DE7341086U - Device for determining the position of a movable object - Google Patents
Device for determining the position of a movable objectInfo
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Dtpt-Ιης. K. LAMP 5ZCHT Patent attorney »DfpMng. R. BEETZ «en.
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Dr.-Ing. R. Ώ E TZ T 2 Jr.
β Münchan 22, Sfeinsdorfstr. 10Dr.-Ing. R. Ώ E TZ T 2 Jr.
β Münchan 22, Sfeinsdorfstr. 10
310-21.72OH-HdE G 73 m 086.5 22. Januar 1975310-21.72OH-HdE G 73 m 086.5 January 22, 1975
Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen GegenstandesDevice for determining the position of a movable object
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand, auf dem eine Meßskala befestigt ist, und die insbesondere die Messung der Lageänderung eines beweglichen Gegenstandes gestattet.The invention relates to a device for determining the position of a movable object by comparison with another object on which a measuring scale is attached, and which in particular measures the change in position a movable object.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei Vorrichtungen zur Weglängenmessung verwendet, die bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.The present invention is used in particular in devices for path length measurement, which are numerically controlled machine tools are used.
Um die Lage eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand zu bestimmen, beispielsweise um die Lageänderungen des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine zu messen, befestigt man im allgemeinen eine Meßskala auf einem der Gegenstände, vor dem sich ein Meßorgan befindet, welches auf dem anderen Gegenstand befestigt ist.To determine the position of a moving object by comparing it with another object, for example To measure the changes in position of the tool slide of a lathe, one generally attaches a Measuring scale on one of the objects, in front of which there is a measuring element which is attached to the other object is.
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Zum direkten Ablesen einer abgestuften Skala kann man einen einfachen Nonius durch Verschieben längs der Skala verwenden, doch kann man damit bekanntlich nur mit einer Genauigkeit bis ungefähr 1/20 nun ablesen.To read a graduated scale directly, you can use a simple vernier by moving it along the scale use, but it is well known that you can only read it with an accuracy of up to about 1/20.
Da der Wunsch nach einer Messung der Lageänderungen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 10 mm oder von ΙΟ*-5 mm ( ,um) besteht, ist man daher dazu übergegangen, die Skala optisch zu vergrößern, derart, daß die Ablesung nicht mehr direkt auf der Skala, sondern auf einer vergrößerten Skalenabbildung erfolgt. Es ist offensichtlich, daß man damit eine wesentlich höhere Ablesegenauigkeit erzielen kann. Andererseits erfolgt diese Vergrößerung mittels einer optischen Abbildung der Skala auf eine von der betreffenden Maschine entfernte Ablesefläche. Das Leseorgan, beispielsweise ein Interpolationskreis in einem optischen Lesegerät, ist daher von der Maschine entfernt, und läuft nicht Gefahr, schlechten Arbeitsbedingungen ausgesetzt zu sein. Indessen besitzt die Vergrößerung den Nachteil, daß sie eine gewisse Verzerrung mit sich bringt, welche eine Begrenzung der Fläche des optischen Systems erfordert. Diese Verzerrung kann sehr unangenehm sein, da das Interpolationsorgan eine feste Unterteilung von Markierungen besitzt, welche der Unterteilung des Skalenbildes entsprechen müssen.Since there is a desire to measure the changes in position with an accuracy of the order of magnitude of 10 mm or ΙΟ * - 5 mm (.mu.m), one has therefore switched to optically enlarging the scale so that the reading is no longer direct on the scale, but on an enlarged scale image. It is obvious that a much higher reading accuracy can be achieved with this. On the other hand, this enlargement takes place by means of an optical image of the scale on a reading surface remote from the machine in question. The reading element, for example an interpolation circle in an optical reading device, is therefore removed from the machine and does not run the risk of being exposed to poor working conditions. However, the enlargement has the disadvantage that it introduces some distortion, which requires limitation of the area of the optical system. This distortion can be very unpleasant since the interpolation element has a fixed subdivision of markings which must correspond to the subdivision of the scale image.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Lagebestimmung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Ableseorgan in einer vom Skalenträger entfernten Ebene angeordnet ist und dennoch ein ausreichendesThe object of the invention is to provide a device for determining the position of the type mentioned at the beginning create whose reading element is arranged in a plane remote from the scale carrier and yet a sufficient one
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Beobachtungsfeld aufweist, um einen beträchtlichen Teil des Skalenträgers zu erfassen.Field of view has to a considerable part of the To capture scale holder.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst insbesondere durch den Schutzanspruch 1.According to the invention, the object is achieved in particular by protection claim 1.
