DE3913983A1

DE3913983A1 - Vorrichtung zum nachweis von verschiebungen

Info

Publication number: DE3913983A1
Application number: DE3913983A
Authority: DE
Inventors: Souji Ichikawa
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-27
Publication date: 1990-10-31
Also published as: GB2230666B; US4991125A; GB8908887D0; GB2230666A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis von Ver schiebungen und insbesondere eine Verbesserung an einer derartigen Vorrich tung, um unter Verwendung periodischer Gitter eine relative Verschiebung zwischen zwei Maschinenteilen in einer absoluten Position nachzuweisen.

Bekannter Stand der Technik

Es sind zwei Arten sog. Verschiebungs-Detektoren bekannt, um eine Größe, z. B. die Strecke zu messen, um die ein Werkzeug einer Werkzeugmaschine vorge schoben wird: eine auf Zuwachs beruhende Art eines Verschiebungs-Detektors, bei der eine relative Verschiebung zwischen den beiden Maschinenteilen aus der Anzahl von Wiederholungen eines periodischen Primärsignals ermittelt wird, das durch die Wechselwirkung zwischen zwei entsprechenden, mit einer Spur in Beziehung stehenden Gittern gebildet wird, und eine auf einer abso luten Position beruhenden Art eines Verschiebungs-Detektors, von dem in einer absoluten Stellung eine relative Verschiebung zwischen den beiden Maschinen teilen unter Verwendung mehrerer Primärsignale angezeigt wird, die durch die Wechselwirkung zwischen Gittern gebildet werden, die hinsichtlich jeder Spur durch ihre z. B. sich stark ändernden Abstände codiert sind.

Wenn jedoch bei der bekannten, auf Zuwachs beruhenden Art des Verschiebungs-Detektors Zählfehler auftreten, werden diese nämlich einfach aufsummiert, was unmittelbar zu einem Meßfehler führt.

Bei der letzteren, nämlich bei der auf einer absoluten Position beruhenden Art des Verschiebungs-Detektors ergibt das Auftreten eines Zähl fehlers keinen Meßfehler, da in einer absoluten Stellung eine Verschiebung gemessen wird. Jedoch sind die Gitter vollständig in einer solchen Weise codiert, daß in einem bekannten Verfahren der Gitterabstand auf einer zweiten Spur zweimal so groß wie die des Gitters auf einer ersten Spur eingestellt wird, und daß der Gitterabstand auf einer dritten Spur zweimal so groß wie der des Gitters auf der zweiten Spur eingestellt wird . . . ; das Auftreten eines Abtastfehlers in einer der Spuren oder insbesondere in einer mit ei nem großen Gitterabstand ergibt eine erhebliche Abweichung eines Meßwertes.

Wenn die auf einer absoluten Position beruhende Art des Ver schiebungs-Detektors unter Verwendung optischer Gitter eingesetzt wird, müssen in den Gittern an jeder Spur dieselben Zwischenräume festgesetzt werden, um eine Lichtquelle und eine Anzeigeskala gemeinsam zu benutzen. In dem Falle, daß die codierten Gitter benutzt werden, machen solche gleichen Zwischenräume es unmöglich, gute Lichtempfangssignale zu erhalten, da der Unterschied zwischen den Gitterabständen an den unterschiedlichen Spuren zu groß ist.

Übersicht über die Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen Probleme der bekannten Verfahren gelöst werden, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen Verschiebungs-Detektor anzugeben, der imstande ist, in einer absoluten Stellung eine relative Verschiebung aus einer kleinen Anzahl analoger Signale zu ermitteln, die Streuung der Meßwer te selbst beim Auftreten von Anzeigefehlern herabzusetzen und gute Anzeige signale abzugeben, sogar wenn die Zwischenräume in den Gittern an den unter schiedlichen Spuren zueinander gleich sind.

Zu diesem Zweck liefert die Erfindung einen Verschiebungs-Detektor, der ein erstes Glied, das mit wenigstens drei periodischen, mindestens drei Spuren bildenden Gittern von gleichem Gitterabstand versehen ist, wobei sich der Abstand von Spur zu Spur etwas ändert, ein zweites Glied, bei dem periodische Gitter mit Abständen, die den Gittern an den jeweiligen Spuren des ersten Gliedes entsprechen, an jeweiligen Spuren ausgebildet sind, Hilfsmittel zum Nachweis eines Primärsignals, das hinsichtlich jeder Spur durch eine Wechselwirkung zwischen den Gittern an den einander entsprechen den Spuren gebildet wird, und Hilfsmittel für eine Gewinnung von Sekundär signalen in der Weise aufweist, daß zwischen den Primärsignalen die Phasen differenzen errechnet werden, wobei die relative Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Glied in einer absoluten Stellung auf der Grundlage zum mindesten von Phasendifferenzen zwischen den Sekundärsignalen angezeigt wird.

