EP0288523A1 - Movement measurement device - Google Patents

Movement measurement device

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Publication number
EP0288523A1
EP0288523A1 EP87907221A EP87907221A EP0288523A1 EP 0288523 A1 EP0288523 A1 EP 0288523A1 EP 87907221 A EP87907221 A EP 87907221A EP 87907221 A EP87907221 A EP 87907221A EP 0288523 A1 EP0288523 A1 EP 0288523A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring device
measuring
light
filter
deformation body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87907221A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Lindqvist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ENGUVU AG
Original Assignee
ENGUVU AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ENGUVU AG filed Critical ENGUVU AG
Publication of EP0288523A1 publication Critical patent/EP0288523A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Definitions

  • the invention relates to a movement measuring device with two bodies which can be moved relative to one another, between which a deformation body made of transparent material is attached, which carries polarization filters on both sides at at least one measuring point and has at least one light source and a photocell which is connected to an electronic evaluation circuit.
  • induced voltage result in transparent bodies to a change in optical properties, they are transparent bodies, which are optically isotropic when no voltage is anisotropically under the influence of voltages. This behavior is used in stress optics to visualize stresses in transparent model bodies that occur under certain loads; For this purpose, the transparent body is illuminated with polarized light.
  • the deformation body consists of a single crystal of gallium phosphide or gallium arsenide.
  • anisotropy changes the optical permeability of the deformation body. The change in brightness of the polarized light falling through the deformation body is measured and provides a signal for the size of the deformation.
  • the device is therefore only suitable for a simple force measuring device, in particular a pressure measuring device, in which the direction of the force occurring is predetermined.
  • the object of the invention is therefore to provide a movement measuring device of the type mentioned at the outset which enables a differentiation between tensile and compressive forces and is suitable for the construction of even complex force measuring devices.
  • the transparent deformation body consists of amorphous material and an optically active filter is rotated by 45 ° on both sides, that a mirror layer is applied to the outside of one filter that on the outside of the other Filters a circular polarizing filter layer is arranged, on the outside of which the light source and the photocell are arranged, and that a device is provided which detects a change in the color of the light falling on the photocell.
  • the anisotropy that occurs during the deformation of the deformation body has different effects on the different wavelengths of the light during expansion or compression. If white light is used, the color of the emerging light changes in opposite directions during compression and expansion. If monochromatic light of different wavelengths is used, the changes in brightness occurring during compression and stretching are different.
  • This optical behavior makes it possible in a simple manner to infer not only the size but also the direction of the deformation carried out from the signal of the photocell. In this way, force measuring devices can be built in which the deformations are determined according to size and direction at several points on a deformation body, so that even complex forces and / or moments can be detected.
  • the device for detecting a change in the color of the light is preferably formed by arranging at least two light sources close to one another at the measuring point, which emit monochromatic light of different wavelengths and each of which is assigned a separate photocell, the output signals of which are detected separately in the evaluation circuit and be compared in a comparator. Depending on the direction of the deformation, the change in brightness will be stronger in one or the other photocell. This phenomenon can be recorded and evaluated.
  • Advantageous embodiments of the inventive concept are the subject of further dependent claims.
  • 1 is a longitudinal section of a motion measuring device with a deformation body with several measuring points
  • FIGS. 1 and 3 are end views of the deformation body of the motion measuring device according to FIGS. 1 and 3 with a block diagram of the evaluation circuit
  • Fig. 5 is a simplified partial circuit diagram for a measuring point
  • Fig. 6 + 7 other embodiments of the deformation body each in an end view.
  • the movement measuring device shown in FIGS. 1 and 3 has a disk-shaped deformation body 1, which is arranged in a housing 2, which is designed as a tubular sleeve.
  • An elongated glass transmission body 3 is connected at one end to the housing 2. At its other end, it is connected to the central region of the deformation body 1.
  • the outer region of the deformation body 1 is connected to the housing 2.
  • a circuit board 4 arranged in front of the deformation body 1 carries light sources, photocells and parts of the evaluation circuit, which are connected to a transmission coil 5 at the end of the housing 2.
  • This transmission coil 5 is inductively connected to an associated transmission coil, not shown, outside the housing 2.
  • the deformation body 1 consists of transparent, amorphous material, for example glass, but any other substance which is optically isotropic in the de-energized state can also be used, for example. All transparent amorphous solid bodies.
  • the deformation body 1 On both sides, the deformation body 1 carries in the area of a measuring point an optically active filter 6 or 7 rotating the light through 45 °.
  • a mirror layer 8 is applied to the outside of the one filter 7.
  • a filter layer 9 which circularly polarizes the light is arranged on the outside of the other filter 6.