Zweckmäßigerweise besteht jeder Photodetektor aus einem rechteckigen Streifen, dessen Länge der des Beobachtungsfeldes, beispielsweise 20 - 25 mm, entspricht, wobei die verschiedenen Streifen nebeneinander und quer zu den Strichen der Skalenabbildung angeordnet sind. Jeder dieser Streifen kann auf diese Weise mehrere Teilstriche der Skalenabbildung überdecken.Each photodetector expediently consists of a rectangular strip, the length of which corresponds to that of the observation field, for example 20-25 mm different strips are arranged side by side and at right angles to the lines of the scale image. Each of these In this way, stripes can cover several tick marks of the scale image.
Dieser Vorteil ist sehr wichtig, da sich, wenn man mit einem verringerten Beobachtungsfelö arbeitet, Schmutz oder beispielsweise (Metall-)Späne auf dem Skalenträger vor dem Wegaufnehmer festsetzen und das Ablesen unmöglich machen können. Mit einem Beobachtungsfeld, welches mehrere Teilstriche der Skala bedeckt, ist das Ablesen stets möglich, selbst wenn die Skala verschmutzt ist. Weiterhin kann man unter aer Voraussetzung, daß man mehrere Striche der Skala auf einmal sieht, eine Integration durchführen und durch Mittelung den Einfluß von örtlichen Gravierungsfehlern sehr verringern.This advantage is very important because if you work with a reduced observation field, dirt will build up or, for example, fix (metal) chips on the scale carrier in front of the displacement transducer and make reading impossible can. With an observation field that covers several graduation marks on the scale, reading is always possible, even when the scale is dirty. Furthermore, one can, provided that one has several lines of the scale at once sees, perform an integration and reduce the influence of local engraving errors very much by averaging.
Bekanntlich variiert die Ablesegenauigkeit mit l/y~n, wobei ή die Anzahl der gleichzeitig ausgewerteten Teilstriche darstellt.As is well known, the reading accuracy varies with l / y ~ n, where ή represents the number of tick marks evaluated at the same time.
Es ist schließlich noch zu betonen, daß das Linsensystem mit einer gleichbleibenden Vergrößerung arbeitet. AufgrundFinally, it should be emphasized that the lens system works with a constant magnification. Because of
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dieses gleichbleibenden Wertes führt eine Veränderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und der vorderen Linsensystemhälfte zur kleinsten Veränderung der Unterteilung des Skalenbildes. Aus diesem Grunde bleibt die Unterteilung der Markierungen des Rasters und der Gang- bzw. Phasenunterschied zwischen den Elementen bzw. Zellen der Ableseeinrichtung in Übereinstimmung mit der Unterteilung des Skalenträgers selbst für den Fall einer leichten Verformung des Skalenträgers oder eines Führungsfehlers mit einer geringen Änderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und dem Wegaufnehmer.this constant value leads to a change in the distance between the scale carrier and the front half of the lens system for the smallest change in the subdivision of the scale image. For this reason, the subdivision remains the Markings of the grid and the rate or phase difference between the elements or cells of the reading device in accordance with the division of the scale support even in the case of slight deformation of the scale support or a guiding error with a small change in the distance between the scale carrier and the Displacement transducer.
Da man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem großen Beobachtungsfeld arbeitet, kann man wesentlich leichter die Eichsysteme verwenden, bei denen der Skalenträger mehrere übereinander gelagerte Skalen mit sich überkreuzenden Unterteilungen aufweist. Bis heute war man bei diesen Systemen gezwungen, den Wegaufnehmer noben dem Skalenträger anzuordnen, um gleichzeitig die verschiedenen Skalen ablesen zu können. Dank des besonders großen Beobachtungsfeldes der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es trotz Verwendung einer optischen Abbildung, bei welcher der Wegaufnehmer von dem Skalenträger entfernt ist, möglich, einen ziemlich großen Abschnitt des Skalenträgers zu erfassen und so sämtliche Skalen auszuwerten.Since one works with a large observation field with the device according to the invention, one can do much more easily who use calibration systems in which the scale carrier crosses several superimposed scales Has subdivisions. Until today, with these systems one was forced to place the displacement transducer next to the scale carrier to be arranged in order to be able to read the different scales at the same time. Thanks to the particularly large observation field of the In spite of the use of an optical image, it is the device according to the invention in which the displacement transducer of the The scale carrier is removed, it is possible to capture a fairly large section of the scale carrier and so all Evaluate scales.