Anstatt Spuren einer auf einer absoluten Position beruhenden Art Verschiebungs-Detektor durch deren Codierung in bekannter Weise zu be nutzen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Abstände der Gitter an den jeweiligen Spuren auf annähernd gleiche Werte eingestellt, um aus einer kleinen Anzahl analoger Signale durch eine Feineinstellung eine absolute Position zu ermitteln, und zur Vervielfältigung der Feineinstellung wird die Anzahl der Spuren mit Drei oder mehr festgesetzt, wodurch eine absolute Positionsmessung in einem weiten Meßbereich ermöglicht wird.

Das Nachweisprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung sei unten an einem Beispiel eines Systems mit vier Spuren erläutert.

Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, sei hier angenommen, daß perio dische Gitter 22, 24, 26 und 28 mit vier gleichen Gitterabständen P, P₁, P₂ bzw. P₃, deren Phasen an einem Bezugspunkt x=0 miteinander übereinstimmen, zur Bildung von vier Spuren 12, 14, 16 und 18 auf der Fläche einer an dem ersten Glied vorhandenen Hauptskala 10 vorgesehen sind, während sich der Abstand von Spur zu Spur (um z. B. einen konstanten Wert Δ P) ändert, und daß, wie in der Fig. 3 gezeigt ist, periodische Gitter 42, 44, 46 und 48 mit dem Gitterabstand P, P₁, P₂ bzw. P₃, die den Gittern 22, 24, 26 und 28 an der Spur 12, 14, 16 bzw. 18 entsprechen, und deren Phasen an einem Bezugs punkt miteinander zusammenfallen, an Spuren 32, 34, 36 bzw. 38 auf der Fläche einer Einstellskala 30 ausgebildet sind, die als zweites Glied vor liegt. Wenn die erste Spur 12 bzw. 32 und die zweite Spur 14 bzw. 44 einen Nonius bilden, muß eine Forderung erfüllt werden, die, wie aus der Fig. 4 hervorgeht, durch eine Gleichung (1) wiedergegeben wird:

L₁ = (N + 1) P = N (P + Δ P) (1),

in der L₁ die von der ersten Spur 12 bzw. 32 und der zweiten Spur 14 bzw. 34 festgelegte Noniuslänge und N eine in gleicher Weise teilende, (natürli che) Zahl ist.

Wenn die zweite Spur 14 bzw. 34 und die dritte Spur 16 bzw. 36 einen Nonius bilden, muß in ähnlicher Weise, wie aus der Fig. 4 einleuch tet, eine Forderung erfüllt werden, die durch eine Gleichung (2) angegeben ist:

L₂ = (N + 2)(P + Δ P)
= (N + 1)(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) (2),

in der L₂ die von der zweiten Spur 14 bzw. 34 und der dritten Spur 16 bzw. 36 festgelegte Noniuslänge ist.

Wenn die dritte Spur 16 bzw. 36 und die vierte Spur 18 bzw. 38 einen Nonius bilden, muß in ähnlicher Weise eine Forderung erfüllt werden, die, wie aus der Fig. 4 hervorgeht, durch eine Gleichung (3), wie folgt, wiedergegeben wird:

L₃ = (N + 3)(P + 2Δ P)
= (N + 2)(P + 3Δ P)
= L₂ + 2(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) + 2(P + 2Δ P) (3),

in der L₃ eine von der dritten Spur 16 bzw. 36 und der vierten Spur 18 bzw. 38 festgelegte Noniuslänge ist.

Dann wird aus der Gleichung (1) die folgende Gleichung (4) ge bildet:

Δ P = P/N (4).

Die Parameter P₁, P₂ und P₃ werden von folgenden Gleichungen (5), (6) und (7) definiert:

P₁ = P + Δ P = [(N + 1)/N]P (5),
P₂ = P + 2Δ P = [(N + 2)/N]P (6),
P₃ = P + 3Δ P = [(N + 3)/N]P (7).

Im Ergebnis werden die Gleichungen (1), (2) und (3), wie folgt, ausgedrückt:

L₁ = (N + 1)P = NP₁ (1′),
L₂ = (N + 2)P = (N + 1)P₂
= L₁ + 2 P₁ (2′),
L₃ = (N + 3)P₂ = (N + 2)P₃
= L₂ + 2 P₂ = L₁ + 2 P₁ + 2 P₂ (3′).