  • the light emanating from a light source 10, for example a photodiode enters the deformation element 1 through the circularly polarizing filter layer 9 and the optically active filter 6 rotating through 45 °. It passes through the optically active filter 7 rotating through 45 ° to the mirror layer 8, is reflected there and passes through the filter 7, the deformation element 1, the filter 6 and the circularly polarizing filter layer 9 to a photocell 11, which delivers a signal depending on the brightness.
  • the deformation body 1 If the deformation body 1 is undeformed, the light is simply reflected.
  • the emerging light has the same wavelength as the incoming light. If white light is used and the deformation body 1 is deformed, the emerging light changes color. There is a different absorption depending on the wavelength. Which wavelengths are absorbed and how strongly this happens depends on the direction and strength of the deformation. With compression under compression there is a discoloration in the direction of blue or green, while with expansion under a tensile stress there is discoloration in the direction of yellow and red.
  • the deformation body 1 has a central disk 12 and concentrically at a radial distance from it a ring 13 which are connected to one another by measuring webs 14.
  • the measuring points are located in the area of the measuring webs 14.
  • three measuring points 14 are arranged a three evenly distributed on the circumference, which are approximately at an angle of 45 ° to the radial direction. 3639
  • Fig. 5 shows schematically the structure of a measuring arrangement for a measuring point.
  • Arranged on the measuring web 14 are three pairs of light sources 10 and photocells 11, for example photodiodes, which each work with different light and measure the changes in brightness of the different colors.
  • the signals supplied by the individual “photo cells” are sent to a microprocessor 17 of the evaluation circuit via analog-digital converter 15 and a decoder 16 as the signals representing the size and direction of the movement that has occurred.
  • the deformation of the entire movement measuring device (FIG. 1) can be determined from the measured deformations at the six measuring points of the exemplary embodiment shown in FIG. 4 with the aid of the microprocessor 17 by means of trigonometric calculations.
  • Appropriate programming can ensure that, in addition to the respective state of deformation, other variables can also be monitored, for example variables derived from the deformation and its duration and limit violations.
  • the microprocessor 17 is programmed so that it can be calibrated at any time and the zero point can be set; Limit values or quantities derived from the deformations can also be specified.
  • the data required for this are stored in an EEPROM 18.
  • the output signals reach the transmission coil 5 via a decoder 19, which is connected to a voltage supply device 20. If the motion measuring device or the sensor is installed, for example, in a tool holder, a corresponding command is first given to the motion measuring device for calibration. This is then ready for calibration. A few deformations of the tool holder are then carried out and the direction and magnitude of the movement are transmitted to the movement measuring device. Later, the movement measuring device can convert its relative movement into the absolute deformations of the tool holder. The data required for this are stored in the EEPROM 18. ⁇ r
  • the instantaneous deformation is stored again in the EEPROM 18 as a reference.
  • the limit values are transmitted to the motion measuring device.
  • the movement measuring device issues a message when the specified limit values are exceeded. It is also possible to query current values with a corresponding command, not only the deformation itself but also the quantities derived from it.
  • Fig. 4 the six measuring points A-D have been designated. At these measuring points, for example, the following values were determined according to size and direction, the size of the deformation being given in arbitrarily defined units.
  • An elongation is marked with +, a compression with -:
  • Embodiment according to FIG. 7 both radial measuring webs 14 'and tangential measuring webs 14' 'are formed at the three circumferential points.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Dans un dispositif de mesure de mouvement est agencé un corps de déformation (1) en matériau amorphe transparent, qui porte des deux côtés un filtre (6, 7) optiquement actif à rotation de 45o. Sur la face extérieure d'un filtre (7) est disposée une couche miroir (8). Sur la face extérieure de l'autre filtre (6) est appliquée une couche filtrante (9) à polarisation circulaire. De la lumière provenant d'une source de lumière (10) est réfléchie par la couche miroir (8) et tombe sur une cellule photo-électrique (11). Les diverses longueurs d'onde de la lumière sont affectées différemment par un écrasement ou un allongement du corps de déformation (1), ce qui permet la détection et l'évaluation de la déformation non seulement d'après son ampleur, mais également d'après son sens.In a movement measuring device is arranged a deformation body (1) made of transparent amorphous material, which carries on both sides an optically active filter (6, 7) with rotation of 45o. On the outside of a filter (7) is arranged a mirror layer (8). On the outer face of the other filter (6) is applied a filter layer (9) with circular polarization. Light from a light source (10) is reflected by the mirror layer (8) and falls on a photoelectric cell (11). The various wavelengths of light are affected differently by crushing or elongation of the deformation body (1), which allows the detection and evaluation of the deformation not only according to its magnitude, but also of after its meaning.

