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Vorrichtung zum Messen der gegenseitigen Lage zweier Objekte Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Lage eines Objektes gegenüber einem
anderen Objekt durch Abtasten zweier je mit dem einen und dem anderen Objekt verbundener,
nach dem Lichtpunktverfahren abtastbarer Skalen, und zwar einer Grob- und einer
Feinskala. Die Merkmale der Grobskala bilden dabei Bezugslinien für die feingeteilte,
mit ihren Merkmalen etwa einen vollen Teilbereich der Grobskala überdeckende Hilfsskala.
Die durch gleichzeitiges Abtasten der Skalen beim Überstreichen der Skalen erzeugten
Impulse werden einer elektrischen Zählvorrichtung zugeführt.
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Eine solche Vorrichtung kann bei verschiedenen Geräten Anwendung finden,
bei denen eine genaue Einstellung eines eine Gleitbewegung oder eine Winkelbewegung
vollführenden Elementes gewünscht wird. So müssen z. B. bei einer Lehrenbohrmaschine,
die für äußerst genaue Bearbeitungen benutzt wird, geradlinige Bewegungen des Tisches
mit hoher Präzision durchgeführt werden können. Diese Bewegungen werden normalerweise
von Hand gesteuert, oder es wird eine Handsteuerung mit mechanischer Hilfe angewendet,
wobei Skalen mit feinen Teilungen und optischer Vergrößerung verwendet werden zum
Erreichen des erforderlichen Genauigkeitsgrades.
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Es sind rein mechanisch arbeitende Schublehren verschiedener Art zum
Messen oder zur Anzeige von Längen oder Abständen bekannt, deren Skalenteilungen
durch Markierungen oder bauliche Elemente erhalten werden können. Bei einer rein
mechanisch arbeitenden Vorrichtung ruft ein etwaiges Spiel leicht Fehler hervor.
Es ist zwar auch bekannt, die Längenmessung durch Zählen elektrischer Impulse vorzunehmen,
und zwar derart, daß eine Skala an einer anderen Skala vorbeibewegt wird und aus
der Koinzidenz bzw. der Nichtkoinzidenz oder aus dem Übergang zur Koinzidenz der
beiden Skalen ein Meßwert abgeleitet wird.
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Es sind auch schon Vorrichtungen zum Feinablesen an mit Skalenteilung
versehenen Geräten bekanntgeworden, die eine aus sägezahnförmigen Abschnitten bestehende
Hauptskala aufweisen, bei der die eine Bezugslinie bildende Zahnflanke senkrecht
zur Meßrichtung steht und die andere Zahnflanke schräg zur Meßrichtung verläuft.
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Soweit sich die bekannten Vorrichtungen einer festen Lichtquelle bedienen,
mit der sich gegeneinander bewegende Skalen abgetastet werden, besteht grundsätzlich
der Nachteil, daß bei langsamen Bewegungen der Skalen nur sehr schwer oder mit besonderem
Aufwand einwandfreie Impulse abgeleitet werden können, die für die Ansteuerung nachfolgender
Stufen, z. B. Verstärker- oder Steuerstufen, geeignet sind. Auch bei ständig wechselnden
unterschiedlichen Bewegungen der Skalen sind unterschiedliche Impulse zu erwarten,
für deren einwandfreie Verarbeitung erst noch gesorgt werden muß, damit die Genauigkeitsanforderungen
erfüllt werden.
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Es ist ferner bekannt, einen Präzisionsmaßstab mittels zweier Ablenkgläser
verschiedener Schwingungsweite abzulenken und jedem Ablenkglas eine Skala verschiedener
Einteilung zuzuordnen. Die beiden Skalen sind jedoch hierbei auf einem einzigen
Träger vorgesehen, und die Anzeige der Lageverschiebung erfolgt stroboskopisch,
indem die hinter den Skalen angeordneten Fotozellen zur synchronen Steuerung von
Blitzlichtlampen dienen, mit denen über fe-,te Skalen bewegliche Zeiger angeleuchtet
werden.
Der Aufwand für diese bekannte Vorrichtung, die nur zur Anzeige von Lageabweichungen
eingerichtet ist, ist erheblich.
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Die Erfindung beseitigt die den bekannten, aus einer Grob- und einer
Feinskala bestehenden und photoelektrisch abgetasteten Vorrichtungen anhaftenden
Nachteile dadurch, daß die Grobskala gegenüber der Hilfsskala verschiebbar ist und
daß die beim gleichzeitigen Abtasten der Hilfsskala erzeugte Impulsfolge eine kontinuierliche
ist und mit den von der Grobskala herrührenden und als unterbrochene Impulsfolge
auftretenden Impulse bei entsprechender Ausbildung der Grobteilung durch eine entsprechende
Zuordnungsvorrichtung derart zusammenwirken, daß jeweils bei dem ersten Zusammenfallen
von Impulsen aus den beiden Reihen nach dem Abtasten eines Grobskalenmerkmals ein
Impuls für die Rückstellung des die kontinuierliche, von der Hilfsskala herrührende
Impulsfolge aufnehmenden Zählers abgegeben wird.