Daher werden vier Phasen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ von Primärsignalen, die durch die Gitter in den vier Spuren relativ zum Bezugspunkt gewonnen werden, durch die folgenden Gleichungen (8), (9), (10) und (11) angegeben, falls eine Verschiebung gegenüber dem Bezugspunkt (Ursprung) x ist, (siehe Fig. 4):

⌀₀ = 2π (x/P) (8),
⌀∩ = 2π (x/P₁) (9),
⌀⊃ = 2π (x/P₂) (10),
⌀∍ = 2π (x/P₃) (11).

Als nächstes werden unter Verwendung der vier Phasen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ Sekundärsignale Φ₀, Φ₁, Φ₂ und Φ₃ als Phasendifferenz zwischen den Primärsignalen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ erhalten, wie die folgenden Gleichungen (12), (13) und (14) zeigen (siehe Fig. 5):

Φ₁ = ⌀₀ - ⌀₁ = 2π x(1/P - 1/P₁)
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P)
= 2π x(1/NP₁) = 2π (x/L₁) (12),

Φ₂ = ⌀₁ - ⌀₂ = 2π x(1/P₁ - 1/P₂)
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 2)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P₂)
= 2π (x/L₂) (13),

Φ₃ = ⌀₂ - ⌀₃ = 2π x(1/P₂ - 1/P₃)
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 3)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 2)] · (1/P₃)
= 2π (x/L₃) (14).

Unter Verwendung der Sekundärsignale Φ₁, Φ₂ und Φ₃ werden Ter tiärsignale μ₁ und μ₂ als Phasendifferenzen zwischen den Sekundärsignalen Φ₁, Φ₂ und Φ₃ erhalten, wie durch die folgenden Gleichungen (15) und (16) wiedergegeben wird (siehe Fig. 6):

μ₁ = Φ₁ - Φ₂ = 2π x(1/L₁ - 1/L₂)
= 2π x [2P₁/(L₁ · L₂)]
= 2π x <[2(N + 1)P ]/(NL₁ · L₂)< (15),

μ₂ = Φ₂ - Φ₃ = 2π x(1/L₂ - 1/L₃)
= 2π x [2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(N + 2)P ]/(NL₂ · L₃)< (16).

Unter Verwendung der Tertiärsignale μ₁ und μ₂ wird als Phasen differenz zwischen den Tertiärsignalen μ₁ und μ₂ ein Quartärsignal ψ erhal ten, das durch die folgende Gleichung (17) wiedergegeben wird (siehe Fig. 6):

ψ = μ₁ - μ₂
= 2f x [2P₁/(L₁ · L₂) - 2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x · 2[P₁/(L₁ · L₂) - P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(P₁ · L₃ - P₂ · L₁]/(L₁ · L₂ · L₃)< (17)

Wenn folgende Gleichungen (18) und (19) gebildet werden:

L₁₁ = (N + 2)/2 · L₁ = (N/2)L₂ (18),
L₁₂ = (N + 3)/2 · L₂ = (N + 1)/2 · L₃ (19),

wird eine Bedingung, wenn das Quartärsignal ψ den Wert 2π annimmt, nämlich ein maximaler Bereich L _max einer absoluten Positions-Anzeige durch die fol gende Gleichung (20) angegeben:

x(L _max) = L₁ · L₂ · L₃/[2(P₁ · L₃ - P₂ · L₁)]
= [N(N + 1) L₃]/6
= (N/3) · L₁₂ = (N + 3)/3 · L₁₁
= (N + 2) (N + 3)/6 · L₁
= (N + 1)) (N + 2) (N + 3)/6 · P (20).

Daher wird eine absolute Position x _Q eines zu erreichenden Punktes, z. B. eines Punktes Q aus dem Wert des Quartärsignals c innerhalb seines Bereiches von 0 bis 2π, das heißt, eines Bereiches der Verschiebung x von 0 bis L _max = (N + 3)/3 × L₁₁ mit Hilfe der folgenden Gleichung (21) erhalten, wie in der Fig. 1 gezeigt ist.

x _Q = L₁₁ + (N- 2)/2 x L₁ + (N- 2) · P + (⌀₀/2π) · P
= [(N + 1) (N + 2)]/2 · P + [(N - 2) (N + 1)]/2 · P
+ (N - 2) · P + (⌀₀/2π) · P (21).