Description

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BewegungsmeßvorrichtungMotion measuring device
Die Erfindung betrifft eine Bewegungsmeßvorrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern, zwischen denen ein Verformungskörper aus durchsichtigem Material angebracht ist, der an mindestens einer Meßstelle beidseitig Polarisationsfilter trägt sowie mindestens eine Lichtquelle und eine Fotozelle aufweist, die mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist.The invention relates to a movement measuring device with two bodies which can be moved relative to one another, between which a deformation body made of transparent material is attached, which carries polarization filters on both sides at at least one measuring point and has at least one light source and a photocell which is connected to an electronic evaluation circuit.
Durch Verformungen" hervorgerufene Spannungen"führen in durchsichtigen Körpern zu einer Änderung der optischen Eigenschaften, So werden durchsichtige Körper, die im spannungsfreien Zustand optisch isotrop sind, unter der Einwirkung von Spannungen anisotrop. Dieses Verhalten wird in der Spannungsoptik verwendet, um in durchsichtigen Modellkörpern Spannungen sichtbar zu machen, die unter bestimmten Belastungen auftreten; hierzu wird der durchsichtige Körper mit polarisiertem Licht durchleuchtet.By deformations "induced voltage" result in transparent bodies to a change in optical properties, they are transparent bodies, which are optically isotropic when no voltage is anisotropically under the influence of voltages. This behavior is used in stress optics to visualize stresses in transparent model bodies that occur under certain loads; For this purpose, the transparent body is illuminated with polarized light.
Es ist auch bekannt, diese physikalische Erscheinung in einer Kraftmeßeinrichtung zu verwenden, um die der aufgebrachten Druckkaft proportionale Verformung eines Verformungskörpers zu bestimmen (DE-OS 25 10 545). Der Verformungskörper besteht hierbei aus einem Einkristall aus Galliumphosphid oder Galliumarsenid. Durch die bei der Verformung auftretende Anisotropie ändert sich die optische Durchlässigkeit des Verformungskörpers. Die Helligkeitsänderung des durch den Verformungskörper hindurchfallendeπ polarisierten Lichtes wird gemessen und liefert ein Signal für die Größe der Verformung.It is also known to use this physical phenomenon in a force measuring device in order to determine the deformation of a deformation body which is proportional to the pressure force applied (DE-OS 25 10 545). The deformation body consists of a single crystal of gallium phosphide or gallium arsenide. By at the Deformation anisotropy changes the optical permeability of the deformation body. The change in brightness of the polarized light falling through the deformation body is measured and provides a signal for the size of the deformation.
Bei der bekannten Vorrichtung tritt dieIn the known device, the
Helligkeitsänderung des hindurchfallenden Lichtes sowohl bei einer Stauchung als auch bei einer Dehnung des Verformungskörpers auf. Zug- und Druckkräfte können daher nicht unterschieden werden. Die Vorrichtung ist deshalb nur für eine einfache Kraftmeßvorrichtung, insbesondere eine Druckmeßvorrichtung geeignet, bei der die Richtung der auftretenden Kraft vorgegeben ist.Changes in the brightness of the light falling through both during compression and when the deformation body is stretched. It is therefore not possible to distinguish between tensile and compressive forces. The device is therefore only suitable for a simple force measuring device, in particular a pressure measuring device, in which the direction of the force occurring is predetermined.
Bei vielen Kraftmeßaufgaben ist es erforderlich, aus unterschiedlichen Richtungen angreifende Kräfte, denen beispielsweise auch Drehmomente überlagert sein können, zu bestimmen. Die in solchen Kraftmeßeinrichtungen verwendeten Bewegungsmeßvorrichtungen müssen deshalb in der Lage sein, Zugkräfte und Druckkäfte zu unterscheiden".For many force measurement tasks, it is necessary to determine forces acting from different directions, to which, for example, torques can also be superimposed. The motion measuring devices used in such force measuring devices must therefore be able to distinguish between tensile and compressive forces " .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bewegungsmeßvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine Unterscheidung von Zug- und Druckkräften ermöglicht und zum Aufbau von auch komplexen Kraftmeßvorrichtungen geeignet ist.The object of the invention is therefore to provide a movement measuring device of the type mentioned at the outset which enables a differentiation between tensile and compressive forces and is suitable for the construction of even complex force measuring devices.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der durchsichtige Verformungskörper aus amorphem Material besteht und auf beiden Seiten jeweils ein um 45° drehendes optisch aktives Filter angeordnet ist, daß auf der Außenseite des einen Filters eine Spiegelschicht aufgebracht ist, daß auf der Außenseite des anderen Filters eine zirkulär polarisierende Filterschicht angeordnet ist, an deren Außenseite die Lichtquelle und die Fotozelle angeordnet sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Änderung der Farbe des auf die Fotozelle fallenden Lichtes erfaßt.This object is achieved in that the transparent deformation body consists of amorphous material and an optically active filter is rotated by 45 ° on both sides, that a mirror layer is applied to the outside of one filter that on the outside of the other Filters a circular polarizing filter layer is arranged, on the outside of which the light source and the photocell are arranged, and that a device is provided which detects a change in the color of the light falling on the photocell.