Selbstverständlich bleibt die Größe des Beobachtungsfeldes durch die Einsatzbedingungen begrenzt. In der Praxis wird man eine solche Größe wählen, daß der PhasenunterschiedOf course, the size of the observation field is limited by the conditions of use. In practice one will choose such a size that the phase difference
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der optischen Informationen die Amplitude der photoelektrischen Signale nur in den Grenzen beeinflußt, welche mit ihrer Auswertung vereinbar sind.of the optical information influences the amplitude of the photoelectric signals only within the limits which are associated with their evaluation are compatible.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen optischen Systems zur Projektion eines Skalenbildes; Fig. 1 is a schematic view of the invention optical system for projecting a scale image;
Fig. 2 e5„nen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagebestimmung; und2 and 5 a longitudinal section through an exemplary embodiment a device according to the invention for orientation; and
Fig. 3 einen Schnitt III-III in Fig. 2.FIG. 3 shows a section III-III in FIG. 2.
Fig. 1 zeigt schematisch einen abgestuften Skalenträger 1, welcher auf einem Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugtisch, befestigt ist, sowie eine Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung, welche auf einem anderen Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugschlitten, befestigt ist und die Bestimmung der Lage des Werkzeugschlittens durch Vergleich mit dem Skalenträger 1 gestattet.Fig. 1 shows schematically a graduated scale carrier 1, which on a machine part, for example a Tool table, is attached, as well as a device 2 for position determination, which on another machine part, for example a tool slide, is attached and the determination of the position of the tool slide by comparison with the scale carrier 1 permitted.
Die Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung enthält ein optisches Abbildungssystem 3 sowie einen Wegaufnehmer M.The device 2 for determining the position contains an optical imaging system 3 and a displacement transducer M.
Erfindungsgemäß ist als optisches Abbildungssystem 3 ein Linsensystem vorgesehen, das mit einer VergrößerungAccording to the invention, the optical imaging system 3 a lens system is provided that works with a magnification
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gleich -1 arbeitet und welches beispielsweise aus zwei spiegelsymmetrischen "Linsensystemhälften 31, 32 mit der gleichen Brennweite zusammengesetzt sein kann. Der Skalenträger 1 ist in der Objekt-Brennebene der Linsensystemhälfte 31 angeordnet, und die Ablesung erfolgt beispielsweise mittels einer Maske oder eines Rasters bzw. Gitters 41 in der Bild-Brennebene iJO der Linsensystemhälfte 32.works equal to -1 and which, for example, consists of two mirror-symmetrical "lens system halves 31, 32 with the can be composed of the same focal length. The scale carrier 1 is in the object focal plane of the lens system half 31, and the reading takes place, for example, by means of a mask or a grid or grid 41 in the image focal plane iJO of the lens system half 32.
Der Skalenträger 1 wird in vorteilhafter Weise durch eine Beleuchtungsquelle 50 beleuchtet, deren Kondensor 51 ein Bild auf einem halbreflektiescenden Spiegel 52 in der Bild-Brennebene der Linsensystemhälfte 31 erzeugt, wodurch die Beleuchtung des Skalenträgers 1 im parallelen Strahlengang ermöglicht ist.The scale carrier 1 is illuminated in an advantageous manner by an illumination source 50 whose condenser 51 an image on a semi-reflective mirror 52 in FIG Image focal plane of the lens system half 31 is generated, whereby the illumination of the scale carrier 1 in the parallel beam path is made possible.
Die Lin3ensystemhälften 31 und 32 sind aus Gruppen von identischen und symmetrischen Linsen aufgebaut; indessen enthält wenigstens das eine der beiden Linsenhälften, beispielsweise die Linsensystemhälfte 32, eine Einrichtung 320 zur Brennpunkteinsteilung, so daß man mit Genauigkeit eine Vergrößerung gleich -1 erzielen kann. Auf diese Weise erzeugt das Linsensystem in der Ebene 40 ein reelles Bild des Skalenträgers 1 mit identischer Abmessung. Insbesondere ist die Unterteilung des Skalenbildes absolut identisch mit der Unterteilung der auf der Maschine befestigten Skala. Man kann daher ohne die Gefahr von Fehlern die Messung mittels eines Wegaufnehmers durchführen.The lens system halves 31 and 32 are made up of groups of identical and symmetrical lenses; meanwhile contains at least one of the two lens halves, for example the lens system half 32, a device 320 for focusing, so that you can with accuracy can achieve a magnification equal to -1. In this way, the lens system creates a real image in plane 40 of the scale carrier 1 with identical dimensions. In particular, the subdivision of the scale image is absolutely identical to the subdivision of the scale attached to the machine. You can therefore take the measurement without the risk of errors of a displacement transducer.
Da man mit einer Vergrößerung gleich 1 arbeitet, kann man das optische System mit einem so großen Beobachtungs-Since one works with a magnification equal to 1, one can use the optical system with such a large observation
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feld ausbilden, daß insbesondere jeder Photodetektor des Ablesesystems in die Lage versetzt ist, eine Fläche bis zu 20 mm der Skala ohne die Gefahr einer Verzerrung des Bildes zu überwachen.Form field that in particular each photodetector of the reading system is able to cover an area up to Monitor 20 mm of the scale without the risk of distorting the image.
