.B. möglich, die Identifizierungsschaltung, die Steuerschaltung und die Vergleichsschaltung mit den Rechenschaltungen zu einem einzigen Rechner zusammenzufassen, der der Reihe nach oder parallel die entsprechenden Funktionen ausübt.
Derartige Rechner stehen zum Beispiel in Form von Mikroprozessoren zu niedrigen Preisen zur Verfügung, so daß ihre Verwendung dem durch die Erfindung angestrebten Ziel, nämlich der Schaffung einer äußerst genau arbeitenden und dennoch kostengünstigen L'nq,en-Meßvorrichtung in keiner Weise entgegensteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Zeitmeßeinheit einen quarzgesteuerten Oszillator, einen die Oszillatorperioden abzählenden Zähler und zwei jeweils durch die vom zugehörigen Geber abgegebenen Signale triggerbare und durch vom Quarzoszillator abgegebenen Signale anhaltbare Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen mit nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlern.
Da es erforderlich ist, für einen zeitlich und funktionsmäßig richtigen Ablauf der einzelnen Zeitmessungen zu sorgen, umfaßt die Zeitmeßeinheit darüber hinaus auch noch eine Ablaufsteuerung, die entweder gesondert aufgebaut oder mit in die .z.B. durch einen'rlikroprozessor realisierte Ablaufsteuerung des gesamten Meßsystems integriert sein kann.
Wesentlich ist, daß eine Ablaufsteuerung vorhanden ist, die- die erwähnten Funktionen übernimmt und gegebenenfalls darüber hinaus dafür sorgt, daß zwischen den Zeitfeinmessungen die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen mit Hilfeldes Oszillators immer wieder nachgtjcicht.werden, und daß sowohl nach jeder Zeitfeinmessung als auch nach jeder Eichmessung die oben bereits beschriebenen Korrekturwerte gewonnen und in der erforderlichen Weise verarbeitet werden.
-Zwar ist es möglich, di-e von jeder Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung abgegebenen analogen Meß- und Korrekturwerte jeweils für sich zu digitalisieren und erst dann weiter zu verarbeiten. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, daß sie'mit Hilfe von Sample-and-Hold-Schaltungen zunächst in analoger Form zwischengespeichert, durch einen Differenzverstärker voneinander subtrahiert und erst dann einem Analog/Digital-Wandler zugeführt werden.
Wie b-ereits erwähnt, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, anstelldeeiuf den Markierungsträgern vorhandenen realen-Markierungen aus diesen abstrahierte ideale, d.h.
zeitlich praktisch punktförmige Marken zu verwenden und deren Z-eitabstände auszumessen und weiterzuverarbeiten.
Das hat unmittelbar zur Folge, daß es anders als beim Stand der Technik nicht mehr erforderlich ist, an die geometrische Gestalt der -Markierungen besondere Anforderungen zu ste]-len. Insbesondere müssen die Markierungen nicht mehr in Richtung der Linearbewegung bzw. in Drehrichtung so extrem schmal ausgebildet werden wie bisher; vielmehr wird es bevorzugt, daß die Markierungen eines jeden Markierungsträgers sich hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften von den an sie angrenzenden Bereichen des Markierungsträgers unterscheidende, im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Linearbewegung bzw. der Drehung des rotierenden-Markierungsträgers verlaufende Streifen sind, wobei sich besonders gut zu verarbeitende elektrische Signale ergeben, wenn die Breite eines jeden Markierungsstreifens größer als die Breite des Trennsteges der Differential-Fotodiode und kleiner als die Breite der Differential-Fotodiode ist. Die streifenförmige Ausbildung der Markierungen führt zu einem wesentlich verbesserten Signal-Rauschverhältnis am Meßfühlerausgang, da sich aufgrund der größeren Markierungsbrite ein wesentlich stärkerer optischer Kontrast zwischen den Markierungen und den sie umgebenden Bereichen des Markierungsträgers erzielen läßt.
Die Abtastung der Markierungsträger durch den zugehörigen Meßfühler kann entweder im Auflichtverfahren oder im Durchlichtverfahren erfolgen. In jedem Fall ist dafür zu sorgen, daß das von der Lichtquelle ausgehende Meßlichtbündel möglichst senkrecht auf die Oberfläche des Markierungsträgers auf fällt, was beim Auflichtverfahren zur Folge hat, daß das reflektierte Licht auf dem Weg des auffallenden Lichtes zurückläuft. Da sich Lichtquelle und Lichtempfänger nicht an derselben Stelle befinden können, wird zur Auskoppelung des reflektierten Lichtes ein Strahlenteiler, beispielsweise ein halbdurchlä:siger Spiegel verwendet.
Um eine möglichst günstige Ausleuchtung des den Meßfühler bildenden Fotoempfängers zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Llch.taus trittsöffnuny der Beleuchtungsanordnung mijgli-chst nah am Markierungsträger anzuordnen. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß man die Lichtquelle eventuell unter Verwendung einer Abbildungs- bzw. Kondensoroptik möglichst-nah am Markierungsträger anordnet. In Fällen, in denen dies beispielsweise aus Gründen des zur Verfügung stehenden; Raumes nicht möglich ist, ist bevorzugt, daß ein das Licht der Lichtquelle in unmittelbare Nähe des Markierungsträgers lenkender Lichtleiter vorgesehen ist.
Dieser Lichtleiter kann überdies vorteilhafterweise dazu verwendet werden, das von der Lichtquelle ausgehende Licht zu homogenisieren. Nicht nur Glühlampen, sondern auch die bevorzugt als Lichtquelle eingesetzten.Licht emittierenden Dioden (LED's-oder Laserdioden) besitzen nämlich eine Struktur, die dazu führt, daß das-Sicht nicht punktförmig sondern flächig abqestrahlt wird, wobei die einzelnen Punkte dieser Fläche mit stark unterschiedlicher Helligkeit leuchten. Der zwischen Lichtquelle und Markierungsträger angeordnete Lichtleiter vermag hier eine Kondensorfunktion auszuüben, d.h. seine dem Markierungsträger zugewandte Stirnfläche erscheint als weitgehend homogen leuchtende Fläche, mit deren Hilfe die lichtempfindliche Fläche der-den-Meßfühler bildenden Fotodiode gleichmäßig ausgeleuchtet werden. kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf.die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 eine schematische Draufsicht aüi: eine erfindungsgemäße Längenmeßvorrichtung, Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung aus Fig. 1 längs der Linie 11-11, Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm einer zur Verarbeitung der von der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 abgegebenen Signale geeigneten, erfindungsgemäßen Meß- und Aus werteschaltung, Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem'Markierungsträger, Fig. 5 eine schaltplanmäßige Darstellung eines einem Meßfühler nachgeschalteten Gebers, Fig. 6 ein Diagramm, das die an verschiedenen Stellen des Gebers auftretenden elektrischen Signale wiedergibt, Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Zeitmeßeinrichtung, Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem linearen Markierungsträger, Fig. 9 und 10 das Arbeiten der Zeitmeßeinrichtung veranschaulichende Signal-Diagramme, Fig.11 eine erläuternde Darstellung zu den Gleichungen 1 und 2 und Fig.12 eine erläuternde Darstellung zur Messsung der Geschwindigkeit der Linearbewegung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die beiden gegeneinander in Richtung des Doppelpfeiles F verschiebbaren Körper 2 und 3, wobei der Abstand des Körpers 2 von einem in den Figuren nicht dargestellten Nullpunkt der Linearverschiebung bzw. die Länge der vom Körper 2 bei seiner Linearbewegung zurückgelegten Strecke gemessen werden soll.
Der eine Körper 3 trägt zu diesem Zweck einen linearen Markierungsträger 1, an dem eine Vielzahl von in Richtung der Linearverschiebung beabstandeten Markierungen 12 vorgesehen ist. Diese Markierungen 12.besi.tzen jeweils die Form eines schmalen, langgestreckten, im wesentlichen auf der Richtung der Linearbewegung senkrecht stehenden Streifens, der sich hinsichtlich-der Lichtdurchlässigkeit von den ihn umgebenden Bereichen des linearen Markierungsträgers 1 unterscheidet.
An dem anderen der beiden-Rörper 2 ist ein durch eine Welle 4 drehbar gelagerter zweiter Markierungsträger 5 angebracht, der- durch einen ebenfalls am Körper 2 befestigten Antrieb 6, der entweder-direkt ein Elektromotor oder aber ein Getriebe oder eine sonstige Antriebsvorrichtung sein kann, zu einer ständigen Rotation in Richtung des Pfeiles W -angegetrieben wird.
Der rotierende Markierungsträger 5 besteht im wesentlichen -aus einer kreisförxnigen Scheibe, durch deren Mittelpunkt in etwa die Welle 4 verläuft. Längs des Randes der Markierungsscheibe 5 sind in etwa radial verlaufende und in Drehrichtung voneinander beabstandete, streifenförmige Markierungen -13 angeordnet, die sich ebenfalls hinsichtlich ihrer Lichtdurchlässigkeit von den sie umgebenden Bereichen der Scheibe 5 unterscheiden. Am Rand des rotierenden Markierungsträgers 5 ist eine erste Abtastvorrichtung 14 so angeordnet, daß sie aufgrund der Rotation des Markierungsträgers 5 periodisch einen Bereich des linearen Markierungsträgers 1 überstreicht. Die Abtasteinrichtung 14 besteht aus einem von der Seite her gesehen im wesentlichen U-förmigen Träger, dessen beide Schenkel- sich von der Welle 4 in radialer Richtung so wegerstrecken, daß sie in den Zeiträumen, in denen die Abtasteinrichtung.14 aufgrund der Drehung des rotierenden Markierungsträgers 5 den linearen Markierungsträger 1 überstreicht, diesen linearen Markierungsträger 1 zwischen sich einschließen, wie dies insbesondere der ltiq. 2 zu entnehmen ist.
Am unteren Schenkel des Trägers 16 ist eine Lichtquelle 17 befestigt, während der obere Schenkel einen elektrooptischen Meßfühler 15 trägt, der so angeordnet ist, daß die Verbindungslinie zwischen der Lichtquelle 17 und dem Fotodetektor 15 in etwa senkrecht auf der die Markierungen 12 tragenden Oberfläche des linearen Markierungsträgers 1 steht.
Aufgrund der in Richtung des Pfeiles W erfolgenden Drehung der Abtasteinrichtung 14 laufen. also immer dann, wenn die Abtasteinrichtung'den linearen Markierungsträger 1 überstreicht, in ständigem Wechsel lichtundurchlässige Markierungen 12 und lichtdurchlässige Markierungszwischenräume durch das Meßlichtbündel hindurch, das auf diese Weise moduliert wird.
Weiterhin ist auf dem den rotierenden Markierungsträger 5 und die Abtasteinrichtung 14 tragenden Körper 2 eine zweite, mit dem Körper 2 starr verbundene Abtasteinrichtung 19 angeordnet, die einem unterhalb der Markierungsscheibe 5 vermittels eines Trägers 21 befestigten Fotodetektor 20 und einer Lichtquelle 22 besteht, die auf der anderen Seite der Markierungsscheibe 5 so angeordnet ist, daß ihre Verbindungslinie zum Fotodetektor 15 in etwa senkrecht auf der die Markierungen 13 tragenden Oberfläche der Skalenscheibe 5 steht. in Drehrichtung gesehen ist die Abtastvorrichtung 19 so ausgerichtet, daß der durch den Meßfühler 20 hindurchgehende Radialstrahl senkrecht auf der Richtung der Linearbewegung F steht.
Durch die in Richtung des Pfeiles W erfolgende Drehung des rotierenden Markierungsträgers 5 laufen in ständigem Wechsel lichtundurchlässige Markierungen 13 und lichtdurchlässige Markierungszwischenräume durch das Meßlichtbündel der Abtasteinrichtung 19 hindurch, das auf diese Weise moduliert wird.
Als Lichtquellen 17 bzw. 22 finden bevorzugt Licht emittierende Dioden Verwendung, bei denen es sich entweder um LED's oder -um - Laser-Dioden handeln kann.
Wie in Fig. 3 dargestellt, geben die Meßfühler 15 und 20 jeweils also immer dann über die Leitungen 18 bzw. 23 ein elektrisches Signal an eine Meß- und Auswerteschaltung 25 ab, wenn an ihnen eine der Markierungen 12 bzw. 13 der Markierungsgruppen CL bzw. P vorbeiläuft.