Die bei der Verformung des Verformungskörpers auftretende Anisotropie wirkt sich auf die verschiedenen Wellenlängen des Lichtes bei einer Dehnung oder einer Stauchung unterschiedlich aus. Wenn weißes Licht verwendet wird, verändert sich die Farbe des austretenden Lichtes bei Stauchung und Dehnung in entgegengesetzten Richtungen. Wenn monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird, so sind die auftretenden Helligkeitsänderungen bei Stauchung und Dehnung unterschiedlich. Dieses optische Verhalten ermöglicht es in einfacher Weise, aus dem Signal der Fotozelle nicht nur auf die Größe, sondern auch auf die Richtung der ausgeführten Verformung zu schließen. Damit können Kraftmeßvorrichtungen gebaut werden, bei denen an mehreren Stellen eines Verformungskörpers die Verformungen nach Größe und Richtung bestimmt werden, so daß auch komplexe Kräfte und/oder Momente erfaßt werden können.The anisotropy that occurs during the deformation of the deformation body has different effects on the different wavelengths of the light during expansion or compression. If white light is used, the color of the emerging light changes in opposite directions during compression and expansion. If monochromatic light of different wavelengths is used, the changes in brightness occurring during compression and stretching are different. This optical behavior makes it possible in a simple manner to infer not only the size but also the direction of the deformation carried out from the signal of the photocell. In this way, force measuring devices can be built in which the deformations are determined according to size and direction at several points on a deformation body, so that even complex forces and / or moments can be detected.
Vorzugsweise wird die Einrichtung zum Erfassen einer Änderung der Farbe des Lichts dadurch gebildet, daß an der Meßstelle nahe beieinander mindestens zwei Lichtquellen angeordnet sind, die monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle zugeordnet ist, deren Ausgangssignale in der Auswerteschaltung gesondert erfaßt und in einer Vergleichereinrichtung verglichen werden. Je nach der Richtung der Verformung wird die Helligkeitsänderung in der einen oder der anderen Fotozelle stärker sein. Diese Erscheinung kann erfaßt und ausgewertet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.The device for detecting a change in the color of the light is preferably formed by arranging at least two light sources close to one another at the measuring point, which emit monochromatic light of different wavelengths and each of which is assigned a separate photocell, the output signals of which are detected separately in the evaluation circuit and be compared in a comparator. Depending on the direction of the deformation, the change in brightness will be stronger in one or the other photocell. This phenomenon can be recorded and evaluated. Advantageous embodiments of the inventive concept are the subject of further dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments which are illustrated in the drawing. It shows:
Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Bewegungsmeßvorrichtung mit einem Verformungskörper mit mehreren Meßstellen,1 is a longitudinal section of a motion measuring device with a deformation body with several measuring points,
Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt im Bereich einer der Meßstellen,2 shows an enlarged partial section in the area of one of the measuring points,
Fig. 3 in räumlicher Darstellungsweise und teilweise aufgeschnitten die Bewegungsmeßvorrichtung nach Fig. 1 ,3 in a spatial representation and partially cut away the motion measuring device according to FIG. 1,
Fig. 4 eine Stirnansicht des Verformungskörpers der Bewegungsmeßvorrichtung nach den Fig. 1 und 3 mit einem Blockschaltbild der Auswerteschaltung,4 is an end view of the deformation body of the motion measuring device according to FIGS. 1 and 3 with a block diagram of the evaluation circuit,
Fig. 5 ein vereinfachtes Teilschaltbild für eine Meßstelle undFig. 5 is a simplified partial circuit diagram for a measuring point and
Fig. 6 + 7 andere Ausführungsformen der Verformungskörper jeweils in einer Stirnansicht.Fig. 6 + 7 other embodiments of the deformation body each in an end view.