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Durch die Zählvorrichtung mit ihrer Koinzidenzschaltung ist eine grobe
Messung und bei jeder Ablesung der Grobskala eine unter allen Umständen gleichbleibende
Feinmessung größter Genauigkeit auf sehr einfache Weise gewährleistet.
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Schwingende Lichtquellen sind zwar für die Mikroskopablesung bekanntgeworden.
Hierbei handels es sich jedoch um eine andere Aufgabe, und außerdem fehlt bei dieser
bekannten Einrichtung eine Zählvorrichtung mit einer Koinzidenzschaltung, die erst
eine vorteilhafte Vorrichtung zum genauen Messen und Bestimmen der gegenseitigen
Lage zweier Objekte ermöglicht, da die gemessenen Werte als Steuergrößen od. d"1.
zur Beseitigung der ungewollten Abweichungen in einfachster Weise zur Verfügung
gestellt werden.
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Die Hauptskalenteilung (grobe Skala) kann entweder in an sich bekannter
Weise in einem undurchsichtigen Bauelement eingeschnitten oder auf andere Weise
gebildet werden oder in Form von undurchsichtigen Markierungen auf einer durchsichtigen
Skala angebracht sein.
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Das Lichtmuster wird vorzugsweise durch optische Verkleinerung einer
genau ausgeführten größeren Skalenplatte, wie eines Gitters, erhalten, das durch
direktes auffallendes Licht oder durch Reflexion beleuchtet wird und mit undurchsichtigen
oder lichtabsorbierenden Interpolationsteilungen versehen ist.
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Wenn das Licht der Lichtquelle auf sämtliche Teilungen der Platte
gleichzeitig gerichtet ist, kann das Muster mittels einer beweglichen Maske abgetastet
werden, wodurch ein abtastender Lichtstrahl erzeugt wird. Die Maske kann aus einem
Hohlzylinder mit einem schraubenförmigen Schlitz bestehen, der mit einem fest angeordneten
Schirm zusammenwirkt, der in der Längsrichtung mit einem Spalt versehen ist. Auch
kann das Licht in Form eines feinen Bündels erhalten werden, welches das Muster
der Platte abtastet. Dieses Licht kann durch optisch-mechanische Mittel oder mit
Hilfe des Elektronenbündels einer Elektronenstrahlröhre erhalten werden, wie bei
einer Lichtfleckabtastvorrichtung.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist das Längsprofil oder die
Breite der Hauptskalenteilung von wenig Bedeutung, wenn nur Sätze entsprechender
Seiten auf gleiche Weise gestaltet oder markiert sind, und zwar mit hinreichender
Genauigkeit, um als Bezugslinien des Interpolationssystems dienen zu können. Dies
erleichtert den Aufbau einer genauen Hauptskala. Eine solche Skala kann ein mit
Einschnitten versehener Stab oder eine flache Platte mit einem an einer Seite angebrachten
Sägezahnprofil sein, wobei senkrecht zur Skala verlaufende Zahnränder die genauen
Bezugsflächen darstellen, während die schrägen Ränder ein beliebiges Profil haben
können, das leicht hergestellt werden kann und nicht genau gleichförmig zu sein
braucht.
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Die Erfindung ist an speziellen Ausführungsformen an Hand eines in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei ist ein sägezahnförmiger
Stab vorhanden, der am beweglichen Tisch einer Lehrenbohrmaschine oder eines anderen
Werkzeuges angeordnet ist und einen Teil der Vorrichtung zum Messen des Abstandes
bildet zwecks Erhaltung einer sehr genauen und gegebenenfalls selbsttätigen Einstellung.
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Fig. 1 und 2 stellen das Lichtmuster und die Impulsreihe dar, die
zwei verschiedenen Zählungen entsprechen. Die Impulse sind zur Verdeutlichung genau
unter den Elementen des Musters dargestellt. Bemerkt wird aber, daß das Muster als
Funktion der Länge aufgetragen ist, während die Impulsreihen auf einer Zeitskala
aufgetragen sind.
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Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, welches die Lagen für verschiedene
Zählungen darstellt, und Fig. 4 ein Blockdiagramm der Vorrichtung.
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An dem Tisch des Werkzeuges in der Längsrichtung des Tisches ist eine
waagerechte Hauptskala einer Sägezahnform angeordnet. Die senkrechten Zählränder
dienen als Skalenteilungen und liegen mit der erforderlichen endgültigen Genauigkeit
in gegenseitigen Abständen von 2,5 mm. Bei unzureichender Genauigkeit werden die
Fehler der Lagen der senkrechten Ränder gemessen, und eine Korrektion wird im Meßsystem
angebracht.