Eine der Markierungen 1.3 der Markierungsgruppe p ist so angeordnet, daß der Meßfühler 20 dann das ihr zugeordnete Signal abgibt, wenn der vom Mittelpunkt der Welle 4, -d.h. also der- Drehachse ausgehende, sich durch den Meßfühler 15 erstreckende Radial-strahl auf der Richtung der Linearbewegung senkrecht steht. Das dieser Markierung zugeordnete Meßfühlersignal dient als Referenzsignal, das im vorliegenden-Fall also für die Winkelstellung f = 0 erzeugt wird.
Genau genommen ist es der Abstand der auf diese Weise definierten "Meßnormalen" vom Nullpunkt der Linearverschiebung, der durch die erfindungsgemäße Meßanordnung bestimmt wird.
Gemäß Fig. 3 umfaßt die Meß- und Auswerteschaltung 25 als mit den Leitungen 18 bzw. 23 verbundene Eingangsglieder zwei Geber 28 bzw. 29, die nicht nur zur Formung der Meßfühlersignale sondern auch dazu dienen, aus den realen, auf dem Markierungsträgern -1 bzw. 5 befindlichen Markierungen 12 bzw. 13 ideale,- d.h. zeitlich praktisch punktförmige Marken zu gewinnen, deren Zeitabstände dann durch die den Gebern 28 und 29 nachgeschaltete Zeitmeßeinheit 30 sehr genau ausgemessen werden können.
Weiterhin umfaßt die Meß- und Auswerteschaltung 25 eine Identifizierungsschaltung 33, die erkennt, welche Markierung 12 bzw. 13 der Gruppe « bzw. /3 gerade am Meßfühler 15 bzw. 20 vorbeiläuft. Diese Identifizierung kann für die Markierungen 12 des linearen Markierungsträgers 1 mit Hilfe der zwischen den diesen Markierungen zugeordneten Signalen des Meßfühlers 15 und dem vom Meßfühler 20 erzeugten Referenzsignal durch die Zeitmeßeinheit 30 gemessenen Zeitabständen j # 1 und j 92 und für die Markierungen 13 des rotierenden Markierungsträgers 5 mit Hilfe der von der Zeitmeßeinheit 30 für das der jeweiligen Markierung unmittelbar vorausgehende Markierungspaar gemessenen Zeitabstände IT bzw. des Quotienten der Zeitabstände der unmittelbar vorausgehenden Markierungspaare und/oder durch Abzählen der unmittelbar von den Gebern 28 bzw. 29 kommenden Signale erfolgen. Die Identifizierungsschaltung 33 liefert die jeweiligen Markierungen individualisierende Informationen an eine Steuerschaltung 35, die nach einem vorgebbaren Programm zentral die Funktionsabläufe in der gesamten Meß- und Auswerteschaltung steuert.
Da dieser Steuerschaltung 35 zur einwandfreien Durchführung ihrer Aufgaben auch Informationen über den jeweiligen Arbeitszustand der übrigen Schaltungsbestandteile zufließen müssen, ist sie mit diesen durch in beide Richtung arbeitende übertragungsleitungen verbunden, was in Fig. 3 durch an beiden Enden mit Pfeilen versehene Doppellinien symbolisiert ist.
Die Zeitmeßeinheit 30 besitzt gemäß Fig. 3 im wesentlichen zwei Signal-Ausgangsleitungen 40 und 42, von denen die erste jeweils mit einem Eingang der Identifizierungsschaltung 33, eines Zwischenspeichers 50, einer Vergleichsschaltung 51 und einer zweiten Rechen- und Speicherschaltung 55 verbunden ist. Auf dieser Leitung 40 gibt die Zeitmeßeinheit 30 die Zeitabstandsmeßwerte # T# ab, die sie für unmittelbar aufeinanderfolgende, identifizierten Markierungen 13 des rotierenden Markierungsträgers 5 zugeordnete Signale des Gebers 29 ermittelt hat.
Beim Hilfseichlauf werden diese Zeitabstandsmeßwerte # T# zunächst für eine beliebig herausgegriffene Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers 5 gemessen und unter-Beibehaltung ihrer Zuordnung zu den zugehörigen Markierungen 13 im Zwischenspeicher 50 ge.speichert.
Bei der nächsten Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers 5 gibt der Zwischenspeicher 50 diese Werte in der Reihenfolge derLeitung 43 an-die Vergleichsschaltung 5i ab, in der die zugehörigen neuen Werte auf der Leitung 40 erscheinen. Stimmen die jeweils von den zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen -stammenden Wertepaare innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander überein, was ein Kennzeichen dafür ist, daß die Drehgeschwindigkeit #(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 in diesem Zeitraum konstant ist, so gibt die Vergleichsschaltung auf der Leitung 45 Signale an die zweite Rechen- und Speicherschaltung 55, die diese veranlassen, die auf der Leitung 40 auch ihr zugeführten neuen Zeitabstandsmeßwerte zur Berechnung von längerf-ristig zu speichernden Eichwerten heranzuziehen, und aus den von der Zeitmeßeinheit 30 wäh-.rend dieser beiden Umdrehungen ebenfalls gelieferten Zeitabstandsmeßwertenfür von jeweils ein uncl derselben Markierung am Meßfühler 20 erzeugte und somit einer 360°-Drehung des rotierenden Markierungsträgers 5 entsprechende Signale , die während der beiden Hilfseichlauf-Umdrehungen als konstant festgestellte Drehgeschwindigkeit 7n(tEICH) zu berechnen.
Sobald für den rotierenden Markierungsträger 5 ein kompletter Satz von Eichwerten für die absoluten Winkelabstände der Markierungen 13 in der zweiten Rechen-und Speicherschaltung 55 enthalten ist, kann diese fortlaufend aus jedem von der Zeitmeßeinheit 30 neu erzeugten Zeitabstandsmeßwert für diese Markierungen 13 die momentane Drehgeschwindigkeit p(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 unabhängig davon berechnen, ob die Vergleichsschaltung 51 eine Übereinstimmung mit dem zugehörigen, von der vorausgehenden Umdrehung stammenden Wert anzeigt oder nicht.
Die so erhaltene momentane Drehgeschwindigkeit sv(t), die während einer Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers 5 so viele Male neu bestimmt werden kann, wie Markierungen in der Markierungsgruppe ß enthalten sind, wird von der zweiten Rechen- und Speicherschaltung 55 über die Leitung 47 der ersten Rechen- und Speicherschaltung 57 zugeführt.
Diese erste Rechen- und Speicherschaltung 57 erhält außerdem über die Leitung 42 von der Zeitme.ßeinheit 30 die Zeitabstandsmeßwerte ##1 und ##2 zwischen dem vom Meßfühler 20 stammenden Referenzsignal urtd denjenigen Signalen des Meßfühlers 15, die den unmittelbar vor und nach dem Auftreten des Referenzsignals abgetasteten Markierungen 12 des linearen Markierungsträgers 1 zugeordnet sind.
Aus diesen Zeitabständen ##1 und # 82 berechnet die erste Rechen- und Speicherschaltung 57 zunächst beim Haupteichlauf die Abstände #Lµ,µ+1 zwischen den jeweils abgestasteten Markierungen µ und µ+1 des linearen Markierungsträgers bzw.
den Abstand dieser Markierungen vom Nullpunkt der Linearverschiebung nach den Gleichungen (4), (5) und (6) und speichert die so gewonnenen Elchwerte in Form einer Wertetafel. Ist diese Wertetafel fertig, so kann die erste Rechen- und Speicherschaltung 57 aus jeweils neu gewonnenen Zeitabständen # e1 61(t) und # e2 (t) und der zugehörigen momentanen Winkelgeschwindigkeit G;(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 mit Hilfe der Gleichungen (1) bzw. (2) den momentanen Abstand L(t) der Meßnormalen vom Nullpunkt der Linearverschiebung berechnen.
Da alle £ür die Berechnung von L(t) verwendeten Größen aus Zeitabstadsmessungen gewonnen wurden, bestimmt die erfindungsgemäße. Längenmeßvorrichtung den gesuchten Abstand mit der Genauigkeit und dem Auflösungsvermögen der in ihr enthaltenen Zeitmeßeinheit 30.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Signalübertragung zwischen den in Fig. 3 dargestellten Blöcken der Meß- und Auswerteschaltung 25 nicht nur seriell sondern auch paralleL oder in gemischter Form erfolgen kann. In den beiden letzteren Fällen.umfassen dann auch die mit einfachen Strichen wiedergegebenen Verbindungen mehrere parallele Übertragungsleitungen.
Bevor im folgenden genauer auf den Aufbau und die Funktion der Zeitmeßeinheit 30 eingegangen wird, soll zunächst noch anhand der Fig. 2 bis 4 das Zusammenwirken zwischen den Markierungsträgern 1 bzw. 5 mit den zugehörigen Meßfühlern 15 bzw. 20 und der AufE t und die Arbjtswc'js dar die S nale dieser Meßftihler formenden Geber 28 und 23 beschrieben werte den. Da der prinzipielle Aufbau der Markierungsträger 1 und 5 und der zugehörigen Meßfühler- und Geberanordnungen 15,28 bzw.
20,29 identisch ist, sollen hierfür nur der rotierende-Markierungsträger 5, sein zugehöriger Meßfühler 20 und der diesem nachgeschaltete Geber 29 betrachtet werden.
In Fig. 4 ist ein zwei Markierungen 13 umfassender Ausschnitt des rotierenden Markierungsträgers 5 wiedergegeben, bei dem anders als in Fig. 1 die große Fläche der Scheibe lichtundurchlässig ist, so daß das von der Lichtquelle ausgehende Meßlichtbündel nur dann zum Meßfühler zu gelangen vermag, wenn eine Markierung 13 am Meßfühler vorbeiläuft. Dieser Meßfühler'besteht gemäß Fig. 4 im wesentlichen aus einer Differential-Fotodiode 62, deren lichtempfindliche Flächen 64,64 durch einen schmalen Steg 63 voneinander getrennt sind. Wie der Fig. 4 deutlich zu entnehmen ist, kommt es nicht darauf an,daß die Markierungsstreifen 13 eine besonders genau definierte geometrische Form besitzen, da aus ihnen mit Hilfe der Differential-Fotodiode 62 und des im folgenden unter Bezugnahme auf Fi. 5 ausführlich beschriebenen Gebers eine ideale Marke abstrahiert wird, die in Fig. 4 jeweils durch die strichpunktierten Linien 60 symbolisiert wird. Wie Fig. 4 ebenfalls zeigt, umfaßt bei Verwendung einer Differential-Fotodiode 62 die Leitung 23 zwei voneinander isolierte Adern, die gemäß Fig 5 einerseits jeweils an einen der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 66 angeschlossen und andererseits über Lastwiderstände 67 mit der Systemmasse verbunden sind.
Bei einer gemäß der Erfindung besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in jede der von den lichtempfindlichen Flächen 64,64 der Differential-Fotodiode 62 zu einem der Eingänge des Differenzverstärkers 66 führende Leitung ein in Fig. 5 nicht dargestellter Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor eingeschaltet ist, um die von den lichtempfindlichen Flächen der Fotodiode abgegebenen Signale vor der Differenzbildung vorzuverstärken. Dadurch läßt sich erreichen, daß das in Figur 6 in der dritten Zeile von oben wiedergegebene Ausgangssignal des Differenzverstärkers 66 einen sehr steilen und damit zeitlich exakt festliegenden und präzise detektierbaren Nulldurchgang aufweist.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 66 ist zur gleichspannungsmäßigen Entkopplung über einen Kondensator 68 an den über einenWiderstand 69 mit der Systemmasse verbundenen negativen Eingang e-ines Komparators 70 gelegt. Der positive Eingang des Komparators 70 ist über einen Widerstand 71 mit einer vereinfacht als Potentiometer 72 dargestellten, einstellbaren stabilisierten Spannungsquelle verbunden, die das zur Erkennung des Null-Durchgangs des vom Differenzverstärker 66 abgegebenen Ausgangssignals erforderliche Referenzpotential liefert. Der Ausgang des Komparators 70 ist einerseits mit dem Eingang des ersten von zwei als Puffer dienenden Invertern 74 verbunden und andererseits über einen Kondensator 73 zur Erzeugung einer definierten Hysterese auf den positiven Eingang des Komparators 70 rückgekoppelt. Bei den Invertern 74 kann es sich beispielsweise um TTL-Bausteine handeln, die dazu dienen, das vom Komparator70-abgegebene Signal so zu formen, daß es ohne weiteres in die nachfolgenden Schaltungseinheiten eingespeist werden kann.