Die in den Fig. 1 und 3 gezeigte Bewegungsmeßvorrichtung weist einen scheibenförmigen Verformungskörper 1 auf, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist, das als rohrförmige Hülse ausgeführt ist. Ein länglicher, aus Glas bestehender Übertragungskörper 3 ist an seinem einen Ende mit dem Gehäuse 2 verbunden. An seinem anderen Ende ist er mit dem mittleren Bereich des Verformungskörpers 1 verbunden. Der äußere Bereich des Verformungskörpers 1 ist mit dem Gehäuse 2 verbunden. Eine stirnseitig vor dem Verformungskörper 1 angeordnete Platine 4 trägt Lichtquellen, Fotozellen und Teile der Auswerteschaltung, die mit einer Übertragungsspule 5 am Ende des Gehäuses 2 verbunden sind. Diese Übertragungsspule 5 steht mit einer zugeordneten, nicht dargestellten Übertragungsspule außerhalb des Gehäuses 2 in induktiver Verbindung.The movement measuring device shown in FIGS. 1 and 3 has a disk-shaped deformation body 1, which is arranged in a housing 2, which is designed as a tubular sleeve. An elongated glass transmission body 3 is connected at one end to the housing 2. At its other end, it is connected to the central region of the deformation body 1. The outer region of the deformation body 1 is connected to the housing 2. A circuit board 4 arranged in front of the deformation body 1 carries light sources, photocells and parts of the evaluation circuit, which are connected to a transmission coil 5 at the end of the housing 2. This transmission coil 5 is inductively connected to an associated transmission coil, not shown, outside the housing 2.
Der Aufbau des Verformungskörpers 1 und der daran angebrachten Polarisationsschichten im Bereich einer Meßstelle ist in Fig. 2 dargestellt. Der Verformungskörper 1 besteht aus durchsichtigem, amorphem Material, beispielsweise Glas, jedoch kann auch jede andere, im spannungslosen Zustand optisch isotrope Substanz benutzt werden, beispielsweise .alle durchsichtigen amorphen Festkörper.The structure of the deformation body 1 and the polarization layers attached to it in the region of a measuring point is shown in FIG. 2. The deformation body 1 consists of transparent, amorphous material, for example glass, but any other substance which is optically isotropic in the de-energized state can also be used, for example. All transparent amorphous solid bodies.
Auf beiden Seiten trägt der Verformungskörper 1 im Bereich einer Meßstelle jeweils ein das Licht um 45° drehendes optisch aktives Filter 6 bzw. 7. Auf der Außenseite des einen Filters 7 ist eine Spiegelschicht 8 aufgebracht. Auf der Außenseite des anderen Filters 6 ist eine das Licht zirkulär polarisierende Filterschicht 9 angeordnet. Das von einer Lichtquelle 10, beispielsweise eine Fotodiode," ausgehende Licht tritt durch die zirkulär polarisierende Filterschicht 9 und das optisch aktive, um 45° drehende Filter 6 in den Verformungskörper 1 ein. Es gelangt durch das optisch aktive, um 45° drehende Filter 7 zu der Spiegelschicht 8, wird dort reflektiert und gelangt durch das Filter 7, den Verformungskörper 1, das Filter 6 und die zirkulär polarisierende Filterschicht 9 zu einer Fotozelle 11 , die in Abhängigkeit von der Helligkeit ein Signal liefert. Wenn der Verformungskörper 1 unverformt ist, wird das Licht einfach reflektiert. Das austretende Licht hat die gleiche Wellenlänge wie das eintretende Licht. Wenn man weißes Licht verwendet und den Verformungskörper 1 verformt, so verfärbt sich das austretende Licht. Es erfolgt eine von der Wellenlänge abhängige unterschiedliche Absorption. Welche Wellenlängen absorbiert werden und wie stark dies geschieht, hängt von der Richtung und Stärke der Verformung ab. Bei einer Stauchung unter Druckbeanspruchung ergibt sich eine Verfärbung i Richtung auf blau bzw. grün, während sich bei einer Dehnung unter einer Zugbeanspruchung eine Verfärbung in Richtung auf gelb und rot ergibt.On both sides, the deformation body 1 carries in the area of a measuring point an optically active filter 6 or 7 rotating the light through 45 °. A mirror layer 8 is applied to the outside of the one filter 7. A filter layer 9 which circularly polarizes the light is arranged on the outside of the other filter 6. The light emanating from a light source 10, for example a photodiode, enters the deformation element 1 through the circularly polarizing filter layer 9 and the optically active filter 6 rotating through 45 °. It passes through the optically active filter 7 rotating through 45 ° to the mirror layer 8, is reflected there and passes through the filter 7, the deformation element 1, the filter 6 and the circularly polarizing filter layer 9 to a photocell 11, which delivers a signal depending on the brightness. If the deformation body 1 is undeformed, the light is simply reflected. The emerging light has the same wavelength as the incoming light. If white light is used and the deformation body 1 is deformed, the emerging light changes color. There is a different absorption depending on the wavelength. Which wavelengths are absorbed and how strongly this happens depends on the direction and strength of the deformation. With compression under compression there is a discoloration in the direction of blue or green, while with expansion under a tensile stress there is discoloration in the direction of yellow and red.