Wenn der Gitterabstand P in der (ersten) Bezugsspur 12 bzw. 32 z. B. 60 µm und die in gleicher Weise teilende Zahl 60 betragen, dann werden mit Hilfe der Gleichungen (5), (6) und (7) die Gitterabstände P₁ = 61 µm, P₂ = 62 µm und P₃ = 63 µm erzielt. So ergibt sich aus der Gleichung (1) die Noniuslänge L₁ = 3660 µm bzw. aus der Gleichung (18) die Noniuslänge L₁₁ = 113460 µm. Die Länge des maximalen Meßbereiches L _max wird in diesem Fall nach der Gleichung (20) errechnet, und es wird L _max = 2382,66 mm erhal ten; auf diese Weise hat eine auf eine absolute Position beruhende Art eines linearen Verschiebungs-Detektors eine Meßlänge von gleich oder mehr als 2 m. In diesem Fall wird die Lage des willkürlichen Punktes x _Q, wenn ⌀₀ = π ist, aus der Gleichung (21), wie folgt, bestimmt:

x _Q = L₁₁ + [(N - 2)/2] · L₁ + (N - 2)P + (⌀₀/2f) P
= 223080 + (⌀₀/2π) × 60
= 223.110 µm.

Wenn der Gitterabstand P an der (ersten) Bezugsspur 12 bzw. 32 42 µm beträgt und die in gleicher Weise teilende Zahl N = 42 ist, dann sind die Gitterabstände P₁ = 43 µm, P₂ = 44 µm und P₃ = 45 µm. Somit wird aus der Gleichung (1) die Noniuslänge L₁ = 1806 µm und aus der Gleichung (18) wird die Noniuslänge L₁₁ = 39732 µm erhalten. Die Länge des maximalen Meßberei ches von L _max = 595,98 mm wird mit Hilfe der Gleichung (20) errechnet, womit eine auf einer absoluten Position beruhende Art eines linearen Verschie bungs-Detektors mit einer Länge des Meßbereiches von annähernd 600 mm erhal ten wird. Da der Gitterabstand vermindert ist, wird im Vergleich mit dem bekannten Fall die Meßgenauigkeit verbessert. Wenn ⌀₀ = π ist, wird aus der Gleichung (21) die Lage des willkürlichen Punktes x _Q, wie folgt, bestimmt:

x _Q = 77.532 + (⌀₀/2π) × 42
= 77553 µm.

Die Gleichungen (1), (2) und (3) beruhen auf einem einzigen angewendeten Prinzip, wenn die Gitterabstandsänderung Δ P konstant ist. Wenn jedoch unterschiedliche Gitterabstands-Änderungswerte Δ P, αΔ P und βΔ P in einem verallgemeinerten Fall eingesetzt werden, ist es ausreichend, den folgenden Gleichungen (22), (23) und (24) nachzukommen, die kompliziertere Berechnungen erfordern können:

L₁ = (N + 1)P = N(P + Δ P) (22),
L₂ = (N + 2) (P + Δ P) = (N + 1)(P + αΔ P) (23),
L₃ = (N + 3)(P + αΔ P) = (N + 2)(P + bΔ P) (24).

Die Anzahl der Spuren ist ebenfalls nicht auf 4 beschränkt, sie kann 3, 5 und mehr sein. Falls z. B. die Spurenzahl mit 3 festgesetzt ist, kann die absolute Position dem Tertiärsignal μ₁ entnommen werden, das die Phasendif ferenz zwischen den Sekundärsignalen Φ₁ und Φ₂ ist.

Gemäß der vorliegenden, oben erläuterten Erfindung kann eine absolute Position auf der Grundlage analoger Signale abgefühlt werden, ohne daß wie im Fall der codierenden Detektorart beim Auftreten eines Anzeige fehlers ein beträchtlicher Meßfehler eingeht. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, Zwischenräume in den Gittern auf mehreren Spuren auszu gleichen, damit die Konstruktion insbesondere in dem Fall eines optischen Verschiebungs-Detektors durch eine gemeinsame Anwendung einer Lichtquelle und einer Anzeigeskala vereinfacht werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist für optische Verschiebungs-Detektoren deswegen geeignet, weil sie Zwischenräume in den Gittern auf den jeweiligen Spuren auszugleichen imstande ist. Das Anzeigeverfahren ist je doch nicht auf die optische Art Verschiebungs-Detektoren begrenzt, und die vorliegende Erfindung ist auf andere lineare oder Drehcodierer, z. B. solche mit einer magnetischen bzw. elektromagnetischen Induktionsbauweise oder mit einer kapazitiven Bauart usw. anwendbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das genaue Wesen dieser Erfindung sowie ihre Ziele und Vorteile gehen ohne weiteres aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung hervor, die sich auf die Zeichnungen bezieht, in denen gleiche Bezugs zeichen dieselben oder ähnliche Teile in allen Figuren bezeichnen:

