DE3504520C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Längenmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 27 13 004 ist eine Längenmeßeinrichtung bekannt­ geworden, bei welcher bei einer Meßmaschine auf einer ortsfesten Schiene zwei sehr genaue Maßstäbe von je einem Meter Länge ange­ ordnet sind. Der Abstand dieser beiden Maßstäbe beträgt etwa zwei Meter. Auf der Schiene läuft ein beweglicher Schlitten, an welchem drei Abtastköpfe mit je einem Meter Abstand voneinander angeordnet sind. Die Abtastsignale werden in einer Auswerteelek­ tronik verarbeitet, wobei die Umschaltung von einem Abtastkopf zum anderen bei Bewegung des Schlittens durch an der Schiene und dem Schlitten in entsprechenden Abständen angeordnete Sen­ soren vorgenommen wird. Nachteil dieser bekannten Anordnung ist es, daß eine Anpassung an verschiedene Längen der Meßstrecke aufgrund der Verwendung zweier Maßstäbe und systembedingt dreier Abtastköpfe nur schwer möglich ist.

In der DE-OS 27 30 715 ist ein Längenmeßsystem beschrieben mit einem Maßstab, an welchem ein Meßschlitten entlangläuft, welcher mehrere Abtastelemente, nämlich Fotozellen, enthält. Diese Ab­ tastelemente erzeugen phasenverschobene Signale, welche zur Auswer­ tung der Verschieberichtung dienen. Durch die Abtastelemente soll eine Übergabe des Meßschlittens von einem Meßbereich des Maßstabs auf einen anderen vorgenommen und insbesondere ein Spaltbreitenausgleich zwischen nebeneinanderliegenden Maßstabsteilen vorgenommen werden. Die Möglichkeit, mit einem kurzen Maßstab Meß­ wege von mehreren Metern zu verfahren, wird bei dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Aus der DE-PS 11 56 244 ist es ferner bekannt, Abtastsignale digital zu zählen und darzustellen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit welcher eine sehr genaue Längenmessung bei einfacher Anpassung des Abtastsystems an unterschiedliche Meßlängen verschieden großer Meßvorrichtungen oder Meßmaschinen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Maßnahme vor, die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführt sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung an zwei Ausführungs­ beispielen noch näher erläuert werden. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Meßmaschine in Brückenanordnung mit der erfindungsgemäßen Längenmeßeinrichtung;

Fig. 2 eine erste elektronische Auswerteschaltung der Signale der Längenmeßeinrichtung;

Fig. 3 eine zweite elektronische Auswerteschaltung.

Auf einem aus zwei Teilen 1 und 2 bestehenden Grundgestell läuft in einer Schiene 3 eine Meßbrücke 4. Diese trägt einen Arm 5, welcher in einem Schlitz 6 der Meßbrücke seitlich und gleichzeitig auch in der Höhe verschiebbar angeordnet ist. An der Unterseite des Armes 5 ist, in der Zeichnung nicht sichtbar, ein Tastkopf angeordnet, welcher durch die Brücke 4 an das zu messende Objekt herangefahren wird.

An dem Grundgestell Teil 1 sind im Abstand von jeweils 1 m fünf Abtastköpfe 7 a bis 7 e angeordnet. An der Meßbrücke 4 ist ein Maßstab 8 angeordnet, welcher in unmittelbarer Nähe an den Abtast­ köpfen 7 vorbeiläuft. Dieser Maßstab, welcher die Länge 1 m aufweist und eine sehr genaue und feine Unterteilung trägt, weist ferner an seinen beiden Enden eine in der Zeichnung nicht sicht­ bare Referenzmarkierung in Form von Teilstrichen auf. Eine korre­ spondierende Referenzmarkierung trägt auch jeder Abtastkopf 7, wobei die Teilung der Referenzmarkierungen auf dem Maßstab und an den Abtastköpfen in geringem Maße unterschiedlich ist, so daß sehr genau eine Übereinstimmung zweier Markierungen feststellbar ist. Das Übereinstimmen zweier bestimmter Teilstriche auf jeder Referenzmarkierung wird als Nullstellung des Maßstabes an dem betreffenden Abtastkopf bezeichnet. Derartige Referenzmarkierungen sind allgemein bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner aus­ führlicheren Erläuterung.