Die Arbeitsweise des in Fig. 5 dargestellten Gebers soll nun anhand der Fig. 6 erläutert werden, in der über einer Zeit--achse die Signale wiedergegeben sind, die an den Punkten G bis-K' der Geberschaltung 29 auftreten, wenn am Meßfühler 22 eine Reihe von Markierungen vorbeiläuft.
Jedesmal wenn das Meßlichtbündel durch eine, Markierung 13 unterbrochen, bzw. bei der Ausführungsform nach Fig. 4 durchgelassen-wird, entsteht an den Punkten G und H eine Halbwelle, wobei das Signal am Punkt G gegen das Signal am Punkts zeitlich versetzt ist, da'die Differential-Fotodiode 62 sp angeordnet ist, daß ihr Trennsteg 63 sich in etwa in radialer Richtung bezüglich der Drehachse des Markierungsträgers 5 erstreckt, so daß zuerst die eine und dann die andere der beiden lichtempfindlichen Flächen 64,64 der Diode 62 von der Markierung überstrichen wird.
Aus den an den Punkten G und H auftretenden Halbwellen erzeugt der Differenzverstärker 66 das Signal I, das dann den in Fig. 6 wiedergegebenen steilen und somit eine ideale Marke bildenden Nulldurchgang aufweist, wenn die umfangsmäßige Breite der Markierungen 13 größer als die Breite des Trennsteges 63 und kleiner als der Durchmesser der Differential-Fotodiode 62 ist.
Erkannt wird der Nulldurchgang der Signale I mit Hilfe des Komparators 70, dem durch die Potentialquelle 72 ein entsprechender Vergleichspegel vorgegeben ist. Am Ausgang des Komparators 70 erscheinen die Rechtecksignale K, deren steigende Flanken sehr steil sind und in einem eindeutigen zeitlichen Zusammenhang mit den Nulldurchgängen der Signale I stehen. Die zwischen einem jeden solchen Nulldurchgang und der zugehörigen steigenden Impulsflanke auftretende zeitliche Verzögerung s ist in Fig. 6 sehr stark übertrieben dargestellt. Tatsächlich ist sie so klein, daß eventuell auftretende kurzzeitige Schwankungen dieser Verzögerung die Genauigkeit des Meßergebnisses nicht beeinflussen. Da dasselbe auch für die an den Puffer-Invertern 74 auftretenden Signalverzögerungen gilt, kann das am Ausgang des zweiten Inverters 74 auftretende Signal K' dem Signal K am Ausgang des Komparators gleichgesetzt werden. Die steigenden Flanken der Rechtecksimpulse K' stellen also den optischen Schwerlinien 60 der Markierùngsstreifen 13 eindeutig und zumindest kurzzeitig exakt reproduzierbar zugeordnete, ideale Marken dar, deren Zeitabstände ATv bei gegebener Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers ein genaues Maß für die Absolutwerte der Winkelabstände dieser optischen Schwerlinien bilden. Sind umgekehrt diese Absolutwinkelabstände bekannt, so kann aus den Meßwerten A T die momentane Winkelgeschwindigkeit on(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 sehr genau berechnet werden.
Eine zur hochgenauen Messung der Zeitabstände JTç und ##1 bzw. ##2 bevorzugte Zeitmeßeinheit 30 ist in Fig. 7 schemetisch dargestellt. Die basiert auf dem Prinzip, daß einerseits zur Ermittlung von Zeit-Grobmeßwerten die -Schwingungsperioden eines frei laufenden, quarzgesteuerten Oszillators 78 mit Hilfe eines Zählers 79 abgezählt werden. Da dies als alleiniges Meßverfahren entweder einen -sehr höchfrequent schwingenden Oszillator erfordern oder aber nur zu relativ ungenauen Meßergebnissen führen würde, sind andererseits zusätzlich die zeitliche Lage der Signale, deren Zeitabstände bestimmt werden sollen, innerhalb einer Oszillatorperiode erfassende Messungen vorgesehen.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, müssen dabei Zeitabstände'sowohl zwischen Signalen gemessen werden, die alle jeweils an einem der Meßfühler, nämlich am Meßfühler -20 auftreten, als auchzwischen Signalen, von denen jeweils das eine von dem einen Meßfühler 15 und das andere von dem anderen Meßfühler 20 stammt. Wie bereits erwähnt, werden die Zeitabstände der ersten Art im vorliegenden Zusammenhang mit #T# bezeichnet, während die Zeitabstände der zweiten Art mit ##1 bzw. ,de2 symbolisiert werden.
Zur Erfassung der oben erwähnten Grobmeßwerte genügt es, -einen die Schwingungsperioden des quarzgesteuerten Oszillators 78 (Fig. 7) abzählenden Zähler vorzusehen, aus dem unter Regie der Ablaufsteuerung 80 immer dann der nächste -Zählwert in den-Rechner und Speicher 81 ausgelesen wird, wenn einer der beiden Geber 28,29 ein Signal abgibt.
Der Rechner und Speicher 81 ist über die Leitungen 111 und -121 ebenfalls mit den Gebern 28 und 29 verbunden und kann -daher- - erkennen, ob der ausgelesene Zählwert zu einem einer Markierung 12 des linearen Markierungsträgers 1 oder zu einem einer Markierung 13 des rotierenden Markierungsträgers 5 zugeordneten Signal gehört oder ob beide Geber 28,29 innerhalb der vorausgehenden Oszillatorperiode ein Signal abgegeben haben. Der letztere Fall kann, wie bereits erwähnt, ohne weiteres auftreten, da die beiden gegeneinander bewegbaren Körper 2 und 3 eine relative Lage einnehmen können, in denen das am Meßfühler 20 erzeugte Referenzsignal nahezu oder exakt mit einem der beiden vom Meßfühler 15 erzeugten Signale. zusammenfällt, die den Markierungen 12 des linearen Markierungsträgers 1 zugeordnet sind, deren Abstand ausgemessen werden soll, bzw.
zu denen der Abstand der Meßnormalen bestimmt werden soll.
Dieser Umstand hat zur Folge, daß erfindungsgemäß zur Ermittelung der Zeitfeinmeßwerte für jeden Geber 28,29 eine eigene Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 bzw. 9 mit den zugehörigen Zusatzschaltungen vorgesehen ist, da eine Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung alleine während des-Ausmessens des Zeitabstandes eines beispielsweise vom Geber 28 stammenden Signals bis zur nächsten steigenden Oszillatorimpulsflanke und auch während einer darauffolgenden Totzeit nicht in der Lage ist, das Auftreten eines weiteren Signals am Geber 29 zu erkennen und dessen Zeitabstand bis zur nächsten Oszillatorimpulsflanke zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Zeitmeßeinheit 30 umfaßt daher für die Zeitfeinmessungen zwei getrennte Kanäle, von denen jeder jeweils einem der beiden Meßfühler 15,20 bzw. Geber 28,29 nachgeschaltet ist. Da der Aufbau dieser beiden Feinzeitmeßkanäle identisch ist, genügt eine Beschreibung des dem Geber 28 nachgeschalteten Kanals. Bei dieser Beschreibung werden bei Bezugszeichenangaben die Bezugszeichen für die entsprechenden Schaltungseinheiten des zweiten Kanals in Klammern gesetzt hinzugefügt.
Die zur Erfassung der Z-eit-Feinmeßwerte vorgesehene Zeit/ Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) umfaßt im wesentlichen einen Kondensator, der nach Triggerung durch ein Start-Signal mit Hilfe einer Konstantstromquelle geladen wird, so daß die an ihm abfallende Spannung nach einer kurzen Anfangsphase mit der Zeit linear so lange anwächst, bis der Auf ladevorgang durch ein Stop-Signal beendet wird. Die Amplitude des nach dem Stop-Signal am Ausgang der Zeit/ Amplituden-Wandlerschaltung anliegenden Signals stellt somit ein Maß für den zwischen dem Start- und dem Stop-Signal verst-richenen Zeitraum dar.
Bei der Zeitmeßeinheit 30 gemäß Fig. 5 wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) nun so eingesetzt, daß sie durch die vom Geber 28 (29) über das ODER-Gatter 84 (94) kommenden Signale gestartet und durch die nächste, hierauf folgende, steigende Flanke eines Oszillatorimpulses angehalten wird.
Dieses,Stop--Signal wird ihr-unter Kontrolle der Ablaufsteuerung-80 über ein zur Ausblendung der nicht benötigten Oszillatorimpulse dienendes UND-Gatter 85 (95), ein ODER-Gatter 86 (96) und ein Verzögerungsglied 87 (97) zugeführt, dessen.Bedeutung weiter unten noch genauer erläutert wird.
Die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) mißt also fürjedes Geber-Signal mit hoher Genauigkeit die um einen konstanten, durch das Verzögerungsglied 87 (97) vorgegebenen Wert Zverlängerte Zeit, die zwischen dem Auftreten der steigenden Flanke dieses Geber-Signals und der nächsten steigenden Impulsflanke des frei laufenden Oszillators vergeht.
Da der Zähler 79 den zugehörigen Grobmeßwert in digitaler Form liefert, ist es zweckmäßig, auch die analogen Ausgangssignalamplituden der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (9-8)- zu digitalisieren, was mit Hilfe des Analog/Digital- Wandlers 92 (102) geschieht. Die Berechnung der interessierenden Zeitabstands-Meßwerte # T# bzw. ##1 und ##2 nimmt dann die Rechen- und Speicherschaltung 81 vor.
Die Ablaufsteuerung 80, die beispielsweise als Johnson-Zähler aufgebaut sein kann, übt neben der bereits erwähnten Steuerung der UND-Gatter 85 und 95 noch eine ganze Reihe von weiteren Funktionen aus, die im folgenden noch im Zusammenhang mit der Schilderung der übrigen Bestandteile der Zeitmeßeinheit 30 erläutert werden, soweit sie von wesentlicher Bedeutung sind.
Von den übrigen Bestandteilen -der Zeitmeßeinheit 30 ist zunächst die START-STOP-Steuerung 82 zu nennen, die über die ODER-Gatter 86 (96) Start- bzw. Stop-Signale an die entsprechenden Eingänge der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) abgeben kann. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Funktionsarten unterscheiden, je nach dem, ob mit Hilfe dieser intern erzeugten Start-Stop-Signale die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) durch Vergleich mit dem vom quarzgesteuerten Oszillator 78 gebildeten Frequenznormal nachgeeicht oder ob zur Eliminierung von Laufzeitunterschieden und Nichtlinearitäten ein Korrekturwert erzeugt werden soll.
Im ersten Fall erhält die START-STOP-Steuerung 82 von der Ablaufsteuerung 80 über den Eingang El (E3) ein Befehlssignal, worauf sie zunächst über die Leitung 112 (122) ein Start-Signal abgibt, das genau mit der ihr über die Leitung 120 zugeführten Oszillatorschwingung synchronisiert ist, beispielsweise genau mit der fallenden Flanke eines der vom quarzgesteuerten Oszillator 78 abgegebenen Rechtecks impulse zusammenfällt. Beispielsweise eine Halbperiode der Oszillatorschwingung später, d.h, also bei der nächsten steigenden Impulsflanke liefert die Steuerung 82 dann ein Stop-Signal über die Leitung 113 (123), so daß es möglich wird, den in der Zwischenzeit erzeugten Amplitudenwert des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) mit der sehr genauen und konstanten Schwingung des Quarzoszillators zu vergleichen. Dieser Vergleich kann auch mit mehreren Halb- oder Vollperioden erfolgen. Darüberhinaus ist es möglich, dieAnzahl der von Eichmessung zu Eichmessung herangezogenen Oszillatorperioden zu variieren, so daß sich eine ganze Eichskala für die Ausgangsamplituden der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) ergibt.