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Um die gegenseitigen Abstände von 2,5 mm in hundertstel oder tausendstel
Teile derselben zu unterteilen, wird wie folgt verfahren: Eine Musterplatte oder
durchsichtige Interpolationsskala, die eine Länge von 10 bis 25 cm haben kann, wird
durch unsichtige Markierungen gleichmäßig geteilt, in der Weise, daß das Licht in
hundert oder tausend gleichmäßig verteilten Punkten hindurchtreten kann. Diese Skala
wird von einem Lichtfleck abgetastet, der ebenso klein oder kleiner als die Öffnungen
in der Skala ist. Der Lichtfleck bestreicht die Skala vorzugsweise mit gleichmäßiger
oder nahezu gleichmäßiger Geschwindigkeit, und zwar bei jeder Abtatsung immer in
derselben Richtung. Das Abtasten erfolgt viele Male je Sekunde. Eine Linse hoher
optischer Qualität und mit einer numerischen Apertur, die für die erforderliche
Auflösung hinreichend ist, erzeugt ein verkleinertes Bild der abgetasteten Skala
auf der sägezahnförmigen Hauptskala. Die Verkleinerung ist derart, daß die Bilder
der hundert oder tausend Öffnungen genau zwischen zwei aufeinanderfolgende senkrechte
Ränder der Hauptskala fallen.
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Das längs des sägezahnförmigen Randes der Hauptskala fallende Licht
wird von einer Photozelle aufgefangen, die infolge des Abtastens eine aus unterbrochenen
Impulsreihen bestehende Ausgangsspannung liefert. In Fig. 1, in der deutlichkeitshalber
eine Interpolation von zehn statt hundert oder tausend dargestellt ist, ist die
Impulszahl zwischen dem Rand Vn, d. h. dem letzten senkrechten Rand V der
Skala,
und dem letzten Impuls der Abtastung ein Maß für die Unterteilung des Abstandes
von 2,5 mm. Diese Zahl nimmt zu, wenn sich die Hauptskala nach links bewegt. In
einem gegebenen Augenblick begegnet man dem schrägen Rand S, und der gewünschte
Teil der Impulsreihe wird unterbrochen. Um die Zählung auf die richtige Weise fortsetzen
zu können, wird die Interpolationsskala auch direkt mittels einer zweiten Photozelle
beobachtet, deren Ausgangsspannung aus einer kontinuierlichen Impulsreihe besteht.
Die beiden auftretenden Impulsreihen sind in Fig. 2 dargestellt für den Fall, daß
dem schrägen Rand S während der Zählung begegnet wird.
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Man begegnet dem letzten senkrechten Rand V bei D, und die Zählung
müßte bis E fortgesetzt werden, um in diesem Falle eine Zählung 8 zu erzielen. Offensichtlich
würde die Zählung D dort anfangen müssen, wo das erste Zusammenfallen zwischen Impulsen
der beiden Reihen auftritt. Das letzte Zusammenfallen erfolgt bei F, und das bei
G auftretende Nichtzusammenfallen darf die Zählung nicht beenden. Dies wird durch
verhältnismäßig einfache Vorschaltungen möglich gemacht. Jedoch erfordert der Fall
nach Fig. 1 eine abweichende Behandlung.
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Sobald das Abtasten anfängt, tritt bei H ein Zusammenfallen auf, und
das Zählen wird mit den vorhandenen Vorrichtungen anfangen. Das Nichtzusammenfallen
bei K beendet diesen Vorgang nicht, und beim nächsten Zusammenfallen D kann das
Zählen daher weitergehen. In diesem Falle, der für mehrere mögliche Lagen der Hauptskala
auftritt, wird die ganze Reihe unabhängig von der Lage gezählt. Mittels einer weiteren
Vorrichtung kann aber erreicht werden, daß ein Zusammenfallen D, dem ein Nichtzusammenfallen
K voranging, den Zähler zurückstellt, wobei die ganze Zählung von H bis
D zu-
nichte gemacht wird. Aufeinanderfolgendes Zusammenfallen F, G läßt den
Zähler ungestört arbeiten. Am Ende jeder Abstastung werden die Vorrichtungen wieder
völlig zurückgestellt. Wenn eine Abtastung mit einem Nichtzusammenfallen anfängt,
so wird dies aufgezeichnet, und die Vorrichtungen werden für das erste Zusammenfallen
vorbereitet, bei dessen Auftreten die Zählung anfängt. Die Zählung geht weiter,
auch wenn Nichtzusammenfallen der Impulse auftritt, aber die Vorrichtungen werden
in diesem Falle für ein weiteres Zusammenfallen vorbereitet, falls dieses folgen
sollte. Der Fall von Nichtzusammenfallen - Zusammenfallen - Nichtzusammenfallen
- Zusammenfallen (Antikoinzidenz - Koinzidenz - Antikoinzidenz - Koinzidenz = AC-C-AC-C)
kann bei Abtastungen auftreten, die länger als der Abstand zweier Grobskalenmarkierungen
sind. Das erste Zusammenfallen C, dem ein Nichtzusammenfallen AC vorangeht, bewirkt
die Zuführung eines Rückstellimpulses zum Zähler. Der Zähler läuft bis zum zweiten
Zusammenfallen C weiter, unter dessen Einfuß wiederum ein Rückstellimpuls dem Zähler
zugeführt wird, so daß die bis dahin erfolgte Zählung gelöscht wird. Bei diesem
zweiten Zusammenfallen C beginnt die Zählung von neuem. Das Ende des Abtastzyklus
liefert dann das Ergebnis der Zählung vom letzten senkrechten Rand V bis zum letzten
Impuls, wie es erforderlich ist.