Fig. 1 ist eine Auftragung, die das Meßprinzip zeigt, das von einem Verschiebungs-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;

Fig. 2 ist ein Grundriß der Fläche einer Hauptskala, die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 3 ist ein Grundriß der Fläche einer Strichskala bei dieser Ausführungsform;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das Beispiele von Primärsignalen die ser Ausführungsform zeigt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das Beispiele für Sekundärsignale bei dieser Ausführungsform angibt;

Fig. 6 ist ein Diagramm, das Beispiele für Tertiär- und Quartär signale bei dieser Ausführungsform aufzweigt;

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die die gesamte Konstruk tion eines Verschiebungs-Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 8 ist ein Grundriß für ein Beispiel, bei der obigen Aus führungsform Gitter der Anzeigeskala anzuordnen;

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer in der Ausführungsform benutzten, eine absolute Verschiebung abfühlenden Schaltung;

Fig. 10 ist ein Flußbild, das die Arbeitsweise der Ausführungs form anschaulich macht;

Fig. 11 ist ein Flußbild, das eine Methode zum Errechnen einer absoluten Position mit Hilfe eines zentralen Prozessors angibt.

Beschreibung der günstigen Arbeitsweisen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sei anschlie ßend ein linearer, optischer, auf Transmissionen beruhender Verschiebungs- Detektor ausführlich beschrieben, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Wie in der Fig. 7 veranschaulicht ist, ist diese Ausführungsform mit einer z. B. von einer lichtemittierenden Diode 50 gebildeten Licht quelle und mit einer Kollimatorlinse 52 versehen, die der Beleuchtung die nendes Licht, das von einem als Lichtquelle wirksamen Abschnitt 50 A der Diode 50 radial durch ein Glasfenster 50 B emittiert wird, in paral lele Strahlen umlenkt.

Die von der Kollimatorlinse 52 umgelenkten, parallelen Strahlen fallen auf die Einstellskala 30 mit Teilstrichen, z. B. auf diejenige, die in der Fig. 3 dargestellt ist. Wie in der Fig. 8 Einzelheiten bezüglich der Anordnung von Fenstern der Einstellskala 30 zeigen, weist die Einstell skala 30 paarweise in ihrer Bewegungsrichtung in einem Abstand d₁, d₂, d₃ bzw. d₄ voneinander angebrachte Gitter 42 A, 42 B; 44 A, 44 B; 46 A, 46 B; 48 A, 48 B auf. Die Abstände d₁ bis d₄ sind derart festgesetzt, daß zwischen jedem Gitterpaar eine Phasendifferenz von 90° entsteht, wie beispielsweise durch die folgenden Gleichungen (25), (26), (27) und (28) wiedergegeben wird, in denen m₁, m₂, m₃ und m₄ ganze Zahlen bedeuten:

d₁ = m₁P + (1/4)P (25),
d₂ = m₂P₁ + (1/4)P₁ (26),
d₃ = m₃P₂ + (1/4)P₂ (27),
d₄ = m₄P₃ + (1/4)P₃ (28).

Bei dieser Ausführungsform sind die Gitterpaare der Einstell skala 30 mit einer zwischen ihnen vorgegebenen Phasendifferenz von 90° ver sehen, damit bei einer Relativbewegung der Hauptskala 10 und der Einstell skala 30 aus den vier Spuren mit einer Phasendifferenz von 90° acht Signale erhalten werden, um innerhalb des Bereiches von 0° bis 90° eine Division mit einer Interpolation auszuführen oder innerhalb des Interpolationsbereiches eine wahlweise Unterscheidung zu treffen.

Das der Beleuchtung dienende Licht, das durch die Einstellskala 30 hindurchgefallen ist, fällt auf die Hauptskala 10 mit den Teilstrichen, wie z. B diejenigen in der Fig. 2. Wie oben beschrieben, sind auf der Hauptskala 10 die vier Spuren 12, 14, 16 und 18 ausgebildet.

Das der Beleuchtung dienende Licht, das durch die Hauptskala 10 hindurchgefallen ist, wird, z. B. auf vier Paare (nämlich insgesamt acht) Lichtempfangselemente 60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B gelenkt, die jeweils entsprechend den Gitterpaaren 42 A, 42 B; 44 A, 44 B; 46 A, 46 B; 48 A, 48 B der Einstellskala 30 den Spuren angepaßt sind. Daher werden zwei Sinus wellen, deren Phasen sich um 90° voneinander unterscheiden, aus jeder Spur erhalten, wenn sich die Einstellskala 30 und die Hauptskala 10 relativ zu einander bewegen.