Jedem der Abtastköpfe 7 b bis 7 e ist ein piezoelektrischer Trans­ lator 9 zugeordnet, welcher zur Justierung des entsprechenden Ab­ tastkopfes dient und durch welchen aufgrund eines entsprechenden elektrischen Signals ein Abgleich von Phasenverschiebungen der Signale zweier nebeneinanderliegender Abtastköpfe ermöglicht wird. Lediglich der Abtastkopf 7 a weist keinen solchen Translator 9 auf, da dieser Abtastkopf als Referenzkopf dient und seine Nullstellung als Phasenbezugspunkt für alle anderen Abtastköpfe dient.

Die räumliche Anordnung der Abtastköpfe des Maßstabes und der Referenzmarkierungen ist im einzelnen so getroffen, daß bei Vorbei­ laufen der rechten Endmarkierung des Maßstabes 8 an einem Tastkopf die linke Endmarkierung des Maßstabes an dem links benachbart lie­ genden Tastkopf vorbeiläuft. Die beiden Referenzmarkierungen am Maß­ stab sind dabei so angeordnet, daß ihre Nullstellung der jeweiligen Endmarkierung des Maßstabes (0 m bzw. 1 m) entspricht.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung dargestellt. Den Abtastköpfen 7 a, 7 b und 7 c, welche stellvertretend für fünf Abtastköpfe 7 a bis 7 e gemäß Fig. 1 erläutert sind, sind Verstärker 10 a, 10 b und 10 c nachgeordnet. Diese Verstärker erhalten von den Abtastköpfen zum einen das Referenzmarkensignal sowie zwei in ihrer Wellenform und Amplitude gleiche, in ihrer Phase jedoch um 90° verschobene Abtastsignale, resultierend aus der Abtastung des Maßstabes 8. Dem Ausgang der Verstärker 10 a bis 10 c sind Inter­ polationsschaltungen 11 a, 11 b und 11 c nachgeordnet, die ähnlich einem Analog-Digital-Wandler arbeiten und die aus den Abtastsignalen Rechtecksignale erzeugen, welche als Periode einem Bruchteil (z. B. ¹/₅ oder ¹/ ₄) der Gitterkonstante des Maßstabes entsprechen. Die Ausgänge aller Interpolationsschaltungen sind in einer Zähl- und Anzeigeeinrichtung 12 zusammengefaßt, welche die Impulse der Inter­ polationsschaltungen aufzählt und digital darstellt. Diese Anzeige entspricht dem Meßergebnis.

Den Verstärkern 10 a bis 10 c ist weiterhin eine Kontrollschaltung 13 nachgeordnet. Diese erhält zum einen die Referenzmarkensignale und zum anderen das Abtastsignal des jeweiligen Ausganges der einzelnen Verstärker 10 a bis 10 c. Schließlich erzeugt die Kontrollschaltung ein Ausgangssignal, welches aufgrund eines Phasenvergleichs der benachbarten Verstärker erzeugt wird und abhängig von der Größe der Phasenverschiebung der beiden verglichenen Abtastsignale ein Steuersignal für den entsprechenden piezoelektrischen Translator 9 erzeugt, dieses ist geeignet, den in der Zeichnung rechten der beiden Verstärker in seiner Phase der des links benachbarten anzugleichen. Bei diesem Phasenvergleich wurde davon ausgegangen, daß die Relativbewegung zwischen Maßstab 8 und Abtastköpfen 7 in Pfeilrichtung 14 erfolgt.

Weiterhin erzeugt die Kontrollschaltung ein Sperrsignal für die jeweilige Interpolationsschaltung 11 a bis 11 c, dessen Ausgangs­ signal unterdrückt werden soll. Dies ist dann der Fall, wenn der Maßstab 8 von einem Abtastkopf zum nächsten weitergelaufen ist und das Abtastsignal von dem zweiten Abtastkopf übernommen und an die Zähl- und Anzeigeeinrichtung 12 weitergegeben werden soll.

Die Kontrollschaltung 13 weist schließlich noch einen Eingang auf, mittels welchem bei Einschalten der Anlage die Null-Stellung des Abtastkopfes 7 a festgestellt und eingespeichert wird. Ein weiterer Ausgang der Kontrollschaltung schließlich dient zur Angabe von Fehlermeldungen.