Verwendet man dagegen monochromatisches Licht, so ergeben sich für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Helligkeitsänderungen in Abhängigkeit davon, ob der Verformungskörper 1 gestaucht oder gedehnt wird. Da als Lichtquellen 10 zweckmäßigerweise Fotodioden verwendet werden, die ohnehin weitgehend monochromatisches Licht liefern, verwendet man an jeder Meßstelle mindestens zwei Lichtquellen 10, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle 11 zugeordnet ist.On the other hand, if monochromatic light is used, there are different changes in brightness for different wavelengths depending on whether the deformation body 1 is compressed or stretched. Since photodiodes are expediently used as light sources 10, which anyway provide largely monochromatic light, at least two light sources 10 are used at each measuring point, which emit light of different wavelengths and each of which is assigned a separate photocell 11.
Aus den Fig. 3 und 4 erkennt man, daß der Verformungskörper 1 eine zentrale Scheibe 12 und konzentrisch im radialen Abstand hierzu einen Ring 13 aufweist, die durch Meßstege 14 miteinander verbunden sind. Die Meßstellen befinden sich im Bereich der Meßstege 14.3 and 4 it can be seen that the deformation body 1 has a central disk 12 and concentrically at a radial distance from it a ring 13 which are connected to one another by measuring webs 14. The measuring points are located in the area of the measuring webs 14.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind a drei gleichmäßig am Umfang verteilten Stellen jeweils zwei Meßstege 14 angeordnet, die angenähert in einem Winkel von 45° zur Radialrichtung stehen. 3639In the embodiment shown in FIG. 4, three measuring points 14 are arranged a three evenly distributed on the circumference, which are approximately at an angle of 45 ° to the radial direction. 3639
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Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Meßanordnung für eine Meßstelle. Auf dem Meßsteg 14 sind drei Paare von Lichtquellen 10 und Fotozellen 11 , beispielsweise Fotodioden, angeordnet, die jeweils mit unterschiedlichem Licht arbeiten und die Helligkeitsänderungen der unterschiedlichen Farben messen. Die von den einzelnen „Fotozellen gelieferten Signale werden über Analog-Digital- Wandler 15 und einen Decoder 16 als die Größe und die Richtung der aufgetretenen Bewegung darstellende Signale an einen Mikroprozessor 17 der Auswerteschaltung gegeben.Fig. 5 shows schematically the structure of a measuring arrangement for a measuring point. Arranged on the measuring web 14 are three pairs of light sources 10 and photocells 11, for example photodiodes, which each work with different light and measure the changes in brightness of the different colors. The signals supplied by the individual “photo cells” are sent to a microprocessor 17 of the evaluation circuit via analog-digital converter 15 and a decoder 16 as the signals representing the size and direction of the movement that has occurred.
Durch die Auswertung mehrerer Meßstellen können auch kompliziertere Bewegungen erfaßt werden. So kann aus den gemessenen Verformungen an den sechs Meßstellen des dargestellten Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 mit Hilfe des Mikroprozessors 17 durch trigonometrische Berechungen die Verformung der gesamten BewegungsmeßVorrichtung (Fig. 1 ) bestimmt werden. Durch eine geeignete Programmierung kann erreicht werden, daß außer dem jeweiligen Verformungszustand auch andere Größen überwacht werden können, z.B. aus der Verformung und ihrer Dauer abgeleitete Größen sowie Grenzwertüberschreitungen. Um die Bewegungsmeßvorrichtung möglichst .flexibel in der Anwendung zu machen, programmiert man den Mikroprozessor 17 so, daß er zu jeder Zeit geeicht und der Nullpunkt festgelegt werden kann; ebenso können Grenzwerte bzw. aus den Verformungen abgeleitete Größen vorgegeben werden. Die dafür notwendigen Daten, wie Absolutwerte, Meßpunktzustände usw. werden in einem EEPROM 18 gespeichert. Über einen Decoder 19, der mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 20 verbunden ist, gelangen die Ausgangssignale zur Übertragungsspule 5. • Wenn die Bewegungsmeßvorrichtung oder der Sensor beispielsweise in einen Werkzeughalter eingebaut ist, wird zur Eichung zunächst ein entsprechender Befehl an die Bewegungsmeßvorrichtung gegeben. Diese ist dann für die Eichung bereit. Man führt dann einige Verformungen des Werkzeughalters durch und übermittelt dabei die Richtung und Größe der Bewegung an die Bewegungsmeßvorrichtung, Später kann die Bewegungsmeßvorrichtung ihre relative Bewegung in die absoluten Verformungen des Werkzeughalters umrechnen. Die dafür erforderlichen Daten sind im EEPROM 18 gespeichert. ~ r By evaluating