Wie in der Fig. 9 gezeigt ist, sind die von den Lichtempfangs elementen 60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B abgegebenen Signale über je einen Vorverstärker 70 A, 70 B; 72 A, 72 B; 74 A, 74 B; 76 A, 76 B geleitete Eingangssignale einer eine absolute Verschiebung anzeigenden Schaltung 80. Diese Schaltung 80 wird von einem Prüf- und Haltekreis 82, einem Multiplexer 84, einem Analog/Digital-Umsetzer 86, einem zentralen Prozessor 88 und zu sammengefaßten Steuer-/Datenleitungen 90 gebildet. In den Prozessor 88 werden Konstanten einschließlich des oben erwähnten Gitterabstandes P und der in gleicher Weise teilenden Zahl N eingesetzt.

Ferner sind ein Berührungssensor 92 zur Anzeige der Meßzeiten und zur Ausgabe eines Signals außerhalb der eine absolute Verschiebung an zeigenden Schaltung 80 und ein visueller Relativbewegungs-Anzeiger 94 zur direkten Sichtbarmachung eines vom zentralen Prozessor 88 erzielten Rechen ergebnisses, nämlich eines auf einer absoluten Position beruhenden Meßwertes oder ein Steuergerät 94 vorgesehen, um das Maß der Einführung eines Werkzeu ges in Abhängigkeit von diesem Meßwert zu beeinflussen.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform sei unten unter Bezug nahme auf die Fig. 10 hinsichtlich eines Falles beschrieben, bei dem die Hauptskala 10 und die Einstellskala 30 an einer Werkzeugmaschine oder dgl. angebracht sind und relativ zueinander bewegt werden.

Wenn in einem Arbeitsschritt 100 ein Auslösesignal vom Berüh rungssensor 92 herangeführt wird, um einen Anfangspunkt der Messung festzu legen, gibt der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 102 an den Prüf- und Haltekreis 92 einen Haltebefehl über die zusammengefaßten Steuer-/ Datenleitungen 90 aus. In einem Arbeitsschritt 104 hält der Prüf- und Halte kreis 82 Lichtempfangssignale, nämlich analoge elektrische Signale fest, die von den Ausgangsklemmen der Vorverstärker 70 A, 70 B; 72 A, 72 B; 74 A, 74 B; 76 A, 76 B zugeleitet werden. Unter dem Befehl des zentralen Prozessors 88 nimmt in einem Arbeitsschritt 106 der Multiplexer 84 die Lichtempfangssigna le an, die in einem Arbeitsschritt 108 von dem Analog/Digital-Umsetzer 86 in digitale Signale umgewandelt und anschließend in den zentralen Prozessor 88 eingegeben werden. Unter Benutzung der oben erwähnten Gleichungen (8) bis (17) errechnet der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 110 die Primärsignale (also die Phasen) ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃, die Sekundärsignale Φ₁, Φ₂ und Φ₃, die Tertiärsignale μ₁ und μ₂ und das Quartärsignal ψ sowie die Phase (⌀₀/2π) × P in dem ersten Gitter 22, womit die absolute Position des Anfangspunktes der Messung ausgelesen wird.

In einem Arbeitsschritt 112 werden die Hauptskala 10 und/oder die Einstellskala 30 zu einem Endpunkt der Messung, nämlich zu einem Ziel punkt verschoben. Danach wird in Arbeitsschritten 200 bis 210 eine Bearbei tung fortgeführt, die der durch die Arbeitsschritte 100 bis 110 festgelegten Bearbeitung ähnlich ist, womit die absolute Position des Endpunktes der Mes sung ausgelesen wird.

Schließlich wird in einem Arbeitsschritt 212 z. B. die Differenz zwischen dem Anfangs- und Endpunkt der Messung, nämlich die Strecke der Relativbewegung als Meßwert erhalten.

In dem Arbeitsschritt 110 oder 210 erfolgt eine Bearbeitung in einem Arbeitsgang, der z. B. in der Fig. 11 veranschaulicht ist.

Das heißt, wenn in einem Arbeitsschritt 300 aus dem Analog/Digi tal-Umsetzer 86 die Lichtempfangssignale in digitaler Form, wie folgt, her angeführt werden:

sin(2π x/P) (=sin ⌀₀),
sin(2π x/P - π/2) [= sin(⌀₀ - 90°)],
sin(2π x/P₁) (= sin ⌀₁),
sin(2π x/P₁ - π/2) [= sin(⌀₁ - 90°)],
sin(2π x/P₂) (= sin ⌀₂),
sin(2π x/P₂ - π/2) [= sin(⌀₂ - 90°)],
sin(2π x/P₃) (= sin ⌀₃),
sin(2π x/P₃ - π/2) [= sin(⌀₃ - 90°)].

zieht der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 302 die Phasenkompo nenten ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ heraus.