Im zweiten Fall liefert die Ablaufsteuerung 80 ein Befehlssignal an den Eingang E2 (E4) der START-STOP-Steuerung 82, wodurch diese veranlaßt wird, auf den Leitungen 112 (122) und 113 (12) genau gleichzeitig ein Start- bzw. Stopsignal abzugeben. Da das Stop-Signal durch das Verzögerungsglied 87 (97) um die Zeit r -verzögert beider Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) ankommt, erzeugt diese ein diesem Zeitraum r entsprechendes Ausgangssignal. Da die Zeit r gerade so gewählt ist, daß sie etwas länger als der Anlaufzeitraum. ist, in dem das Ausgangssignal der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung in nichtlinearer Weise anwächst, stellt das so gewonnene Ausgangssignal einen Korrekturwert dar, der geeignet ist, den Einfluß dieser Nichtlinearität aus einem gerade zuvor gewonnenen Meß- oder Eichwert zu eliminieren.
Auch werden dur-ch diesen Korrekturwert Laufzeitunterschiede erfaßt, die evtl. zwischen dem der Zit/Amplituden-Wandlerschaltung das Start-Signal zuführenden Signalpfad und dem entsprechenden- Stop-Signalpfad aufgrund parasitärer Effekte vorhanden sind.
Jeder dieser Zeit- bzw. Eich-Meßwerte A wurde ja so gewonnen, daß.die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) nicht nur während des auszumessenden Zeitraums t t, sondern auch noch während der-zusätzlichen Zettspanne # in Betrieb war. Wenn die Zeitspanne - auch am Ende der jeweiligen Meßzeit dt+t= angehängt warde, so erhält durch die spezielle Wahl von doch jeder Meß- bzw. Eichwert A am Ausgang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) einen während der ersten # Zeiteinheiten gewonnenen, im wesentlichen nichtlinearen Anteil a und einen anschließend gewonnenen, zum eigentlich interessierenden Zeitraum # t streng proportionalen Anteil # A: A=a+ wobei zunächst die Größe dieser beiden Anteile nicht bekannt ist. Daher wird unter Regie der Ablaufsteuerung 80 der Meßwert A, der ein Zeitabstands- oder ein Eichmeßwert sein kann, zunächst in einer ersten (dritten) Sample-and-Hold-Schaltung 89 (99) gespeichert. Sofort danach wird die Zeit/ Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) in den Ausgangszustand zurückgesetzt und von der Ablaufsteuerung 80 ein Befehlssignal an den Eingang E2 (E4) der START-STOP-Steuerung 82 gegeben, die dann in der oben beschriebenen Weise gleichzeitig ein Start- und Stop-Signal über die Leitungen 112 (122) und 113 (123) abgibt, wodurch die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 (98) veranlaßt wird, über den Zeitraum Ç hinweg genau den zu obiger Gleichung gehörenden, im wesentlichen nichtlinearen Anteil a zu erzeugen. Dieser Anteil a wird dann unter Steuerung der Ablaufsteuerung 80 in eine zweite (vierte) Sample-and-Hold-Schaltung 90 (100) übernommen, worauf ein Differenzverstärker 91 (101) gemäß A - a = A A dem zum eigentlich interessierenden Zeitraum ß t streng proportionalen Wert J A errechnen und an den Analog/Digital-Wandler 92 (102) weitergeben kann.
In Fig. 8 ist ein willkürlich herausgegriffener, stark vergrößerter Ausschnitt des linearen Markierungsträgers 1 wiedergegeben, der die Markierungen m bis m+6 umfaßt. Diese Markierungen haben von der in der Fig. 8 links wiedergegebenen Linie 105, die den Nullpunkt der Linearbewegung darstellten soll, die Abstände Lm bis Lm+6. Weiterhin sind in Fig. 8 zwei Kreisbögen B1 und B2 eingezeichnet, die die Bewegungsbahn des Meßfühlers 15 der rotierenden Abtastvorrichtung 4 für zwei verschiedene Relativlagen der beiden Körper .2 und 3 wiedergeben. Wie man der Fig. 8 entnimmt, bewegt sich der Meßfühler 15 in beiden Fällen mit einem Radius R um den Rotationsm-ittelyunkt 7, durch den hindurch die auf der Richtung der Linearbewegung senkrecht stehende Meßnormale 106 verläuft.
Der Radius R-i-st in Fig. 8 im Verhältnis zu den Abständen der Markierungen 12 des linearen Markierungsträgers 1 absi,chtlich sehr klein gewählt, um einige Effekte auch bildlich deutlich zu machen, auf die im folgenden noch näher eingezangen wird. Bei praktischen Ausführüngsformen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist es zweckmäßig und im allgemeinen auch möglich, den Radius -R im Verhältnis wesentlich größer.
zu gestalten-, so daß die Gleichsetzung des vom Meßfühler 1.5 zwischen zwei -Markierungen 12 überstrichenen Bogens mit der zugehörigen Sehne einen so geringen Fehler bedeutet, ,daß er nicht rechnerisch korrigiert werden muß.
Auf der linken Seite von Fig. 8 ist die relative Lage der beiden Körper 2 und 3 so gewählt, daß die Meßnormale 106 ziemLich genau'den Abstand zwischen den beiden Markierungen m und--m+1 halbiert. Wie bereits erwähnt, ist dies die für den Haupteichlauf bevorzugte Position, da hier die Sehne des vom Meßfühler 15 zwischen diesen beiden Markierungen überstrichenen Bogens ziemlich genau parallel zur Längsrichtung der Linearbewegung verläuft und damit dem gesuchten Abstand entspricht.
Vorzugsweise wird die Anordnung des feststehenden Meßfühlers 20 und einer .der Markierungen 13 auf dem rotierenden Markierungsträger 5 so gewählt, daß das Referenzsignal genau in dem Zeitpunkt erzeugt wird, in welchem der durch den Meßfühler 15 verlaufende Radialstrahl mit der Meßnormalen 106 zusammenfällt. In dem bevorzugten Fall, in welchem der Meßfühler 15 aus einer Differentialfotodiode besteht, ist unter dem eben genannten Radialstrahl diejenige radial über die Fläche der Fotodiode hinweg verlaufende Linie zu verstehen, die mit der Mittellinie eines exakt radial verlaufenden, exakt parallele Begrenzungslinien aufweisenden, völlig gleichmäßig ausgeleuchteten, vom Meßfühler 15 überstrichenen Markierungsstreifens im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des dabei im nachgeschalteten Geber am Punkt I erzeugten Signals zusammenfallen würde.
Unter diesen Voraussetzungen ist die in Fig. 8 auf der linken Seite dargestellte Lage der beiden Körper 2 und 3 also dadurch charakterisiert, daß die beiden Zeitabstände A 91 und se2, 2' die zwischen dem der Markierung m zugeordneten Signal und dem Referenzsignal bzw. zwischen dem Referenzsignal und dem der Markierung m+1 zugeordneten Signal gemessen werden, einander innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen gleich sind.
Bildet man die Summe dieser beiden Zeitabstandsmeßwerte und multipliziert sie mit der gemessenen momentanen Winkelgeschwindigkeit rJ (t) der rotierenden Abtasteinrichtung 14, so ergibt sich hieraus nach den Gleichungen (4) und (5) der Abstand ß Lm m+1 der beiden betrachteten Markierungen.
m, m+1 Nimmt man an, daß durch entsprechende vorausgehende Messungen der Abstand Lm der m-ten Markierung vom Nullpunkt 105-der Linearbewegung bereits bekannt ist, so läßt sich also auf einfache Weise der Abstand der m+1-ten Markierung vom Nullpunkt 105 nach der Gleichung Lm+1 = Lm + #Lm, m+1 berechnen. Setzt man dies über die gesamte Länge des linearen Markierungsträgers 1 hinweg fort, so läßt sich also der Abstand einer jeden Markierung vom Nullpunkt 105 exakt ausmessen, wobei die Genauigkeit dieser Messung erforderlichenfalls durch mehrere gegenläufig durchgeführte Haupteichläufe und durch einen Vergleich mit der auf andere Art, beispielsweise durch interferrometrische Messungen ermittelten Gesamtlänge des linearen Markierungsträgers 1 noch gesteigert werden kann.
Bei der in Fig. 8 auf der rechten Seite dargestellten relativen Lage der beiden gegeneinander bewegbaren Körper 2 und 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß hier die Meßnormale 106 keines£alls den Abstand zwischen den zugehörigen Markierung m+5 und m+6 des linearen Markierungsträgers 1 halbiert. Dies entspricht also der Situation bei einer zu einem~beliebig herausgegriffenen Zeitpunkt durchzuführenden Messung des Abstandes der Meßnormalen 106 Von der Flarkierung m+5, wobei dieser Zeitpunkt beispielsweise durch irgendwelche externen, mit dem Betrieb der die beiden Körper-2 und 3-umfassenden Maschine zusammenhängende Steuersignale festgelegt ist und daher nicht so gewählt werden kann, daß die Meßnormale 106 genau durch die Mitte des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Markierungen verläuft. Es werden vielmehr immer wieder'Situationen auftreten, in denen die Abstandsmessung zu einem Zeitpunkt oder in einer Position der beiden Körper durchgeführt werden muß, in dem bzw. in der die-Meßnormale 106 nahezu oder exakt mit einer der Markierungen 12 des linearen Markierungsträgers zusammenfä-llt.
Besondere Probleme hinsichtlich der Genauigkeit, mit der der Abstand #L der Meßnormalen 106 von der ihr am nächsten liegenden Markierung 12 und damit auch der Abstand der Meßnormalen 106 vom anderen Ende der auszumessenden Strecke bestimmt werden kann, ergeben sich dabei nicht, da ja die Sehne des hier vom Meßfühler 15 überstrichenen kurzen Bogens in unmittelbarer Nähe der Meßnormalen 106 immer parallel zur Richtung der Linearbewegung verläuft und überdies der Fehler, der dadurch entsteht, daß man die Länge der Sehne des zwischen der Bezugs-Markierung (im Falle der Fig. 8 ist dies die Markierung m+5) und der Meßnormalen 106 überstrichenen Bogens mit der Länge dieses Bogens gleich setzt, um so kleiner wird, je kleiner der Abstand zwischen der Markierung und der Meßnormalen 106 ist.
Probleme können bei derin Fig.8 auf der rechten Seite dargestellten Stellung allenfalls dann auftreten, wenn die Markierungen m+5 und m+6 dadurch identifiziert werden sollen, daß in dieser Stellung ihr Abstand ausgemessen und mit der beim Haupteichlauf gewonnenen Abstandstabelle verglichen wird.
Wie man der Fig. 8 nämlich ohne weiteres entnimmt, schließt die Sehne 107 des in dieser Stellung zwischen der Markierung m+5 und der Markierung m+6 vom Meßfühler 15 überstrichenen Bogens mit der sich exakt in Richtung der Linearbewegung erstreckenden Abstandsstrecke 108 dieser beiden Markierungen einen Winkel X ein, so daß also die Länge der ausgemessenen Strecke 107 deutlich größer ist, als die in der Wertetabelle eingespeicherte Länge der Strecke 108.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß auch bei dieser reinen Abstandsmessung nicht nur der Zeitabstand d s1 zwischen dem der Markierung m+5 zugeordneten Meßfühlersignal und dem der Meßnormalen 106 zugeordneten Referenzsignal, sondern auch der Zeitabstand ##2 zwischen dem Referenzsignal und dem der Markierung m+6 zugeordneten Meßfühlersignal bestimmt wird. Aus W diesen beiden Zeitabstandsmeßwerten läßt sich dann rechnerisch ein Rückschluß auf die Größe des Winkels Y ziehen, so daß der Unterschied zwischen der Länge der Strecken 107 und 108 berücksichtigt und eine einwandfreie Identifizierung der Markierungen m+5 und m+6 durchgeführt werden kann.
Es sei nochmals ausdrücklich betont, daß die eben beschriebene Korrektur von 8 nur dann erforderlich ist, wenn die Markierungsabstände groß im Vergleich zu R sind. Bei dem zur präzisen Längenmessung verwendeten, fein geteilten linearen Markierungsträger wird dies im allgemeinen nicht der Fall sein.
Wie bereits erwähnt, kann es-jedoch vorteilhaft sein, einen zweiten, grob geteilten linearen Markierungsträger vorzusehen, um ein schnelles Heranfahren der Meßnormalen an einen vorbestimmten Punkt zu ermöglichen. Bei diesem grobgeteilten Maßstab,- bei dem der Markierungsabstand- beispielsweise einige cm betragen kann, kann die beschriebene Korrektur von 1 durchaus von Bedeutung sein.