In Fig. 2 und 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In Fig. 2 and 3, a particular embodiment of the invention is shown.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht t ist das Linsensystem aus Platzgründen mit einem geknickten Strahlengang ausgebildet, wobei die beiden Linsensystemhalter 31 und 32 symmetrisch bezüglich einer Senkrechten zu der Ebene eines Spiegels 6 angeordnet sind. Jede Linsensystemhälfte enthält eine in einem Gehäuse angeordnete Linse 310, welche bezüglich dem Ganzen so verstellbar ist, daß die Brennebene der Linsensystemhälfte genau eingestellt werden kann.As is apparent from Fig. 2 t, the lens system for reasons of space is formed with a bent beam path, wherein the two lens system holders 31 and 32 are arranged a perpendicular to the plane of a mirror symmetrical with respect to 6. Each lens system half contains a lens 310 which is arranged in a housing and which is adjustable with respect to the whole in such a way that the focal plane of the lens system half can be precisely adjusted.
Man erkennt in gleicher Weise in Fig. 2 die Beleuchtungsquelle 50, die über einen dazwischenliegenden Kondensor 51 und unter Zwischenschaltung eines Spiegels 60 die Skala nach Art eines sogenannten "Halbpupillen"-Systems beleuchtet.The illumination source 50 can be seen in the same way in FIG. 2, which via an intermediate condenser 51 and with the interposition of a mirror 60, the scale is illuminated in the manner of a so-called "half-pupil" system.
Man erkennt, daß das Beobachtungsfeld F, welches durch die Vorrichtung gesehen werden kann, praktisch den gleichen Abstand von der vorderen Linse der Bildlinsenhälfte 31 aufweist wie der Skalenträger 1.It can be seen that the observation field F, which by the device can be seen has practically the same distance from the front lens of the image lens half 31 as the scale carrier 1.
In Fig. 3 sind die Linsensystemhälfte 32 und der Wegaufnehmer 4 dargestellt, welcher eine gewisse Anzahl von Elementen enthält, welche die Ablesung des Skalenbildes ge-In Fig. 3, the lens system half 32 and the displacement transducer 4 are shown, which a certain number of Contains elements that make the reading of the scale image
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macht werden.power will be.
statten, das nach der Reflexion an einem Spiegel j2 in der Ebene einer eingravierten Maske 41 erzeugt wird.equip that after reflection on a mirror j2 in the Plane of an engraved mask 41 is generated.
Die Erfindung kann auch bei anderen gleichwertigen Systemen angewandt werden.The invention can also be applied to other equivalent systems.
So kann, wenn man andere Linsensysteme der Vergrößerung 1 verwendet, die Anordnung der Vorrichtungsteile verändert werden, ohne daß das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung verändert wird.Thus, when using other lens systems of magnification 1, the arrangement of the device parts can be changed without changing the principle of the device according to the invention.
Ferner können die vom Ableseorgan erzeugten Informationen, welche unmittelbar für die Positionierung einer Maschine durch einen numerischen Befehl verwendet werden, durch alle beliebigen Einrichtungen für eine direkte Ablesung gut sichtbar ge-Furthermore, the information generated by the reading device, which can be used directly for the positioning of a machine a numerical command can be used, clearly visible by any equipment for a direct reading
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Claims (1)
Meßskala befestigt ist, mit einem optischen System zur Projektion eines Bildes der Meßskala auf eine Ableseebene und
mit einem Ableseorgan in der Ebene des Skalenbildes,
dadurch gekennzeichnet, daß das
optische System ein Linsensystem der Vergrößerung -1 ist;
und daß das Ableseorgan (1O ein Wegaufnehmer ist, der aus
mehreren rechteckigen Photodetektoren zusammengesetzt ist,
deren Länge mehreren Teilstrichen bzw. -stufen der Meßskala (1) entspricht, wobei die rechteckigen Photodetektoren nebeneinander sowie senkrecht zu den Teilstrichen des Skalenbildes angeordnet sind.It device for determining the position of a movable object relative to another object on which a
Measuring scale is attached, with an optical system for projecting an image of the measuring scale on a reading plane and
with a reading device in the plane of the scale image,
characterized in that the
optical system is a -1 magnification lens system;
and that the reading element ( 1 O is a displacement transducer from
is composed of several rectangular photodetectors,
the length of which corresponds to several graduation marks or steps of the measuring scale (1), the rectangular photodetectors being arranged next to one another and perpendicular to the graduation marks of the scale image.
einer Einrichtung (320) zu ihrer Brennweiteneinstellung versehen ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that at least one (32) of the two lens system halves with
a device (320) is provided for their focal length adjustment.
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