In den Schritten 304 bis 308 werden die oben erwähnten Gleichun gen (12) bis (17) errechnet, um nacheinander die sechs folgenden Funktions werte zu erhalten, die den Phasendifferenzen entsprechen:

Φ₁ (= ⌀₀ - ⌀₁),
Φ₂ (= ⌀₁ - ⌀₂),
Φ₃ (= ⌀₂ - ⌀₃),
μ₁ (= Φ₁ - Φ₂),
μ₂ (= Φ₂ - Φ₃),
ψ (= μ₁ - μ₂).

In einem Arbeitsschritt 310 und den nachfolgenden Arbeitsschrit ten werden unter Benutzung der oben erwähnten Gleichung (21) Berechnungen ausgeführt. Das heißt, im Arbeitsschritt 310 wird zuerst der Wert a der fol genden Gleichung (29), also die Nummer eines Zyklus unter den Zyklen des nie derrangigen Tertiärsignals μ₁ mit der Periode L₁₁ erhalten, bei der der Wert des höchstrangigen Quartärsignals ψ liegt:

2π[3/(N + 3)] a ≦ ψ < 2π[3/(N + 3)] (a + 1) (29).

Die folgende Berechnung wird unter Benutzung des so erhaltenen Wertes a durchgeführt, es wird ein Wert mit Hilfe einer Gleichung (30) er rechnet, der dem ersten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Glei chung (21) entspricht:

aL₁₁ = a [ (N + 1) (N + 2)/2]P (30).

Die Werte der Konstanten P und N wurden zuvor in den zentralen Prozessor 88 eingesetzt.

Die Bearbeitung geht dann zu einem Arbeitsschritt 312 weiter, dabei wird der Wert b in der folgenden Gleichung (31), nämlich die Nummer eines Zyklus unter den Zyklen des niederrangigen Sekundärsignals Φ₁ mit der Periode (Noniuslänge) von L₁ erhalten, bei der der Wert des höherrangigen Tertiärsignals μ₁ liegt:

2π[2/(N + 2)] b ≦ m₁ < 2π[2/(N + 2)] (b + 1) (31).

Die folgende Berechnung wird unter Benutzung des so erhaltenen Wertes b ausgeführt, und es wird ein Wert erhalten, der dem zweiten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21) entspricht:

bL₁ = b(N + 1)P (32).

Die Bearbeitung geht dann zu einem Arbeitsschritt 314 weiter; dabei wird der Wert c durch die folgende Gleichung (33), nämlich die Nummer eines Zyklus unter den Zyklen des niederrangigsten Primärsignals ⌀₀ der Pe riode (Gitterabstand) P erhalten, bei der der Wert des höherrangigen Sekun därsignals Φ₁ liegt:

2π[1/(N + 1)]c ≦ Φ₁ < 2π[1/(N + 1)] (c + 1) (33).

Unter Verwendung des so erhaltenen Wertes c wird ein Wert, der dem dritten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21) entspricht, nämlich der Wert cP berechnet.

Dann geht die Bearbeitung zu einem Arbeitsschritt 316 weiter, und es wird aus dem Wert des Primärsignals ⌀₀ ein Wert berechnet, der dem vierten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21), näm lich ⌀₀/2π P entspricht.

Die Bearbeitung läuft dann zu einem Arbeitsschritt 318 weiter, und die ab solute Position wird mit Hilfe der folgenden Gleichung (34) berechnet:

x = aL₁₁ + bL₁ + cP+ (⌀₀/2f )P (34).

Der Grund für die Anwendung der doppeltphasigen Sinussignale mit einer Phasendifferenz von 90° hinsichtlich jeder Spur liegt bei dieser Ausführungsform darin, daß insbesondere eine mit einer Interpolation einher gehende Division innerhalb eines Bereiches des minimalen Gitterabstands- Bezugssignals ⌀₀ von 0° bis 90° und/oder eine wahlweise Unterscheidung inner halb dieses Interpolationsbereiches ausgeführt werden, um die Auflösung weiter zu verbessern. Da die Division mit der Interpolation und/oder die wahlweise Unterscheidung in einer Position des minimalen Gitterabstandes besonders notwendig sind, ist es möglich, hinsichtlich der zweiten bis vier ten Spuren Einphasensignale zu benutzen. Falls die Notwendigkeit für eine Division mit Interpolation und/oder die wahlweise Unterscheidung hinsichtlich der ersten Spur entfällt, können bezüglich aller Spuren nur Einphasen signale vorgesehen werden.