In Fig. q.sind über einer Zeitskala in der obersten Zeile GEB28 die Signale dargestellt, die von dem dem rotierenden Meßfühler 15 nachgeschalteten Geber 28 bei einem einmaligen Überstreichen des linearen Markierungsträgers 1 in der in Fig 8 auf der rechten Seite dargestellten Relativlage der be-iden Körper 2 und 3 durch die rotierende Abtasteinrichtung 14 er-zeugt werden. Da in Fig. 8 der Sonderfall eines im Vergleich zu den Markierungsabständen kleinen R dargestellt ist, übertragen sich die sich aus diesem Sonderfall ergebenden Besonderheiten natürlich auch auf Fig. 9.
So sind- zflm- Beispiel aufgrund der Tatsache, daß die Sehnen der vom rotierenden Meßfühler 15 zwischen den Markierungen m+4 und+5 bzw. den Markierungen m+6 und m+7 überstrichenen Bögen eine wesentlich stärkere Neigung zur Richtung der Linearbewegung aufweisen, als die Sehne des zwischen den Markierungen m+5 und m+6 überstrichenen Bogens, dit Zeitabstände zwischen den den Markierungen m+4 und m+5 bzw. den Markierungen m+6. und m+7 zugeordneten Signalen wesentlich größer als der Zeitabstand zwischen den den Markierungen m+5 und m+6 zugeordneten Signalen, obwohl sich die geometrischen Abstände dieser Markierungen auf dem linearen Markierungsträger 1 weit weniger voneinander unterscheiden.
In der zweiten Zeile von oben,GEB29tsind die im gleicher Zeitraum von dem dem feststehenden Meßfühler 20 nachgeschalteten Geber 29 erzeugten Impulse dargestellt, die zeitlich in etwa äquidistant sind, da sich die zugehörigen Markierungen 13 auf dem rotierenden Markierungsträger 5 ja alle mit sich nur sehr wenig voneinander unterscheidenden Winkelabständen in radialer Richtung erstrecken. Allerdings reichen die Unterschiede dieser Winkelabstände in jedem Falle dazu aus, um mit Hilfe eines entsprechend genauen Zeitabstandsmeßverfahrens die Markierungen in der oben beschriebenen Weise identifizieren zu können.
In Fig. 9 wird davon ausgegangen, daß das vom Geber 29 aufgrund des Vorbeilaufens der n+2-ten Markierung 13 des rotierenden Markierungsträgers 5 abgegebene Signal als Referenzsignal Verwendung findet. Zur Bestimmung des Abstands der Meßnormalen 106 vom Nullpunkt 105 der Linearbewegung werden daher die in Fig. 9 nochmals eingezeichneten Zeitabstände ##1 und de, gemessen.
Außerdem werden zur Bestimmung der momentanen Winkelgeschwindigkeit bv(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 die Zeitabstände # Tn bis #Tn+4 zwischen den den entsprechenden Markierungen des rotierenden Markierungsträgers 5 zugeordneten Signalen des Gebers 29 bestimmt.
Wie bereits erwähnt, finden die Meßwerte # 61 und # 62 nur dann weitere Verwendung, wenn die mit Hilfe der Zeitabstände #Tn und #Tn+3 errechneten Winkelgeschwindigkeitswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen und somit den Schluß erlauben, daß die Winkelgeschwindigkeit#(t) des rotierenden Markierungsträgers 5 während des Meßzeitraums J °1 +##2 konstant war.
In der untersten Zeile der Fig. 9 sind die Impulse des freilaufenden quarzgesteuerten Oszillators 78 wiedergegeben, der niitjeiner auch über lange Zeiträume hinweg sehr genau konstanten Frequenz schwingt, die einer Periodendauer # entspricht.
Wie man der Fig. 9 entnimmt, wird jedesmal dann, wenn an einem der Geber 28 oder 29 ein Signal aufgetreten ist, der nach der nächstfolgenden steigenden Oszillatorimpulsflanke erreicht Zählwert z1 bis z8 ausgelesen und zur Ermittlung der Grobmeßwerte weiter verarbeitet. Da das von der Markierung m+6 des linearen Markierungsträgers 1- stammende Signal und das von der Markierung n+3 des rotierenden Markierungsträgers stammende Signal innerhalb derselben Oszillatorperiode auftreten, sind die für diese beiden Signale ausgelesenen Zählwert z5 und z6 miteinander identisch.
Um zu einer exakten Ausmessung der interessierenden Zeitabstände zu gelangen, werden überdies die Feinmeßwerte # tl bis »-t8 gemessen, die jeweils die zeitlichen Abstände zwischen der steigenden Flanke des betreffenden, vom Geber 28 bzw. 29 abgegebenen Impulses und der nächsten steigenden Oszillatorimpulsflanke definieren, die der Auslesung des zugehörigen Zählwertes z unmittelbar vorausgeht.
Man entnimmt der Fig. 9, daß die denselben Grobme-ßwert aufweisenden Signale der Markierung m+6 und der Markierung n+3 deutlich verschiedene Feinzeitmeßwerte #t5 bzw. #t6 besitzen, deren Differenz den Abstand zwischen den steigenden Flanken-dieser beiden Signale exakt wiedergibt.
Aus den ermittelten Zählwerten z1 bis z8 und den gemessenen Feinmeßwerten #t1 bis #t8 lassen sich die interessierenden Zeitabstände ##1, ##2, # Tn bis #Tn+4 nach folgenden Gleichungen berechnen: ##1 = (z4 - z3)# + #t3 - #t4 ##2 = (z5 - z4)# + #t4 - #t5 #Tn = (z2 - z1)# + #t1 - #t2 #Tn+1 = (z4 - z1)# + #t2 - #t4 #Tn+2 = (z5 - z4)# + #t4 - #t6 Wie man der Gleichung ##1 + ##2 = (z5 - z3)# + #t3 - #t5 entnimmt, fällt bei der zumindest beim Haupteichlauf erfolgenden Summation der Meßwerte ##1 und ##2 der Feinzeitmeßwert # t4 und somit auch der in ihm enthaltene Meßfehler heraus, so daß sich der Gesamt-Zeitabstand zwischen den den Markierungen m+5 und m+6 zugeordneten Signalen rechnerisch aus den beiden Teil-Meßwerten mit derselben Genauigkeit bestimmen läßt,' als ob er als Ganzes unmittelbar gemessen worden wäre.
Die Gewinnung der in Fig. 9 dargestellten Feinzeitmeßwerte # t1 bis # t8 soll im folgenden nun im Zusammenhang mit Fig. 10 dargestellt werden.
In Fig. 10 sind in der obersten Zeile drei Signale wiedergegeben, wie sie z.B. im Geber 29 am Punkt I entstehen, wenn am Meßfühler 20 der Reihe nach drei Markierungen, beispielsweise die n-te, die n+1-te und die n+2-te Markierung des rotierenden Meßfühlers 5 vorbeilaufen. Die Nulldurchgänge der drei Signale I stellen die aus den realen Markierungen-13 abstrahierten idealen Marken dar, deren Zeitabstände a T1 und # T2 ausgemessen werden sollen.
In der zweiten Zeile zeigt Fig. 10 die am Ausgang des ODER-Gatters 94 erscheinenden Impulse. Dies sind zunächst einmal die drei jeweils den Signalen I zugeordneten Impulse, die über die Leitung 124 vom Geber 29 an das Gatter 94 gelangen und von diesem weitergegeben werden. Die steigenden Flanken dieser Impulse sind um s gegen die Nulldurchgänge der Signale I verzögert, doch ist diese Verzögerung - anders als dargestellt - außerordentlich klein und spielt auch bei einer angestrebten sehr hohen Meßgenauigkeit keine Rolle, da sie über die kurzen Zeiträume # T1 und # T2 -hinweg als konstant angenommen werden kann.
Zur Ermittlung von # T1 und # T2 ist es also ohne Fehler möglich, die Zeitabstände der steigenden Flanken der in Rede stehenden Impulse am Ausgang des Gatters 94 zu messen.
Da diese. dem Gatter 94 vom Geber 2-9 zugeführten Impulse über die Leitung 121 auch an den Zähler 79 und die Ablaufsteuerung 80 gelangen, kann aus dem Zähler 79 der nach dem ersten dieser drei Impulse erreichte Zählwert ausgelesen werden. Gemäß Fig. 10, in deren dritten Zeile von oben die Rechtecksimpulse des Oszillators 78 dargestellt sind, ist dies der Zählwert z+2.
In entsprechender Weise werden nach dem zweiten Geberimpulsaus dem Zähler 79 der Zählwert z+6 und nach dem dritten Geberimpuls der Zählwert z+10 ausgelesen.
Somit erhält man für die interessierenden Zeitabstände t und # T2 die Grobmeßwerte #T1G = [(z + 6) - (z + 2)]# = = 4 # #T2G = [(z + 10) - (z + 6=]# = = 4# Man sieht, daß aufgrund der hier angenommenen Tatsache, daß zwischen den einzelnen Geberimpulsen nur wenige Oszillatorimpulse auftreten, diese einander gleichen Grobmeßwerte nicht- geeignet sind, um den vorhandenen Unterschied zwischen # T1 und 4 T2 sichtbar zu machen.
Daher wird gleichzeitig mit der steigenden Flank-e eines jeden einem Gebersignal entsprechenden Ausgangsimpulses des Gatters 94 die Zeit/Amplltuden-Wandlerschaltung 98 gestartet, deren Ausgang, wie in der untersten Zeile von Fig. 10 dargestellt, zunächst in nichtlinearer Weise, spätestens aber nach der Zeit Ç -streng proportional mit der Zeit anwächst.
Die auf die steigende Flanke der vom Geber 29 stammenden Impulse am Ausgang des Gatters 94 jeweils unmittelbar folgenden steigenden Impulsflanken des Oszillators 78 sind in Fig. 10 mit den Zählwerten z+2, z+6 und z+10 gekennzeichnet und besitzen von den ersteren die als Zeit-Feinmeßwerte interessierenden Zeitabstände # t1, # t2 und A t3.
Die eben genannten steigenden Impulsflanken des Oszillators 78 werden über die Gatter 95 und 96 an das Verzögerungsglied 97 gegeben, das, wie in der zweiten Zeile von unten in Fig. 10 dargestellt, mit der vorbestimmten Verzögerungszeit t ein Stop-Befehl an die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 98 weitergibt.
Somit stehen am Ausgang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung zu den Zeiten tt1+ r t a t2+ t und at3+ r die Amplituden A1, A2 und A3 zur Verfügung, die jeweils in die zuvor gelöschte dritte sample-and-lrold-Schaltung 99 eingegeben werden. Gleichzeitig wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 98 auf ihren Ausgangspegel zurückgesetzt.
Mit der jeweils nächsten fallenden Oszillator-Impulsflanke erzeugt nun die über ihren Eingang E2 von der Ablaufsteuerung 80 aktivierte START-STOP-Steuerung 82 gleichzeitig einen Start- und einen Stop-Impuls.
Der Start-Impuls erscheint am Ausgang des Gatters 94 praktisch ohne Verzögerung, wie dies in Zeile 2 der Fig. 10 dargestellt ist und bewirkt das in der untersten Zeile dieser Figur dargestellte erneute Ansteigen des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 98.
Der Stop-Impuls durchläuft die Verzögerungsschaltung 97 und erscheint.mit der Verzögerung # an deren Ausgang. Nach jeder Meßwerterfassung wird also die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nochmals für'die Zeit r in Betrieb gesetzt, was zur Erzeugung der in der untersten Zeile der Fig. 10 ebenfalls dargestellten Korrekturwerte a1, a2 und a3 führt.
Diese Korrekturwerte werden jeweils in die vierte Sample-and-Hold-Scháltung 100 eingegeben und durch den Differenzverstärker 101 von den in der dritten Sample-and-Hold-Schaltung jeweils gerade enthaltenen Meßwerten A1, A2 bzw. A3 subtrahiert, so daß nach den Gleichungen A1 - a1 = # A1 A2 - a2 = # A2 A3 - a3 = # A3 in den Analog/Digital-Wandler 102 die zu den interessierenden Zeit-Feinmeßwerten #t1, #t2 und #t3 streng proportionalen Amplitudenwerte eingegeben werden.
Hieraus kann der Rechner und Speicher 81 dann die Zeit-Feinmeßwerte bestimmten und gemäß den Gleichungen #T1 = #T1G + #t1 - #t2 #T2 = #T2G + #t2 - #t3 die gesuchten Zeitabstände berechnen.