several measuring points, more complicated movements can also be recorded. Thus, the deformation of the entire movement measuring device (FIG. 1) can be determined from the measured deformations at the six measuring points of the exemplary embodiment shown in FIG. 4 with the aid of the microprocessor 17 by means of trigonometric calculations. Appropriate programming can ensure that, in addition to the respective state of deformation, other variables can also be monitored, for example variables derived from the deformation and its duration and limit violations. In order to make the motion measuring device as flexible as possible in use, the microprocessor 17 is programmed so that it can be calibrated at any time and the zero point can be set; Limit values or quantities derived from the deformations can also be specified. The data required for this, such as absolute values, measuring point states, etc., are stored in an EEPROM 18. The output signals reach the transmission coil 5 via a decoder 19, which is connected to a voltage supply device 20. If the motion measuring device or the sensor is installed, for example, in a tool holder, a corresponding command is first given to the motion measuring device for calibration. This is then ready for calibration. A few deformations of the tool holder are then carried out and the direction and magnitude of the movement are transmitted to the movement measuring device. Later, the movement measuring device can convert its relative movement into the absolute deformations of the tool holder. The data required for this are stored in the EEPROM 18. ~ r
Setzt man dann den Werkzeughalter in eine Maschine ein und gibt einen nullpunktsetzenden Befehl, dann wird die augenblickliche Verformung als Referenz wieder im EEPROM 18 abgespeichert. Die Grenzwerte werden der Bewegungsmeßvorrichtung übermittelt. Während der Anwendung gibt die Bewegungsmeßvorrich ung eine Meldung, wenn die vorgegebenen Grenzwerte überschritten, werden. Es ist auch möglich, mit einem entsprechenden Befehl momentane Werte abzufragen, und zwar nicht nur die Verformung selbst sondern auch die daraus hergeleiteten Größen.If the tool holder is then inserted into a machine and a zero-point command is issued, the instantaneous deformation is stored again in the EEPROM 18 as a reference. The limit values are transmitted to the motion measuring device. During the application, the movement measuring device issues a message when the specified limit values are exceeded. It is also possible to query current values with a corresponding command, not only the deformation itself but also the quantities derived from it.
In Fig. 4 wurden die sechs Meßpunkte A-D bezeichnet. An diesen Meßpunkten wurden beispielsweise die folgenden Werte nach Größe und Richtung ermittelt, wobei die Größe der Verformung in willkürlich festgesetzten Einheiten angegeben ist. Eine Dehnung ist mit +, eine Stauchung mit - bezeichnet:In Fig. 4 the six measuring points A-D have been designated. At these measuring points, for example, the following values were determined according to size and direction, the size of the deformation being given in arbitrarily defined units. An elongation is marked with +, a compression with -:
Meßstelle Betrag RichtungMeasuring point amount direction
A 2 +A 2 +
B 6 -B 6 -
C 6 —C 6 -
D 2 +D 2 +
E 3 +E 3 +
F 3 + Daraus ergibt sich, daß sich die zentrale Scheibe 12 relativ zu dem äußeren Ring 13 um etwa 6 Einheiten nach oben bewegt hat.F 3 + As a result, the central disc 12 has moved upward about 6 units relative to the outer ring 13.
Bei einem anderen Verwendungsbeispiel wurden folgende Werte ermittelt:The following values were determined in another usage example:
Meßstelle Betrag RichtungMeasuring point amount direction
A 3 -A 3 -
B 3 +B 3 +
C 3 -C 3 -
D 3 +D 3 +
E 3 -E 3 -
F 3 +.F 3 +.
Hieraus folgt, daß der äußere Ring 13 eine Rechtsdrehung um etwa 3 Einheiten ausgeführt hat.It follows that the outer ring 13 has made a right turn by about 3 units.
In den Fig. 6 und 7 sind gegenüber der Fig. 4 unterschiedliche Ausführungsformen des Verformungskörpers 1 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind an den drei Meßstellen nur radiale Meßstege 14' vorgesehen. Im Gegensatz dazu sind beim6 and 7 different embodiments of the deformation body 1 are shown compared to FIG. 4. In the exemplary embodiment according to FIG. 6, only radial measuring webs 14 'are provided at the three measuring points. In contrast, the
Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 an den drei Umfangsstellen sowohl radiale Meßstege 14' als auch tangentiale Meßstege 14' ' ausgebildet. Embodiment according to FIG. 7 both radial measuring webs 14 'and tangential measuring webs 14' 'are formed at the three circumferential points.