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Die Aufeinanderfolge von Fällen, die auftritt, wenn sich die Hauptskala
nach links bewegt (Abtastung nach rechts) ist in Fig.3 für eine Interpolation 1
: 10 mit dreizehn Impulsen dargestellt.
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Wenn die Abtastlänge kürzer als der Abstand zwischen dem Abfangpunkt
mit dem schrägen Rand S und dem zweitnächsten senkrechten Rand V ist, so sind die
vier dargestellten Fälle die einzig n?öglichen. Sie enthalten alle die Aufeinanderfolge
»Nichtzusammenfallen A - Zusammenfallen C«, worauf A oder nichts folgt. Die Aufeinanderfolge
C garantiert eine richtige Zählung. Auf diese folgt eine weitere Aufeinanderfolge
AC oder nichts. Hierdurch wird der Zustand bedingt, in dem die Hilfsvorrichtungen
am Ende des Abtastvorganges zurückgelassen werden. Da jedoch die Aufeinanderfolge
in jedem Falle wenigstens dreimal eine Änderung von AC in C oder umgekehrt enthält,
ist die Lage der Kreise am Anfang der nächsten Zählung gleichgültig, da eine Aufeinanderfolge
AC-C jedenfalls vor dem Anfang der Zählung vom richtigen senkrechten Rand V aus
auftritt. Eine Rückstellung am Ende jeder Abtastung ist nicht notwendig, vorausgesetzt,
daß die Abtastlänge hinreichend groß ist.
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Fig. 4 stellt schematisch ein Blockschema der bei diesem Ausführungsbeispiel
verwendeten Vorrichtungen dar. Es werden photoelektrische Vervielfacher zur Beobachtung
des optischen Bildes der Interpolationsskala verwendet. Die Impulsformerstufen 101
und 102 ergeben Impulse mit einer Amplitude von etwa 100 Volt. Diese Impulse werden
in den Umkehrstufen 103 und 104 umgekehrt, so daß eine Übertragung
von Licht zu einem Impuls positiven Vorzeichens führt. Die Impulse werden der Koinzidenz-Vorrichtung
105 zugeführt, die eine einzige Röhre enthalten kann, die durch zwei Gitter gesteuert
wird. Ein Zusammenfallen führt zu einem negativen Impuls, der der Kippstufe 107
zugeführt wird, die zwei stabile Betriebslagen hat (bistabiles Paar). An einer Anode
ist ein verstärkter negativer Impuls für die Rückstellung verfügbar; das Auftreten
des ersten Zusammenfallens wird durch die Betriebslage der Vorrichtung 107 aufgezeichnet.
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In der Verzögerungsstufe 108 und dem Impulsbreitenregler
112 werden die Impulse P 2 der kontinuierlichen Impulsreihe um eine
Zeit gleich einem Viertel der Impulsbreite verzögert, und ihre Breite wird auf die
Hälfte der ursprünglichen reduziert. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein unerwünschtes
Nichtzusammenfallen nicht aufgezeichnet wird, wenn ein Impuls der unterbrochenen
Reihe P 1 etwas außer Phase mit einem P2-Impuls auftreten würde. Bei Nichtzusammenfallen
wird mittels der Vorrichtung l.06 ein negatives Signal der anderen Röhre der bistabilen
Kippstufe 107 zugeführt, so daß das Nichtzusammenfallen als neue Lage der bistabilen
Kippstufe aufgezeichnet wird. Die zweite Anode der bistabilen Kippstufe
107 ergibt einen positiven Rechteckimpulszug, der mit der Unterbrechung der
Reihe von P 1-Impulsen zusammenfällt. Die Rückflanke dieses Impulszuges wird für
die Rückstellung des Zählers benutzt.
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Der Zähler 110 wird von der kontinuierlichen Impulsreihe P2
gespeist und gibt die Zählungen an eine Vergleichsvorrichtung 109 weiter,
in der die Zählungen mit einer erforderlichen Bemessungszahl verglichen werden,
die durch den Eingangsteil bedingt wird. Unterschiede, die positiv` oder negativ
sein können, ergeben Signale, die an einen Indukator weitergegeben werden, wenn
eine Handeinstellung
des Werkzeuges angewendet wird, oder einem
Servomechanismus zugeführt werden, wenn die Einstellungen selbsttätig erfolgen.
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Die beschriebene Ausführung ist bei viereckigen oder trapezförmigen
Hauptskalenteilungen, wie bei S1 oder S2 (Fig. 1) angegeben, oder bei anderen Formen
der Skalenteilung verwendbar; die Genauigkeit und die Gleichförmigkeit der Breiten
oder der Profile sind von geringer Bedeutung, wenn nur die Bezugsränder V genau
gestaltet sind und in den richtigen gegenseitigen Abständen liegen. Die Ausführung
kann auch mit geringer Änderung bei einer bogenförmigen oder kreisförmigen Sägezahnskala
Anwendung finden, wenn Winkelbewegungen vollführt oder gesteuert werden müssen,
z. B. bei Vorrichtungen zum Richten von Geschützen.