Es seit darauf hingewissen, daß sich so gewonnene Zeitabstände # T1, d T2, ... zwischen aufeinanderfolgenden Markierungen des rotierenden Markierungsträgers auf summieren lassen, ohne daß es zu einer Summierung der Meßfehler kommt. Aus der obigen Gleichung folgt nämlich d T,1 + d T2 + ... = d TiG + A t1 - d t2 + + A T2G + t2 - a t3 + Man sieht, daß hier mit Ausnahme von d t1 sämtliche mit Meßfehlern behaftete Feinzeitmeßwerte #t2, d t3,...
herausfallen, so daß sich ihre Fehler nicht summieren können.
Die die Messung der Korrekturwerte a1, a2, a3 einleitenden, intern erzeugten Startimpulse müssen nicht unbedingt in der dargestellten Weise zeitlich mit den fallenden Oszillatorimpulsflanken korreliert sein, die unmittelbar auf die die Aufnahme der Meßwerte A1, A2, A3 beendenden steigenden Oszillatorimpulsflanken folgen. Wesentlich ist nur, daß sie so rechtzeitig nach der jeweils vorangegangenen Meßwerterfassung erzeugt werden, daß der durch sie erhaltene Korrekturwert a1, a2, a3 ein vernünftiges Maß für den im zugehörigen Meßwert enthaltenen, im wesentlichen nichtlinearen Anteil darstellt. Außerdem muß dafür gesorgt sein, daß die Korrekturwerterfassung abgeschlossen ist, bevor die nächste Meßwert- bzw. Eichwerterfassung beginnt.
Weiterhin ist in Fig. 10 eine im Zeitraum # T1 stattfindende Eichwerterfassung zum. Nacheichen der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 98 mit Hilfe des Quarzoszillators 78 dargestellt.
Zu diesem Zweck erzeugt die über den Eingang El von der Ablauf steuerung 80 getriggerte START-STOP-Steuerung 82 zunächst einen Start-Impuls, der exakt mit dem Ausgangssignal des Oszillators 78 synchronisiert ist. In Fig. 10 ist dies der dritte Impuls von links in der Zeile G94.
Ebenso exakt mit dem Oszillatorsignal synchronisiert gibt die START-STOP-Steuerung 82 um eine vorgegebene Anzahl von Oszillatorhalb- oder -vollperioden verzögert ein Stop-Signal über die Leitung 123 ab. In Fig. 10 ist der einfacheren Darstellung halber angenommen., daß der Stop-Impuls genau eine Quarz-Halbperiode nach dem Start-Impuls erzeugt wird. Er durchlauf ebenfalls das Verzögerungsglied 97, so daß also. die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach der Zeit Q /2+ t angehalten wird; an ihrem Ausgang liegt dann ein Signal-mit der Amplitude AE an, das wie ein normaler Zeitmeßwert zunächst in der dritten Sample-and-Hold-Schaltung 99 zwischengespeichert wird. Hierauf wird durch Ansteuerung des Eingangs E2 der START-STOP-Steuerung 82 in der gleichen Weise, wie dies oben für die Zeitmeßwerte beschrieben wurde, ein'Korrekturwert aE erzeugt, go-daß der Differenzverstärker 101 den eigentlich interessierenden Eichwert # AE erzeugen kann, der dann ebenfalls digitalisiert und vom Rechner und Speicher 81' weiterverarbeitet wird.
Da allgemein zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Gebers 29 eine genügend große Anzahl von Oszillatorimpulsen auftritt, ist es innerhalb eines jeden Zeitraums # Zur möglich, eine Nacheichung der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung -98 in der eben beschriebenen Weise vorzunehmen.
Entsprechende Funktionen laufen auch für die erste Zeit/ Amplituden-Wandlerschaltung 88 ab, die also ebenfalls ständig mit Hilf-e des quarzgesteuerten Oszillators 78 -nachgeeicht wird--und deren Meßwerte ebenfalls durch Beseitigung des nichtlinearen Anstiegsteiles korrigiert werden.
In der zur Erläuterung der Gleichungen (1) und (2) dienenden Fig. 11 ist nochmals ein Ausschnitt des an dem einen der beiden~gegeneinander linear bewegbaren Körper 2,3 hefesticT ten linearen Markic-rungsträgers 1 wiedergegeben, wobei der Einfachheit halber nur eine einzige der Markierungen 12 dargestellt ist.
Weiterhin zeigt Fig. 11 einen Teil des anderen der beiden gegeneinander bewegbaren Körper 2,3, der den um den Rotationsmittelpunkt 7 drehbar gelagerten, rotierenden Markierungsträger 5 trägt, an dessen Peripherie der rotierende Meßfühler 15 befestigt ist, der sich aufgrund der Drellbewegung längs des Bogens B in Richtung des eingezeichneten Pfeiles bewegt. Vom rotierenden Markierungsträger 5 ist nur die eine Markierung 13 dargestellt, die zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Referenzsignales Verwendung findet.
/es Zwar ist zur Erzielung eines besonders einfachen Meß- und Auswerteverfahrens zweckmäßig, diese Markierung 13- auf dem rotierenden Markierungsträger 5 so anzuordnen, daß der sie'mit dem Rotationsmittelpunkt 7 verbindende Radialstrahl 107 mit dem durch den Meßschwerpunkt des Meßfühlers 15 verlaufenden, vom Rotationsmittelpunkt 7 ausgehenden Radialstrahl 108 zusammenfällt. Dies ist jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich und deshalb ist hier der allgemeinere Fall dargestellt, in dem diese beiden Radialstrahlen 107,108 miteinander den Winkel 1 einschließen.
Die Markierung 13 des rotierenden Markierungsträgers 5 wird durch den Meßfühler 20 der am Körper 2 starr befestigten Abtasteinrichtung 19 zur Erzeugung des Referenzsignals abgetastet. Auch hier ist es besonders günstig, wenn der durch den Meßschwerpunkt dieses Meßfühlers 20 verlauf ende, vom Rotationsmittelpunkt 7 ausgehende Raidalstrahl 109 mit.
der sich durch den Rotationsmittelpunkt 7 und senkrecht zur Richtung der Linearbewegung erstreckenden Meßnormalen 106 zusammenfällt. Fig. 11 zeigt jedoch den allgemeineren Fall, in dem diese beiden Linien 109,106 miteinander den Winkel t 2 einschließen.
In Fig. 11 ist der rotierende Markierungsträger 5 in dem Augenblick dargestellt, in weichem die Markierung 13 übe den-feststehenden Meßfühler 20 hinwegläuft, d.h. also das Referenzsignal,' erzeugt wird'. Zu diesem Zeitpunkt schließt der Radialstrahl .108 des rotierenden Meßfühlers 15 mit der Meßnormalen 106 den Winkel ç ein. Aus der Figur crgibt sich, daß bei der da-rge-stellten Anordnung zwischen den Winkeln α,α1 und α2 folgende Beziehung besteht: Wie bereits im Zusammenhang mit der Gleichung (1) erläutert, ist es zur Bestimmung des Abs-tandes der Meßnormalen 106 von der Schwerlinie 61 der Markierung 12 erforderlich, den Winkel zu messen. Dies geschieht dadurch, daß der Zeit--abstand d e zwischen dem beim Vorbeilaufen der Markierung 13 am Meßfühler 20 erzeugten Referenzsignal und dem vom Meßfühler 15 beim Überstreichen der Schwerlinie 61 der Markierung 12 erzeugten Meßfühlersignal gemessen wird. Multipliziert man diesen Zeitabstand mit- der momentanen Drehgeschwindigkeit w des rotierenden Markierungsträgers 5, so erhält man hieraus den Winkel zwischen den beiden Linien 108 und 108'-, von denen die erste den Radialstrahl des Meßfühlers 15 zum Zeitpunkt der Erzeugung des Referenzsignals un'd d-ie' zweite denselben Radialstrahl zum Zeitpunkt der Erzeugung des Meßfühlersignals wiedergibt. Man sieht aus Fig. -11 unmittelbar,'daß für die dargestellte Konfiguration zwischen den Winkeln e, und be die durch Gleichung (1) -wiedergegebene Beziehung besteht, wobei hier ### mit negativem Vorzeichen anzusetzen ist, weil das Referenzsignalvor dem Meßfühlersignal erzeugt wird. Wäre, wie dies bei der bevorzugten Ausführungsform der Fall ist, der Winkel γ2 annähernd gleich 0, würde also der durch den Meßschwerpunkt des feststehenden Mcßfiihlcrs zo verlaufende Radialstrahl 109 in etwa mit der Meßnormalen 106 zusammenfallen, so würde das Referenzsignal nach dem Meßfühlersignal erzeugt werden und der Winkel d e # wäre in Gleichung 1 mit positivem Vorzeichen einzusetzen.
In Fig. 12 ist ein die beiden Markierungen m und m+1 umfassender Ausschnitt des linearen Markierungsträgers 1 wiedergegeben. Weiterhin ist die Meßnormale dargestellt, die sich aufgrund einer in Richtung des Pfeiles F erfolgenden Linearbewegung zwischen den beiden nicht dargestellten Körpern 2 und 3 aus der Stellung 106 über die Lage 106' bis zur Position 106'' bewegt, wobei angenommen ist, daß sie die erste dieser drei Stellungen zu dem Zeitpunkt einnimmt, in dem der sich längs des Bogens B rotierende, ebenfalls nicht dargestellte Meßfühler 1'5 die Markierung m abtastet, während sie die zweite Stellung 106' zu dem Zeitpunkt einnimmt, in dem das hier als Normalstellungssignal gedachte Referenzsignal erzeugt wird, und die dritte Stellung 106'' einnimmt, wenn der rotierende Meßfühler 15 die Markierung m+1 überstreicht.
Wie bereits erwähnt, wird aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens der Abstand a L1 exakt ausgemessen, den die Meßnormale 106 von der Markierung m in dem Zeitpunkt hat, in dem der rotierte Meßfühler 15 diese Markierung überstreicht.
Allerdings steht dieser Meßwert erst nach der Erzeugung des Referenzsignals, d.h. also nach dem ausgemessenen Zeitraum t #1 (und einer hier als vernachlässigbar klein angenommenen Rechen- und Auswertezeit) zur VerfiRgung, d.h.
also wenn sich die Meßnormale bereits in der Position 106' befindet.
In diesem Zeitpunkt wird jedoch nicht nur die Messung von # e1 beendet,. sondern auch die Messung des Zeitraums ß62 begonnen, der dann durch das Uberstreichen der Markierung m+1- durch den rotierenden Meßfühler 15 beendet wird. Als Ergebnis dieser zweiten Zeitmessung erhält man den Abstand A L2, den die Meßnormale von dieser Markierung m+1 am Ende des Zeitraums ##2 aufweist.
Benutzt man nun die beiden gemessenen Zeiträume ##1 und e2, um nach. den Gleichungen (4) und (5) den Abstand # Lm,m+1 zwischen den beiden Markierungen m und m+1 zu berechnen, so ergibt sich hierfür der aufgrund der Eigenbewegung der Meßnormalen um den Wert #L3 verkürzte scheinbare Wert Lm,m+1* = #L1 + #L2 Vergleicht man: diesen scheinbaren Wert mit dem aus dem Haupteichlauf bekannten Warenwert Lm,m+1i so läßt sich hieraus die Differenzstrecke dL3 ermitteln, die von der Meßnormalen in der Zeit # #1 +e2 durchlaufen wurde. Damit ist aber auch die Geschwindigkeit v-der betrachteten Linearbewegung bekannt.

Claims

-Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Länge Patentansprüche Verfahren zur Messung der Länge einer Strecke, die bei -der- Relativbewegung zweier linear zueinander bewegbarer Körper durchlaufen wird, wobei der eine der beiden Körper mit wenigstens einem länggestreckten, mit einer Vielzahl von in Richtung der Linearbewegung voneinander beabstandeten Markierungen versehenen Markierungsträger fest verbunden ist, während der andere eine Abtasteinrichtung mit wenigstens einem Meßfühler aufweist, der das Vorbeilaufen der Markierungen erfaßt und eine Folge von jeweils einer Markierung zugeordneten Signalen abgibt, dadurch g e -k e n n z-e i-c h n e t , daß die Abtasteinrichtung um bzw. durch eine mit dem anderen Körper verbundene Achse bzw.