Claims

BewegungsmeßvorrichtungP a t e n t a n s p r ü c h e Motion measuring device patent claims
1. Bewegungsmeßvorrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern, zwischen denen ein Verformungskörper aus durchsichtigem Material angebracht ist, der an mindestens einer Meßstelle beidseitig Polarisationsfilter trägt sowie mindestens eine Lichtquelle-uήd .eine Fotozelle •aufweist, die mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden, dadurch gekennzeichnet, daß der durchsichtige Verformungskorper (1 ) aus amorphem Material besteht und auf beiden Seiten jeweils ein um 45° drehendes optisch aktives Filter (6 bzw. 7) angeordnet ist, daß auf der Außenseite des einen Filters (7) eine Spiegelschicht (8) aufgebracht ist, daß auf der Außenseite des anderen Filters (6) eine zirkulär polarisierende Filterschicht (9) angeordnet ist, an deren Außenseite die Lichtquelle (10) und die Fotozelle (11) angeordnet sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Änderung der Farbe des auf die Fotozelle (11) fallenden Lichtes erfaßt. 1 detecting displacement of two relatively movable bodies, between which a deformation body is mounted of a transparent material, which on both sides carries polarizing filter on at least one measuring point and at least one light source uήd • having .a photo cell connected to an electronic evaluation circuit, characterized in that that the transparent Verformungskorper (1) consists of amorphous material and an optically active filter (6 or 7) rotating by 45 ° is arranged on both sides, that on the outside of the one filter (7) a mirror layer (8) is applied that a circularly polarizing filter layer (9) is arranged on the outside of the other filter (6), on the outside of which the light source (10) and the photocell (11) are arranged, and that a device is provided for changing the color of the light falling on the photocell (11).
2. Beweguhgsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen einer Änderung der Farbe des Lichtes dadurch gebildet wird, daß an der Meßstelle nahe beieinander mindestens zwei Lichtquellen (10) angeordnet sind, die monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle (11) zugeordnet ist, deren Ausgangssignale in der Auswerteschaltung gesondert erfaßt und in einer Vergleichereinrichtung verglichen werden.2. Movement measuring device according to claim 1, characterized in that the device for detecting a change in the color of the light is formed in that at least two light sources (10) are arranged close to each other at the measuring point, which emit monochromatic light of different wavelengths and each one A separate photocell (11) is assigned, the output signals of which are detected separately in the evaluation circuit and compared in a comparator device.
3. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) eine zentrale Scheibe (12) und konzentrisch im radialen Abstand hierzu einen Ring (13) aufweist, die durch Meßstege (14) miteinander verbunden sind, an denen sich die Meßstellen befinden.3. Movement measuring device according to claim 1, characterized in that the deformation body (1) has a central disc (12) and concentrically at a radial distance from this a ring (13) which are connected to one another by measuring webs (14) at which the measuring points are located.
4. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstege (141) radial verlaufen.4. Movement measuring device according to claim 3, characterized in that the measuring webs (14 1 ) extend radially.
5. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstege (14) jeweils in vorzugsweise drei Gruppen von angenähert rechtwinklig zueinander gerichteten Meßstegen angeordnet sind.5. Movement measuring device according to claim 3, characterized in that the measuring webs (14) are each arranged in preferably three groups of approximately mutually perpendicular measuring webs.
6. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein radial und ein tangential gerichteter Meßsteg (141, 14' * ) eine Gruppe bilden.6. Movement measuring device according to claim 5, characterized in that in each case a radially and a tangentially directed measuring web (14 1 , 14 '*) form a group.
7. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch... gekennzeichnet, daß jeweils zwei angenähert unter 45° zur Radialrichtung verlaufende Meßstege (14) eine Gruppe bilden. 8. Bewegungsmeß orrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) mit den darauf angebrachten Filterschichten (6, 7, 7. Movement measuring device according to claim 5, characterized . .. characterized in that two measuring webs (14) running approximately at 45 ° to the radial direction form a group. 8. Movement measuring device according to claim 1, characterized in that the deformation body (1) with the filter layers (6, 7,
8, 9), die Lichtquellen (10), die Fotozellen (11) und mindestens ein Teil der Auswerteschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse (2) angeordnet sind.8, 9), the light sources (10), the photocells (11) and at least part of the evaluation circuit are arranged in a common housing (2).
9. BewegungsmeßVorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) eine9. Movement measuring device according to claim 8, characterized in that in the housing (2)
Übertragungsspule (5) angeordnet ist, die mit einer zugeordneten Übertragungsspule außerhalb des Gehäuses (2) in induktiver Verbindung steht.Transmission coil (5) is arranged, which is in inductive connection with an assigned transmission coil outside the housing (2).
10. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) eine rohrförmige Hülse ist, in der ein länglicher Übertragungskörper (3) angeordnet ist, der an seinem einen Ende mit der Hülse und an seinem anderen Ende mit dem Verformungskörper (1 ) verbunden ist, der an seinem Umfang mit der Hülse verbunden ist. 10. Movement measuring device according to claim 8, characterized in that the housing (2) is a tubular sleeve in which an elongate transmission body (3) is arranged, which is at one end with the sleeve and at its other end with the deformation body (1 ) is connected, which is connected at its periphery to the sleeve.
EP87907221A 1986-11-10 1987-11-04 Movement measurement device Withdrawn EP0288523A1 (en)

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