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Bei einer abgeänderten Ausführung, die schematisch in den Fig. 5 und
6 dargestellt ist, erzeugt die Abtastvorrichtung zwei Lichtflecke, die im Falle
einer waagerechten Skala beim Abtasten senkrecht übereinandergehalten werden. Ein
Lichtfleck führt eine ununterbrochene Abtastung der Sägezahnskala aus. Der andere
Lichtfleck wird zum Erzeugen von Impulsen benutzt und wird bei seiner Bewegung mit
Intervallen von einer Musterplatte oder Maske T 1 (Fig. 6) maskiert, so daß eine
Interpolation zwischen senkrechten Rändern V der Skala möglich ist. Beim Erzeugen
eines verkleinerten Bildes des Abtastmusters wird aber nur der Lichtfleck zum Abtasten
des Sägezahns verwendet, während der Impulse erzeugende Lichtfleck gegenüber dem
verkleinerten Linsensystem abgeschirmt ist und von einer getrennten Photozelle abgetastet
wird. Diese Photozelle ergibt daher eine Reihe von Impulsen, die während der Abtastung
ununterbrochen weiterläuft. Der Abtastfleck für den Sägezahn wird nur von der Sägezahnskala
unterbrochen, und die Ausgangsspannung der zugeordneten Photozelle ist im oberen
Teil der Fig. 5 angegeben. Wenn der Lichtfleck hinter dem senkrechten Rand V zum
Vorschein kommt, nimmt der Zellenstrom plötzlich zu, so daß die Ausgangsspannung
abnimmt, Q; diese Änderung unterscheidet sich von der in positiver Richtung gehenden
Änderung R, die auftritt, wenn der Fleck hinter dem schrägen Rand S verschwindet.
Der sich im negativen Sinne ändernde Rand Q wird als Signal verwendet, welches das
Zählen der Impulse einleitet, die im Ausgangskreis der Photozelle auftreten. Die
am Ende der Abtastung gezählte Anzahl ergibt die erforderliche Interpolation. Die
beiden Lichtflecke können gewünschtenfalls mittels einer senkrechten Lichtlinie
erhalten werden, die über ein waagerechtes Muster bzw. eine Maske streicht, wie
in Fig. 6 dargestellt. Die Maske hat einen kontinuierlichen Spalt T2 für den Lichtfleck
der Sägezahnabtastung und eine Reihe von Öffnungen für den die Impulse erzeugenden
Lichtfleck; letzterer ist durch einen Schirm oder Reflektor T3 gegenüber dem optischen
Verkleinerungssystem abgeschirmt.
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Eine Vorrichtung, die in der Weise wirkt, wie an Hand der Fig. 5 und
6 erläutert, wird im nachfolgenden ausführlich an Hand der Fig. 7 bis 10 beschrieben.
Diese Vorrichtung kann beim waagerecht verschiebbaren Tisch eines Werkzeuges Anwendung
finden. Bei dieser Vorrichtung ist die Hauptskala oder Grobskala ein Organ mit einem
mit Schraubengewinde versehenen Element, dessen eine oder beide Gewindeseiten als
Bezugsfläche ausgebildet sind und bei dem das Gewindeprofil längs einer Längsoberfläche
belichtet wird. Das Skalenorgan besitzt grobe Skalenteilungen von 2,5 mm, während
die Interpolationsskala beispielsweise hundert Teilstriche aufweist, so daß eine
Messung bis 0,025 mm möglich ist.
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In Fig. 7 ergibt eine feste Lichtquelle mit einem linearen Glühfaden
1 und einer Kondensorlinse 2 ein senkrechtes paralleles Lichtbündel, in dem ein
Abtastorgan in Form eines Spiegels 3 unter 45° mit einer senkrechten Zylinderlinse
4 hin und her geht. Das Abtastorgan wird von einem nicht dargestellten Wagen unterstützt,
der durch entsprechende Mittel hin und her bewegt wird, wobei die Bewegung in waagerechter
Richtung senkrecht zur Zeichenebene erfolgt. Der Spiegel bewegt sich daher im Bündel
hin und her und wirft einen konstanten Bündelteil auf die Linse 4. Letztere hat
die Form eines geschliffenen und polierten Glasstabes mit einer Länge von 25 mm
und einer Stärke von 12,5 mm. Sie ist mit ihrer Achse senkrecht angeordnet und erzeugt
ein senkrechtes Linienbild des Glühfadens in einem Abstand von etwa 4 mm von der
Oberfläche. Die Breite der Linie ist nach Verkleinerung mittels eines im nachfolgenden
zu beschreibenden Objektivsystems etwa 0,005 mm.