-Welle so in eine fortwährende Rotation versetzt wird, daß ihr Meßfühler zumindest einen Teil des Markierungsträgers -periodisch überstreicht, daß in wenigstens einem der beiden Endpunkte der auszumessenden Strecke cler Zeitabstand zwischen einem eine vorbestimmte Winkelstellung der rotierenden Abtasteinrichtung bezüglich der sich durch den Rotationsmittelpunkt senkrecht zur Richtung der Linearbewegung erstreckenden Meßnormalen kennzeichnenden Referenzsignal und wenigstens einem Meßfühlersignal gemessen wird, das einer identifizierten, einen bekannten Abstand vom anderen Endpunkt der Strecke besitzenden Markierung des Markierungsträgers zugeordnet.ist,und daß aus der vorbestimmten Winkelstellung, aus dem gemessenen Zeitabstand und aus der Drehgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung der Abstand der Meßnormalen von der identifizierten Markierung berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1-, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Referenzsignal immer dann erzeugt wird, wenn der von dem Rotationsmittelpunkt ausgehende, sich durch den Meßschwerpunkt des Meßfühlers erstreckende Radialstrahl mit der Meßnormalen zur Deckung kommt, und daß die Zeitabstände zwischen diesem Normalstellungssignal und dem unmittelbar vorausgehenden und dem ihm unmittelbar folgenden Meßfühlersignal gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Normalstellungsignal mit Hilfe eines sich mit der Abtasteinrichtung um. deren Achse bzw. Welle mitdrehenden, wenigstens eine Markierung aufweisenden zweiten Markierungsträgers und eines diese Markierung abtastenden, an dem die Achse-bzw.

Welle tragenden Körper starr befestigten zweiten Meßfühlers erzeugt wird.
4. Verfahren nach -Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf dem zweiten Markierungsträger eine Vielzahl von in Drehrichtung voneinander beabstandeten Markierungen vorgesehen ist, daß die Zeitabstände von vom zweiten Meßfühler abgegebenen, identifizierten Markierungen zugeordneten Signalen gemessen werden und daß aus bekannten Eichwerten für die absoluten Winkelabstände dieser Markierungen und aus- den momentanen Zeitabständen der zugehörigen Messfühlersignale die momentane Drehgeschwindigkeit des zweiten Markierungsträgers berechnet wird.
5. Verfahren nach-Anspruch 4, dadurch g e k e n n -:z e i c h n e t , daß die Zeitabstände von aus in Drehrichtung jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Markierungen gebildeten Markierungspaaren gemessen und zur Berechnung der momentanen Drehgeschwindigkeit herangezogen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e:n nz e i c h n e t , daß die Identifizierung von Markierungen sowohl auf dem ersten als auch dem zweiten Markierungsträger mit Hilfe von in der durch die Markierungen auf dem jeweiligen Markierungsträger=gebildeten Markierungsgruppe vorhandenen Asymmetrien erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c- h. -n e t , daß mit Hife von Asymmetrien in jeder Markierungsgruppe nur eine Markierung identifiziert wird, die dann als Nullmarkierung bei der durch Abzählen der zugehörigen Meßfühlersignale erfolgenden Identifizierung der übrigen Markierungen dieser Gruppe dient.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine der Markierungen dadurch als Null-Markierung festgelegt wird, daß sie sich in ihrer Länge und/oder Breite von der Länge und/oder Breite der-übrigen Markierungen wesentlich unterscheidet.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf dem linearen, ersten Markierungsträger als Null-Markierung die an einem der Endpunkte der Linearbewegung vom rotierenden Meßfühler als erste bzw. letzte erfaßbare Markierung verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Identifizierung einer Markierung des linearen Markierungsträgers der Zeitabstand des dieser Markierung zugeordneten Meßfühlersignals zum Normalstellungssignal und der Zeitabstand des Normalstellungssignals zu dem der nachfolgenden Markierung zugeordneten Meßfühlersignal gemessen und die Summe dieser beiden Zeitabstände mit der momentanen Drehgeschwindigkeit des ersten Meßfühlers multipliziert und der so erhaltene Winkelwert mit den bekannten Winkelwerten aller auf dem linearen Markierungsträger vorhandener Markierungspaare verglichen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der durch Summation d beiden Zeitabstände und Multiplikation mit der momentanen Drehgeschwindigkeit erhaltene Winkelwert für den Abstand zweier einander benachbarter Markierungen des linearen Markierungsträgers- rechnerisch korrigiert wird, wenn die Differenz der beiden Zetabständc einen vorgegebenen Wert übersteigt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch -g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Identifizierung einer Markierung des rotierenden Markierungsträgers der Zeitäbstand- zwischen dem dieser Markierung und dem der vorausgehenden oder der nachfolgenden Markierung zugeordneten Meßfühlersignal gemessen, mit der momentanen Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers multipliziert und der so erhaltene Winkelwert mit den bekannten Winkelwerten aller auf dem rotierenden Markierungsträger vorhandener Markierungspaare verglichen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine Markierung auf dem rotierenden -Markierungsträger dadurch als Null-Markierung festgelegt wird, daß der Winkelabstand zu einer ihrer unmittelbaren Nachbarmarkierungen sich wesentlich von den Winkelabständen aller anderen einander benachbarten Markierungen unterscheidet.
1-4. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z .e- i c h n e -t , daß als Null-Markierung die das Normalstellungssignal erzeugende Markierung Verwendung findet.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e l c h n e t , daß in einem Haupteicblauf für sämtliche von unmittelbar slebeneinanderliegenden Markierungen gebildete Markierungspaare des linearen Markierungsträgers jeweils wenigstens einmal die Zeitabstände zwischen dem der einen Markierung zugeordneten Meßfühlersignal und dem Normalstellungssignal und zwischen dem Normalstellungssignal und dem der anderen der beiden Markierungen zugeordneten Meßfühlersignal gemessen werden, daß die Summe dieser beiden Zeitab stände mit der momentanen Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers multipliziert und der so gewonnene Winkelwert unter Beibehaltung der Zuordnung zu dem betreffenden Markierungspaar längerfristig als Eichwert gespeichert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der für jedes Markierungspaar gewonnene Winkelwert mit dem radialen Abstand des rotierenden Meßfühlers von seiner Drehachse multipliziert und der so gewonnene Bogenabstand der beiden Markierungen zusätzlich oder alternativ zum Winkelwert als Eichwert längerfristig gespeichert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß für jedes Markierungspaar der Bogenabstand auf den geradlinigen Abstand umgerechnet und dieser korrigierte Eichwert längerfristig gespeichert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für jedes Markierungspaar eine Relativbewegung zwischen den beiden Körpern zumindest solange durchgeführt wird, bis die beiden Zeitabstände einander innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen gleich sind und daß nur diese Zeitabstandswerte zur Eichwert- -bildung herangezogen werden.
l'). Verfahren nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n -z-e i c h n e t , daß die Relativbewegung zwischen den beiden Körpern zur Durchführung der eigentlichen Eich--messung für ein bestimmtes Markierungspaar jedesmal dann unterbrochen wird, wenn die beiden Zeitabstände miteinander innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen übereinstimmen.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t -, daß die- Relativbewegung zwischen den beiden Körpern während des Haupteichlaufes von dem einen bis zum anderen Endpunkt der Linearbewegung kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit durchgeführt wird, die wesentlich kleiner als die Bahngeschwindigkeit des rotierenden Meßfühlers ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch g e -k e. n n z e i c h n e t , daß die Winkel, unter denen jeweils die Abstände sämtliche auf dem linearen Markierungs--träger vorhandener benachbarter Markierungen vom Rotationsmittelpunkt her erscheinen,gemessen,summiert und mit dem auf andere Weise genau vermessenen Gesamtabstand der beiden Endmarkierungen des linearen Marklerungsträgers verglichen werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 21, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß in einem Hilfseichlauf die Zeitabstände zwischen den während einer vollen Umdrehung des rotierenden zweiten Markierungsträgers auftretenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden Signalen des zweiten Meßfühlers gemessen, die so erhaltenen Meßwerte mit der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers multipliziert und die so erhaltenen Eichwerte für die Winkelabstände der auf diesem rotierenden Markierungsträger befindlichen Markierungen unter Beibehaltung der Zuordnung zu den zu diesen Signalen geiiirenden Markierungen gespeichert werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Hilfseichlauf wenigstens zwei volle Umdrehungen des rotierenden Markierungsträgers umfaßt, daß die Zeitabstände der während der ersten dieser beiden Umdrehungen unmittelbar aufeinanderfolgenden Signale des zweiten Meßfühlers zunächst nur zwischengespeichert und mit den zugehörigen, während der wenigstens zweiten Umdrehung gemessenen Zeitabständen verglichen werden und daß bei einer Übereinstimmung der Vergleichswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen der Kehrwert wenigstens eines während dieser Umdrehungen gemessenen Zeitabstandes zwischen zweivon ein und derselben Markierung am zweiten Meßfühler hervorgerufenen, einer vollen Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers entsprechenden Signalen als Maß für die momentane Drehgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers verwendet wird, mit der die zwischengespeicherten Zeitabstandsmeßwerte multipliziert und dann als Eichwerte für den rotierenden Markierungsträger länqerfristig gespeichert werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl der Hauptals auch der Hilfseichlauf zur ständigen Nacheichung wiederholt werden.
25.- Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei jeder aufweisen Hilfseichlauf folgenden Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers zumindest in dem Zeitraum, in dem der rotierende Meßfühler den Bereich der beiden unmittelbar vor und hinter dem Normalstellungssignal erfaßten Markierungen des linearen Markierungsträgers überstreicht, die Zeitabstände aller unmittelbar aufeinanderfolgender Signale des zweiten Meßfühlers yemessen-und'zur- Ermittlung der momentanen Drehgeschwindigkeit des rotierenden Markierungsträgers einzeln mit dem jeweils zugehörigen gespeicherten Eichwert verglichen werden.
-26. Verfahren nach Anspruch. 25, dadurch g e k e n n -ze i c h n e t , daß die Zeit-abstände zwischen zwei Markierungen des linearen Markierungsträgers zugeordneten Signalen des ersten Meßfühlers und dem dazwischen auftretendén Normalstellungssignal des zweiten Meßfühlers nur dann zur Berechnung der momentanen Länge der Verschiebungsstrecke der beiden Körper verwendet werden, wenn zumindest die in dem genannten Zeitraum gemessenen Winkelgeschwindigkeitswerte für den rotierenden Markierungsträger innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß in e-inem Endpunkt einer aus zumessenden Strecke bei einer Vielzahl von Umdrehungen des rotierenden Meßfühlers die Zeitabstände zwischen den beiden, je einer Markierung des linearen Markierungsträgers zugeordneten Signalen und dem dazwischen auftretenden Normalstellungssignal gemessen, auf den entsprechenden Abstandswert umgerechnet und die so erhaltenen Abstandswerte miteinander verglichen werden.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß, während die beiden Körper gegeneinander eine Relativbewegung ausführen, für die beiden jeweils gerade die Meßnormale zwischen sich einschließenden Markierungen des linearen Markierungsträgers die Zeitabstände zwischen den diesen Markierungen zugeordneten Meßfühlersignalen und dem Normalstellungssignal gemessen und mit der momentanen Drehgeschwindigkeit der rotierenden Abtasteinrichtung multipliziert werden und daß aus der Differenz zwischen dem sich hieraus ergebenden scheinbaren Abstand der beiden Markierungen und dem aus dem Haupteichlauf bekannten wahren Abstand dieser Markierungen die momentane Geschwindigkeit der Linearbewegung ermittelt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der direkt nicht meßbare Abstand, den die Meßnormale in dem Zeitpunkt, in dem das Normalstellungssignal erzeugt wird, zu einer der beiden Markierungen besitzt, durch Berücksichtigung der gemessenen momentanen Geschwindigkeit der Linearbewegung aus dem direkt meßbaren Abstand ermittelt wird, den die Meßnormale zu dem Zeitpunkt von der Markierung besitzt, in welchem vom rotierenden Meßfühler das dieser-Markierung zugeordnete Signal erzeugt wird.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch die rotierende Abtasteinrichtung ein an demselben Körper wie der erste lineare Markierungsträger befestigter, sich zu diesem gegenüber der Achse bzw. Welle der rotierenden Abtasteinrichtung in etwa parallel erstreckender zweiter linearer Markierungsträger abgetastet wird, der eine Vielzahl von Markierungen aufweist, die wesentlich größere Abstände besitzen als die Markierungen des ersten linearen Markierungsträgers.