Die Funktionsweise der Längenmeßeinrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 ist die folgende. Bei dem langsamen Vorbeilauf des Maßstabes 8 in Pfeilrichtung 14 an dem Abtastkopf 7 a wird zunächst das Referenz­ markensignal erzeugt und über den Verstärker 10 a an die Kontroll­ schaltung 13 abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die Interpolations­ schaltung 11 a freigegeben. Während des Vorbeilaufens des Maßstabes 8 werden nun von dem Abtastkopf 7 a phasenverschobene Impulse erzeugt und über den Verstärker 10 a an die Interpolationsschaltung 11 a ab­ gegeben und von dort als Rechteckimpulse in die Zähl- und Anzeige­ einrichtung 12 weitergeleitet. Wie bereits erwähnt, sind die dort ankommenden Impulse jeweils Schritten auf dem Maßstab 8 zugeordnet. Wenn das linke Ende des Maßstabes 8 am Abtastkopf 7 a vorbeiläuft, bewegt sich gleichzeitig das rechte Ende des Maßstabes in den Abtast­ bereich des Abtastkopfes 7 b. Wie bereits beschrieben, ist die An­ ordnung nun so getroffen, daß die rechte Referenzmarkierung des Maßstabes 8 etwa gleichzeitig am Abtastkopf 7 b ein Referenz- Markensignal erzeugt, wenn die linke Referenzmarkierung am Maß­ stab 8 im Abtastkopf 7 a ein weiteres Referenzmarkierungssignal er­ zeugt. In der Kontrollschaltung 13 wird nun ein Phasenvergleich der Ausgangssignale der Verstärker 10 a und 10 b vorgenommen und aufgrund etwaiger Phasenunterschiede an den dem Abtastkopf 7 b zuge­ ordneten piezoelektrischen Translator 9 ein entsprechendes Stell­ signal abgegeben, welches den Abtastkopf 7 b insoweit in seiner Lage verändert, daß eine Phasenübereinstimmung zwischen den Signalen beider Abtastköpfe hergestellt wird. Sobald die Phasenübereinstim­ mung besteht, wird von einem Sperrsignal am Ausgang der Kontroll­ schaltung 13 die Interpolationsschaltung 11 a gesperrt und die Inter­ polationsschaltung 11 b entsperrt. Am Eingang der Zähl- und Anzeige­ einrichtung 12 liegen nun nicht mehr die Signale der Schaltung 11 a sondern jene der Schaltung 11 b an. Die Umschaltung zwischen den beiden Wandlern erfolgt dabei derart, daß keine Abtastimpulse der Abtastköpfe 7 a und 7 b verlorengehen.

Beim Weiterlauf des Maßstabes 8 am Abtastkopf 7 b wiederholt sich der bereits beschriebene Vorgang und die Übergabe vom Abtastkopf 7 b zum Abtastkopf 7 c erfolgt so wie vorstehend erläutert. Auf diese Weise läuft der Maßstab 8, sofern es das zu messende Werkstück er­ fordert, bis zum letzten Abtastkopf. Beim Rückwärtslauf ist die Funktionsweise der Schaltungsanordnung entsprechend, wobei die Justage des jeweils links benachbarten Abtastkopfes durch den zuge­ ordneten piezoelektrischen Translator 9 erfolgt.

Der Vorteil der Anordnung ergibt sich also daraus, daß zum einen ein relativ kurzer Maßstab von 1 m verwendet werden kann, welcher mit hoher Genauigkeit käuflich zu erwerben ist. Die Erweiterung der Anlage zur Messung größerer Verfahrensstrecken ist in einfacher Weise durch Ansetzen weiterer Abtastköpfe und piezoelektrischer Translatoren möglich. Die Auswerteschaltung, welche ohnehin in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt wird, ist zweckmäßiger­ weise von vornherein auf mehrere, gleichartig aufgebaute Abtast­ kanäle ausgelegt, von denen die dann benötigten ausgewählt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Auswerte­ schaltung dargestellt, welche dann von Vorteil ist, wenn man keine piezoelektrischen Translatoren oder entsprechende andere Sensoren an der Maschine anordnen möchte. Der Phasenabgleich erfolgt bei dieser Ausführungsmöglichkeit rein elektronisch. Gleiche Bauteile wie in Fig. 2 sind mit gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.

Anstelle der piezoelektrischen Translatoren 9 in Fig. 2 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 Phasenschieber-Schaltungen 14 vorgesehen, welche den Verstärkern 10 b und 10 c sowie gegebenenfalls den Verstärkern weiterer Abtastköpfe 7 d und 7 e nachgeordnet sind. In der Kontrollschaltung 13 wird der Phasenvergleich für beide Aus­ gangssignale der Abtastköpfe 7 durchgeführt, wobei der Anschluß an die einzelnen Abtastkanäle nach den jeweiligen Phasenschieber- Schaltungen 14 erfolgt. Das Ausgangssignal der Kontrollschaltung 13 zur Phasenverschiebung wird an den Eingang der Phasenschieber-Schal­ tungen 14 gegeben.