Eine Funktion, mit Hilfe der absoluten Position aus dem Ursprung die gegenwärtige Position zu berechnen und die damit berechnete Position, ohne die absolute Position des Anfangspunktes der Messung zu speichern, visuell wiederzugeben, und/oder eine Funktion, so positive und negative Richtung zu vertauschen, kann, wenn gewünscht, in Abhängigkeit von einem von außen herangeführten, äußeren Signal durch den zentralen Prozessor 88 festgesetzt werden.

Bei dieser Ausführungsform werden die Lichtempfangssignale, die sich auf den Anfangs- und Endpunkt der Messung beziehen, geprüft und unter Benutzung der vom Berührungssensor 92 abgegebenen Signale festgehalten, damit die Messung schnell und leicht durchgeführt werden kann. Es ist aber auch möglich, den Berührungssensor 92 zu entfernen.

Bei der oben erläuterten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf einen linearen, optischen Verschiebungs-Detektor mit Licht durchgang angewendet. Die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf diese Art Verschiebungs-Detektor beschränkt, sondern die vorlie gende Erfindung kann auch auf einen mit Lichtreflexionen arbeitenden Ver schiebungs-Detektor oder einen Drehcodierer angewendet werden. Auch ist das Anzeigeverfahren nicht auf ein optisches begrenzt, und es leuchtet ein, daß die vorliegende Erfindung auf einen magnetischen Codierer, der eine magne tische Skala verwendet, einen mit elektromagnetischer Induktion arbeitenden Codierer, einen kapazitiv betriebenen Codierer usw. angewendet werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Nachweis von Verschiebungen in Form eines Ver schiebungs-Detektors, enthaltend:

a) ein erstes Glied (10), das mit mindestens drei periodischen Git tern (22, 24, 26, 28) von gleichem Gitterabstand versehen ist, die mindestens drei Spuren (12, 14, 16, 18) bilden, deren Abstand (P, P₁, P₂, P₃) sich et was von Spur zu Spur ändert,
b) ein zweites Glied (30), in dem periodische Gitter (42, 44, 46, 48) mit Abständen (P, P₁, P₂, P₃), die den Gittern in den jeweiligen Spuren des ersten Gliedes entsprechen, in jeweiligen Spuren (32, 34, 36, 38) aus gebildet sind,
c) Hilfsmittel zur Anzeige (60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B) hinsichtlich jeder Spur, wobei ein Primärsignal durch eine Wechselwirkung zwischen den Gittern an den einander entsprechenden Spuren gebildet wird, und
d) Hilfsmittel (80) zur Gewinnung von Sekundärsignalen (Φ₁, Φ₂, Φ₃) durch Errechnen von Phasendifferenzen zwischen den Primärsignalen (⌀₁, ⌀₂, ⌀₃, ⌀₄), wobei die relatie Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Glied in einer absoluten Position auf der Grundlage von mindestens Phasen differenzen zwischen den Sekundärsignalen angezeigt wird.

2. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem die jeweiligen Gitter von unterschiedlichen Spuren Abstände aufweisen, die sich voneinander durch einen konstanten Wert (Δ P) unterscheiden.

3. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 2 angegeben, bei dem die Gitter vier Spuren bilden und die Gitterabstände (P₁ bis P₃) der zwei ten bis vierten Spur jeweils, wie folgt, eingestellt sind: P₁ = [(N + 1)/N ]P,
P₂ = [(N + 2)/N ]P,
P₃ = [(N + 3)/N ]P,wobei P der Gitterabstand der ersten als Bezugsspur dienenden Spur und N eine in gleicher Weise teilende Zahl (natürliche Zahl) sind.

4. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem die jeweiligen Gitter von unterschiedlichen Spuren Abstände aufweisen, die sich voneinander durch einen unterschiedlichen Wert (Δ P, αΔ P, βΔ P) unter scheiden.

5. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem die Phasen der Gitter an einem Bezugspunkt (x = 0) miteinander zusammen fallen.

6. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem die Gitter wenigstens in einer Spur (32) bei minimalem Abstand (P) des zwei ten Gliedes (30) ein Gitterpaar (42 A, 42 B) enthalten, bei dem zwischen den beiden Gittern eine Phasendifferenz von 90°C gegeben ist.

7. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem Primärsignale geprüft und unter Benutzung von Signalen aus einem Berührungs sensor (91) festgehalten werden, der sie an einem Anfangs- und Endpunkt der Messung abgibt.

8. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem die Gitter optische Gitter sind.