31. -Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e -n n z e i c h n e t , daß für die verschiedenen Zeitabstandsmessungen die Impulse eines freilaufenden, quarzgesteuerten Oszillators abgezählt werden und daß beim Auf treten eines- Signals an dem einen oder dem anderen Meßfühler der nach der -steigenden Flanke des nächsten Oszillatorimpulses erreichte Zählwert ausgelesen und weiterverarbeitet wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Bestimmung der zeitlichen Lage der Meßfühiersignale innerhalb der jeweiligen Schwingungsperiode- des Oszillators durch diese Signale jeweils eine dem betreffenden Meßfühler zugeordnete Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung gestartet und durch die steigende Flanke des nächsten Oszillatorimpulses angehalten wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t ! daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung immer wieder dadurch nachgeicht wird, daß sie durch eine Flanke eines Oszillatorimpulses gestartet und durch eine nachfolgende Oszillatorimpulsflanke angehalten wird und daß der so erhaltene Zeitmeßwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung mit dem zwischen diesen beiden Oszillatorimpulsflanken liegenden Zeitraum verglichen wird.
3-4. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch g e k e n n -z e i c h-n e t , daß das Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung durch die steigende Flanke des entsprechenden Oszillatorimpulses bei jeder Zeitabstandsmessung und bei -jeder Eichmessung mit einer yorbestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt und daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach jeder dieser Messungen durch ein schaltungsintern erzeugtes Startsignal gestartet und durch ein gleichzeitig mit diesem Startsignal erzeugtes, ebenfalls der Norbestimmten zeitlichen Verzögerung unterworfenes Stopsignal wieder angehalten wird und daß der so gewonnene Korrekturwert von dem vorausgehend gcwonrlenen Zei-tmeßwert bzw. Eichmeßwert subtrahiert wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch jeden der Meßfühler aus den auf dem Markierungsträger angebrachten realen Markierungen ideale Marken abstrahiert und deren Zeitabstände gemessen werden.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Durchgang eines aus dem vom Meßfühler beim Vorbeilaufen einer Markierung abgegebenen Signal abgeleiteten elektrischen Signals durch einen vorgegebenen konstanten Spannungspegel als ideale Marke dient.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Meßfühler jeweils ein Differential-Fotoempfänger mit wenigstens einem nachgeschalteten differenzbildenen Glied Verwendung findet, und daß der-Null-Durchgang des von dem differenzbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differantial-Fotoempfänger erzeugten Ausgangssignals als ideale Marke dient.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß für jedes von dem differenzbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger abgegebene Ausgangssignal ein Rechtecksimpuls erzeugt wird, dessen wenigstens eine Flanke in einem festen Zeitabstand zum Null-Durchgang des Ausgangssignals liegt und daß die Zeitabstände dieser Flanken gemessen und weiterverarbeitet werden.
39. Vorrichtung zur Messung der Länge einer Strecke, die bei der Relativbewegung zweier linear zueinander bewegbarer Körper durchlaufen wird, mit wenigstens einem mit dem einen der beiden Körper fest verbundenen, langgestreckten, mit einer Vielzahl von in Richtung der Linearbewegung-voneinander beabstandeten Markierungen versehenen Markierungsträger, mit einer mit dem anderen der beiden Körper verbundene Abtasteinrichtung, die wenigstens einen das Vorbeilaufen der Markierungen erfassenden und eine Folge von jeweils einer Markierung zugeordneten Signalen abgebenden Meßfühler umfaßt, und mit einer diese Signale weiter verarbeitenden Meß- und Auswerteschaltung, dadurch ge k e n n z e i:c h n e t , daß die Abtasteinrichtung (--1.4) um bzw. durch eine mit dem betreffenden Körper (2) verbundene Achse bzw. Welle (4) drehbar gelagert und durch einen Antrieb (6) zu einer ständigen Rotation antreibbar ist, wobei die Position der Achse bzw. Welle (4) an dem betreffenden Körper (2) so gewählt ist, daß durch die Abta:steinrichtung (14) zumindest ein Teil des am anderen Körper (3) befestigten linearen Markierungsträgers (1) periodisch überstreichbar ist, daß eine bei einer vorbestimmt.en Winkelstellung der Abtasteinrichtung (14) bezüglich der sich durch den Rotationsmittelpunkt senkrecht zur Richtung der Linearbewegung erstreckenden Meßnormalen bei jeder Umdrehung ein Referenzsignal erzeugende Vorrichtung (5,19) vorgesehen ist, und daß die Meß- und Auserteschaltung (25) eine den Zeitapstand zwischen wenigstens einem einer identifizierten Markierung -(12) des linearen Markierungsträgers (1) zugeordneten Meßfühlersignal und dem Referenzsignal ausmessende Zeitmeßeinheit (30)-, eine die Markierungen (12) als Individuen erkennende Ident-ifizierungsschaltung (33) und eine d-ie Eichwerte für die Abstände der Markierungen (12) enthaltende, aus der vorbestimmten Winkelstellung, dem gemessenen Zeitabstand- und der Drehgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung (14) den Abstand der Meßnormalen von der wenigstens einen Markierung berechnende Rechen- und Speicherschaltung (57) umfaßt.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die das Referenzsignal erzeugen de Vorrichtung einen mit der Abtasteinrichtung (14) für den linearen Markierungsträger (1) rötiereiden, eine Vielzahl von in Drehrichtung voneinander beabstandeten Markierungen (13) aufweisenden zweiten Markierungsträger (5) und eine mit dem die Achse bzw. Welle (4) tragenden Körper (2) starr verbundene zweite Abtasteinrichtung (19) mit einem das Vorbeilaufen der Markierungen (13) des rotierenden Markierungsträgers (5) erfassenden und eine Folge von jeweils einer Markierung (13) zugeordneten Signalen erzeugenden Meßfühler (20) umfaßt, und daß die Meß- und Auswerteschaltung (25) einen die von der Zeitmeßeinheit (3Q) ermittelten Zeitabstandsmeßwerte der vom zweiten Meßfühler (20) während einer Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers (5) erzeugten Signalfolge speichernden Zwischenspeicher (50), eine die bei einer nachfolgenden Umdrehung des rotierenden Markierungsträgers (5) neu gewonnenen Zeitabstandsmeßwerte m it den zugehdrigen, zwischengespeicherten Zeitabstandsmeßwerten vergleichende Vergleichs schaltung (51) und eine in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis Eichwerte für die absoluten Winkelabstände der durch die Identifizierungsschaltung (33) identifizierten Markierungen (13) des rotierenden Markierungsträgers (5) und die momentane Drehgeschwindigkeit des rotierenden Markierüngsträgers (5) berechnende und die Eichwerte speichernde zweite Rechen- und Speicherschaltung (55) umfaßt.
41. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 40, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder der Meßfühler (15,20) aus einer Differential-Fotodiode (62) besteht, der ein ihre Ausgangssignale formender Geber (28,29) nachgeschaltet ist, der wenigstens ein mit den beiden Ausgängen der Differential-Fotodiode (62) verbundenes differenzbildendes Glied (66) sowie einen das Ausgangssignal des differenzbildenden Gliedes (66) mit einem vorgegebenen konstanten Spannungspegel vergleichenden Komparator (70)- ;umfaßt.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 41, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zeitmeßeinheit (30) einen quarzgesteuerten Oszillator (78), einen die Oszillatorperioden abzählenden Zähler (79) und zwei jeweils durch die vom zugehörigen Geber (28,29) abgegebenen Signale triggerbare und durch vom-Quarzoszillator (78) abgegebene Signale anhaltbare Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) mit nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlern (92,102) umfaßt.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß dem Stop-Eingang einer jeden Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) ein Verzögerungsglied (87,97) vorgeschaltet ist, daß die Zeitmeßeinheit (30) eine Schaltungsanordnung (82) zur Erzeugung und gleichzeitigen Abgabe jeweils eines Start- und eines Stopsignals für die.Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen~(88,98) umfaßt, und daß dem Analogausgang einer jeden Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98). in paralleler Anordnung zwei Sample-and-Hold-Schaltungen (89,90,99,100-) nachgeschaltet sind, von denen die eine (89,99) zur Aufnahme und Speicherung von von der zugehörigen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) abgegebenen Zeitmeßwerten und die andere (90,100) zur Aufnahme und Speicherung der jeweils entsprechenden, von der zugehörigen Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) aufgrund der von der Schaltungsanordnung (82) erzeugten Start- und Stopsignale abgegebenen Korrekturwerte ansteuerbar ist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Ausgang jeweils der einen Sample-and-Hold-Schaltung (89,99) an den positiven Eingang und der Ausgang jeweils der anderen Sampleand-Hold-Schaltung (90,100) an den negativen Eingang eines zugehörigen Differenzverstärkers (91,101) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal dem entsprechenden Analog/Digital-Wandler (92,1-02) zuführbar ist.
45. Vorrichtung nach- einem der Ansprüche 39 bis 44, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Markierungen (12,13) auf jedem der Markierungsträger (1,5) sich hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften von den an sie angrenzenden Bereichen des Markierungsträgers (1,5) unterscheidende, im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Linearbewegung bzw. zur Drehrichtung des rotierenden Markierungsträgers (5) verlaufende Streifen sind.
46. Vorrichtung nach Anspruch 45, dadurch g e k-e n n -z e i c h n e t , daß die Breite eines jeden Markierungsstreifens (12,13) größer als die Breite des Trennsteges (63) der zugehörigen Differential-Fotodiode (62) und kleiner als die Breite dieser Differential-Fotodiode (6-2) ist.
47. Vorrichtung nach Anspruch 45 oder 46, dadurch g e -k e n n- z e i c h n e t , daß sich die Markierungen (12,13) hinsichtlich der. Lichtdurchlässigkeit von densie umgebenden Bereichen des jeweiligen Markierungsträgers (1,5) unterscheiden, und daß die zugehörige Abtasteinrichtung (14,19) eine auf der dem Meßfühler (15,20) yegenüberliegenden Seite des Markierungsträyers (1,5) angeordnete Lichtquelle (17,22) umfaßt.
48. Vorrichtung nach Anspruch 45 oder 46, dadurch g e -k e n n z e i c h n et , daß sich die Markierungen (12,13) - hinsichtlich ihres Licht-Reflexionsvermögens von den sie umgebenden Bereichen des jeweiligen Markierungsträgers (1,5) unterscheiden und daß die zugehörige Abtasteinrichtung (14,19)-elne auf derselben Seite des Markierungsträgers (1,5) wie der Meßfühler -angeordnete L-ichtquelle umfaßt.
49. Vorrichtung nach Anspruch 48, dadurch g e k e n n -z e -i c h n e t , daß das Licht der Lichtquelle senkrecht auf die Oberflächo des Markierungsträgers gerichtet ist und daß das in der Bahn des auftreffenden Lichtstrahls vom Markierungsträger reflektierte Licht mit Hilfe eines Strahlenteilers zum Meßfühler hin umgelenkt wird.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 49, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lichtquelle (17-,22) in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Markierungsträgers (1,5) angeordnet ist
51. Vorrichtung-nach einem Ansprüche 39 bis 49, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein das Licht der Lichtquelle in unmittelbare Nähe des Markierungsträgers lenkender Lichtleiter vorcgesehen ist.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 61, dadurch g e k e n n'z e i c h n e t , daß die Lichtquelle (17,22) eine Licht emittierende Diode ist.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 52, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der rotierende Markierungsträger (5) eine flache Scheibe mit sich etwa radial erstreckenden Markierungsstreifen (13) ist.
54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 53, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der lineare Markierungsträger (1) ein flacher Stab ist, in den als Markierungsstreifen (12) lichtdurchlässige Schlitze eingefräst sind.
55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 54, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an dem einen (3) derbeiden Körper (2,3) zwei einander bezüglich der Achse bzw. Welle (4) gegenüberliegende lineare Markierungsträger befestigt sind, von denen der eine eine Vielzahl von kleine Abstände aufweisenden Markierungen und der andere eine Vielzahl von wesentlich größere Abstände aufweisenden Markierungen umfaßt.