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Das optische System ist auf einer Grundplatte 8 angeordnet. Die Interpolationsskalenplatte
5, die noch beschrieben wird, ist in der Nähe des Abtastorgans über einer waagerechten
rechtwinkligen öffnung am Ende eines lichtdichten Gehäuses 9 angeordnet. Eine waagerechte
Teilungsplatte T3 teilt die Skalenplatte 5 und das Gehäuse 9 in einen oberen und
einen unteren Teil auf gleiche Weise. Ein Spiegel 10 reflektiert Licht vom oberen
Teil der Skala 5 in Richtung auf einen Photovervielfacher 12. Das Gehäuse 9 mit
seinem Inhalt, das Abtastorgan und die Lichtquelle sind auf einem Schlitten angeordnet,
so daß die Länge des Systems und auch der optische Verkleinerungsfaktor, der z.
B. 40. 1 beträgt, eingestellt werden können. Ein zweites lichtdichtes Gehäuse
14 ist starr auf der Grundplatte 8
angeordnet und mit dem Gehäuse 9
durch eine teleskoprohrartige Verbindung 15 verbunden. Das Gehäuse 14 enthält ein
Mikroskop 17 mit einem 16-mm-Objektiv und einem Einstellorgan. Die mit Gewinde versehene
Grobskala 18 ist mit ihrer Meßoberfläche 19 dem Mikroskopobjektiv gegenüber angeordnet,
während eine Photovervielfachungszelle 22 an der anderen Seite angebracht ist.
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Um einen wesentlichen Verlust an Auflösungsvermögen und eine überlastung
der Photozelle zu vermeiden, muß beim Auffallen von Licht unter einem kleinen Winkel
auf der unteren Fläche der Teilungsplatte T3 eine Reflexion vermieden werden; denn
sonst wäre ein zweites unregelmäßiges Bild der Lichtlinie im Mikroskopobjektiv sichtbar.
Auch kann ein Spiegel zum Verdoppeln der Länge des Lichtstrahles benutzt werden,
wie sie vom Objektiv wahrgenommen wird. Reflexionen durch die Wände der Gehäuse
9 und 14 müssen vermieden werden.
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Wie in Fig. 8 dargestellt, enthält die Skalenplatte 5 einen oberen
Teil s' mit undurchsichtigen Markierungen und einen unteren, hellen Teil 5". Die
Interpolationsskala des Plattenteiles 5' entsteht z. B. durch photographische Verkleinerung
einer großen Zeichnung in Weiß und Schwarz oder durch direktes Gravieren. Die in
Fig. 8 dargestellte Ansicht ist eine komplexe Ansicht, deren Unterhälfte durch das
Mikroskopobjektiv
und deren Oberhälfte durch die Photozelle 12 gesehen werden würde. Das vergrößerte
rückprojizierte Bild der groben Skalenteilung V ist zur Erläuterung hinzugefügt.
Die schraubenförmige Platte des verwendeten Skalenelementes hat einen sägezahnförmigen
axialen Querschnitt, so daß auf der Meßfläche 19 (Fig. 7) ein Sägezahnprofil entsteht,
das schräge Seiten S und senkrechte Bezugskanten V aufweist.
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Die vom Abtastbündel erzeugte Lichtlinie ist bei 23 als aus zwei Teilen
bestehend dargestellt, die von der Wand T3 getrennt sind. Die Verwendung eines Lichtstriches
bietet wesentliche Vorteile gegenüber kreisförmigen oder viereckigen Lichtflecken,
die mit der Vorrichtung nach Fig. 6 erzeugt werden. Abgesehen vom erzielbaren höheren
Auslösungsvermögen und der größeren Menge des einfallenden Lichtes ergibt sich ein
weiterer Unterschied zwischen den Spannungsänderungen an der Photozelle 22 und den
entsprechenden Änderungen R und Q nach Fig. 5. Das Markieren des Lichtstriches durch
einen schrägen Rand S erfolgt allmählich, so daß eine allmähliche Stromabnahme in
der Zelle und eine entsprechende Spannungszunahme R 1 (in Fig. 8) auftritt, die
sich leicht von der schnellen Änderung Q1 (infolge des Erscheinens des Bündels hinter
einem Rand V) unterscheiden läßt, ohne daß man den Polaritätsunterschied zu beachten
braucht. Diese Eigenschaft gestattet, daß das elektrooptische System während des
Wagenrücklaufs wirksam bleiben kann, ohne daß ein Schalten nötig ist, was nicht
nur die Vorrichtung komplizieren, sondern auch Spannungsänderungen hervorrufen würde,
die nicht direkt von der gewünschten Änderung Q 1 zu unterscheiden sind.
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Die vom zurückkehrenden Bündel erzeugte Wellenform kann daher wie
eine Fortsetzung der Wellenform Q 1, R 1 nach Fig. 8 dargestellt werden und enthält
entgegengesetzte Änderungen R2, Q2.