Wenn bei der Weitergabe der Abtastung des Maßstabes 8 von dem Abtast­ kopf 7 a zu dem Abtastkopf 7 b an den Ausgangssignalen des letzteren eine Phasenverschiebung zu jenen des ersteren Abtastkopfes fest­ gestellt wird, so wird durch das Ausgangssignal der Kontroll­ schaltung 13 an die entsprechenden Phasenschieber-Schaltung 14 ein Phasenverschiebungssignal in der Weise angelegt, daß die Ausgangs­ signale der Phasenschieber-Schaltung 14 phasensynchron mit den Sig­ nalen im Kanal des Abtastkopfes 7 a werden. Diese Signale werden in der Interpolationsschaltung 11 b digitalisiert und in der schon be­ schriebenen Weise anstelle der Signale der Interpolationsschaltung 11 a an die nachgeordnete Zähl- und Anzeigeeinrichtung gegeben.

Bei der vorbeschriebenen Anordnung wird also keine mechanische Ver­ stellung eines Abtastkopfes zu dessen Justage bewirkt sondern es wird nur die Phasenlage der Abtastimpulse des einen Abtastkopfes mit der Phasenlage der Impulse des benachbarten synchronisiert, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten.

Claims (7)

1. Längenmeßeinrichtung für Meßvorrichtungen oder -maschinen zur Messung der Bewegung eines verschiebbaren Teils gegenüber einem feststehenden, wobei auf dem einen Teil (4, 1) ein einziger in­ krementaler Maßstab (8) und auf dem anderen Teil (1, 4) mehrere Abtastköpfe (7) angeordnet sind, deren Abstand geringer ist als die Länge des Maßstabs und wobei die Abtastköpfe phasenverschobene Signale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltungsanordnung vorgesehen ist, welche in einer Kontrollschaltung (13) die Phasenverschiebung der Signale der jeweils nebeneinanderliegenden Abtastköpfe (7) feststellt und ein Signal für eine Anordnung (9, 14) zur Nullstellung einer Phasen­ verschiebung erzeugt, welche ferner bei Phasengleichheit ein Signal zur Durchschaltung der Abtastsignale des nachfolgenden Abtastkopfes anstelle des vorhergehenden erzeugt und welche in einer nachge­ ordneten Zähl- und Anzeigeeinrichtung (12) in an sich bekannter Weise die Abtastsignale aufzählt und darstellt.

2. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Kontrollschaltung (13) die Referenzsignale der optischen Referenzmarkierung aller Abtastköpfe (7) anliegen.

3. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Kontrollschaltung nach erfolgtem Vergleich und Abgleich der Phasen der Signale zweier nebeneinanderliegender Abtast­ köpfe (7) ein Signal erzeugt wird, welches zur Sperrung einer Inter­ polationsschaltung (11 a-11 c) dient, die dem das bisherige Abtast­ signal liefernden Abtastkopf (7) nachgeordnet ist.

4. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß allen Interpolationsschaltungen (11) ein gemeinsamer Zähler mit Digitalanzeige (12) nachgeordnet ist.

5. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Phasenabgleich an jedem Abtastkopf (7), mit Ausnahme dem als Referenz dienenden (7 a), ein piezoelektrischer Translator (9) zu dessen Justierung (Nullstellung) angeordnet ist und daß jeder Translator (9) sein Erregersignal von der Kontrollschaltung (13) erhält.

6. Längenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Abtastkopf (7) ein Verstärker (10) nachgeordnet ist und die Ausgangssignale der letzteren zum einen an der gemeinsamen Kontrollschaltung (13) und zum anderen an je einer Interpolations­ schaltung (11) anliegen.

7. Längenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß allen Abtastköpfen (7), mit Ausnahme dem als Referenz dienenden (7 a), je eine Phasenschieberschaltung (14) nachgeordnet ist, deren Ausgangssignale zum einen an der Kontrollschaltung (13) und zum anderen an den zugeordneten Interpolationsschaltungen (11) liegen und daß die Phasenschieberschaltungen einen weiteren Eingang besitzen, an dem jeweils das Steuersignal der Kontroll­ schaltung (13) für das Maß der Phasenverschiebung anliegt und daß schließlich das Ausgangssignal des dem als Referenz dienenden Abtastkopf (7 a) nachgeordneten Verstärkers (10 a) direkt sowohl an der nachgeordneten Interpolationsschaltung (11 b, 11 c) als auch an der Kontrollschaltung (13) liegt.