Wenn der Lichtstrich hinter einem
senkrechten Rand V zum Vorschein kommt, so entsteht in der Photozelle 22 die scharf
abfallende Welle Q 1, während das Abdecken durch einen schrägen Rand S die langsam
zunehmende Welle R 1 ergibt. Das Abdecken durch einen senkrechten Rand V beim Rücklauf
ergibt die steil ansteigende Flanke Q2, während die Erscheinung des Bündels
hinter einem schrägen Rand S die langsam abnehmende Linie R 2 ergibt. Die hieraus
durch Differenzierung erhaltene Wellenform ist in Fig.10 dargestellt und enthält
zwei scharfe Impulse großer Amplitude, aber entgegengesetzter Vorzeichen, sowie
zwei Impulse viel geringerer Amplitude (z. B. des zehnten Teiles der ersteren) und
längerer Dauer. Hierbei ist einer der scharfen Impulse, der Q 1 entspricht, deutlich
von den anderen drei Signalen zu unterscheiden und wird als Steuerimpuls benutzt.
Dieser Impuls öffnet ein Tor, durch das die übrigen von der Interpolationsskala
erzeugten Impulse dem Zähler zugeführt werden. Die Zahl dieser Impulse ist ein Maß
für den Abstand des Randes V (Fig. 8) bis zum rechten Ende 6 der Interpolationsskala
und ergibt daher die erforderliche teilweise Verschiebung der Haupskala.
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Die Interpolationsskala auf der Platte 5 hat mehr als hundert Teilstriche,
z. B. hundertzehn, so daß an den Grenzen der Abtaststrecke bestimmte Toleranzen
zulässig sind. Die Abtastung muß im mittleren Teil des Abschnitts 7 anfangen und
im mittleren Teil des Abschnitts 11 enden (Fig. 8). Auf diese Weise wird erreicht,
daß 1. eine Skalenlänge mit wenigstens hundertzehn Teilstrichen abgetastet wird,
Il. der Lichtstrich 23 der Interpolationsskala am Ende der Vorwärts-Abtastung verschwindet,
da sie den Rand 6 passiert, und 11I. der Lichtstrich 23 nie auf dem hellen Teil
5" der Skalenplatte abgedeckt wird, ausgenommen durch die Form der Grobskala.
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Aus II folgt, daß ein Signal am Ende der wirksamen oder Vorwärts-Abtastung
auftritt. Dieses Signal, wie es noch näher erklärt wird, ist nötig zur Unterscheidung
der Rücklauf-Abtastung von der Vorlauf-Abtastung. Die Eigenschaft I ermöglicht einen
allmählichen übergang von einem Sägezahnrand auf den nächsten, während III eine
deutliche Unterscheidung der Bezugsränder ermöglicht.
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Fig. 9 stellt ein Blockschema der Vorrichtung zum Selektieren und
zum Zählen der vom Photovervielfacher 12 (Fig. 7) herrührenden Impulse und zur Durchführung
der entsprechenden Interpolationsmessung dar und Fig.10 verschiedene Wellenformen,
die mit der Vorrichtung nach Fig. 9 erhalten werden. Die Vorrichtung enthält folgende
Elemente: a) eine von Hand zu betätigende Eingangseinheit 26 mit Steuerschaltern
27 und 28 zum Eingeben der Einstellungen in Viertel- und Vierzigstelteilen eines
Millimeters der gewünschten Tischposition, und jeder Schalter hateinenBedienungsknopf,
und weiter angegebene Knöpfe 29 dienen zur Grobeinstellung des Tisches auf das nächste
Viertel eines Millimeters, b) einen Detektor 30 zum Erzeugen eines Impulses 63 (Fig.
9 und 10), der das Tor 32 am Ende jeder Vonvärtsabtastung schließt, c) eine Vorrichtung
31 zum Differenzieren der Wellenform Q 1, R 1, R 2, Q 2 (Fig. 8 und 10) und zum
Erhalten des Impulses 62, der das Tor 32 öffnet, d) ein Tor 32, das von Impulsen
62 und 63 derart betätigt wird, daß nur der wirksame Teil 66 jeder von der
Photozelle 12 abgeleiteten Impulsreihe durchgelassen wird, e) einen Zähler 34 zum
Zählen des durch das Tor 32 passierenden Teiles jeder Impulsreihe, wobei die Anfangslage
des Zählers durch die Schalter 27 und 28 eingestellt wird, mit denen er durch die
Leitung 33 verbunden isst, f) ein Register 36, an welches die aufeinanderfolgenden
Zählungen des Zählers 34 parallel über das Übertragungsrelais 35 weitergegeben werden,
g) einen übertragungsimpulsgenerator 37, der einen übertragungsimpuls 64 (Fig. 9
und 10) ergibt, der aus dem Impuls 63 abgeleitet wird und sämtliche Realis 35 für
eine regelbare LUbertragungszeit gleichzeitig schließt, h) eine Vorrichtung 39 zum
Erzeugen eines Wiederherstellungsimpulses 65 (Fig. 9 und 10), der nach einer durch
die Verzögerungsvorrichtung 38 bedingten Zeitverzögerung aus dem Impuls 64 abgeleitet
wird, der Wiederherstellungsimpuls 65 dient zur Rückstellung des Zählers über den
Schalter der von Hand betätigten Eingangseinheit,
i) eine Vorrichtung
40, durch die aus dem Register die Größe und die Richtung des Fehlers der Tischposition
abgeleitet werden, j) ein Meßinstrument 41 zur Anze_g. d;.s Po-stionsfehlers. hinsichtlich
Betrag und Richtung (links oder rechts von der Nullage).
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Jeder Arbeitszyklus der Vorrichtung umfaßt folgende Phasen: a) Die
durchgelassene Impulsreihe, die eine Messung darstellt, wird vom Zähler 34 empfangen
und von der Zahl subtrahiert, die bereits vorher durch die Schalter 27, 28 der Eingangseinheit
eingestellt wurde.
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b) Die Übertragungsrelais 35 werden unter der Wirkung der Vorrichtungen
30, 37 momentan geschlossen, so daß c) der Unterschied, d, h. der Fehler, der im
Zähler festgehalten wird, an das Register 36 und von dort an das Meßinstrument 41
weitergegeben wird.
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d) Die Übertragungsrelais werden wieder unter der Steuerung der Vorrichtungen
30 und 37 geöffnet. e) Es wird von der Vorrichtung 38 eine Verzögerung eingeleitet,
um die Phase d) zu ermöglichen; diese Verzögerung gleicht die mechanische Trägheit
der Relais aus.
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f) Der Zähler 34 wird von der Vorrichtung 39 über die Schalter 27,
28 zurückgestellt, so daß er die nächste Impulsreihe empfangen und zählen kann.
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Die Phasen a) und b) treten während der Vorwärts-Abtastung und die
Phasen c) und f) während der unbenutzten Rückkehr auf. Die Wirkungsweise des Systems
wird im nachfolgenden ausführlicher beschrieben.
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Die vier Knöpfe oder Skalen der von Hand betätigten Eingangseinheit
26 werden derart eingestellt, daß sie die gewünschte Position der Maschine angeben.
Bei jeder Abtastung ist eine Impulsreihe verfügbar, deren Zahl gleich der Gesamtzahl
so vieler Vierzigstel eines Millimeters in dem Teil von 2,4 mm ist, auf den eingestellt
wurde. Die Eingangseinheit sei z. B. auf 60,155 eingestellt. In ;der Annahme, daß
der Tisch durch andere Mittel innerhalb der passenden Skalenteilung von 2,5 mm eingestellt
wird, sind die beiden betreffenden Skalen in diesem Falle auf 6 (Vierzigstel) und
2 (Vierhundertstel) durch die Knöpfe der Schalter 27 und 28 eingestellt. Wenn die
Sägezahuskala und daher auch der Tisch zufälligerweise eine Lage einnimmt, in der
jede Abtastung 78 Impulse liefert, so bedeutet dies, daß die teilweise Verschiebung
der Skala 0,195 mm ist. Die. beiden Zahlen 155 und 195 müssen verglichen und Größe
und Vorzeichen ihrer Differenz der Bedienungsperson angezeigt werden, so daß sie
den Tisch der Maschine (und daher auch die Sägezahnskala) verschieben kann, bis
in jeder Reihe gerade zweiundsechzig Impulse vorhanden sind. Wenn diese Lage erreicht
ist, so steht das Meßinstrument 41 auf Null, und der Tisch hat eine Lage, die der
Einstellung der Eingangseinheit entspricht.
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Der Zähler34 enthält zwei Dekaden, die je aus vier bistabilen Paaren
bestehen und in Reihe geschaltet sind, so daß der Zähler nur bis hundert zählen
kann. Der Umstand, daß der Zähler nur bis hundert zählen kann, wird dazu benutzt,
eine allmähliche Übertragung von einem Skalenrand des Sägezahns auf den anderen
zu erreichen, wobei es nicht notwendig ist, sehr :genaue Grenzen für die Abtastl'änge
und die Lage zu bestimmen, die, wie bereits erwähnt, sich etwas ändern können, falls
mehr als hundert Teilstriche abgetastet wenden.
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Der Zähler 34 ist derart eingerichtet, daß beim Empfang aufeinanderfolgender
Impulse die Zählung für jeden Impuls um einen erhöht wird. Beispielsweise wird angenommen,
daß der Zähler die Zah156 anzeigt und ihm eine Reihe von hundert Impulsen zuge-,
führt wird. Der Zähler durchläuft dann folgenden" Zyklus: 56, 55, 54, 53 ... 3,
2, 1, 0, 99, 98, 97, 96 ... 59, 58, 57, 56.
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Die letzte Zahl des Zyklus ist gleich der ersten, so daß eine Reihe
von hundert Impulsen hinsichtlich des Ergebnisses nicht von einer Reihe von null
Impulsen unterscheidbar ist. Wenn wieder angenommen wird, daß die Zählung 56 anzeigt,
nachdem vierundzwanzig Impulse zugeführt wurden, so durchläuft der Zähler die Reihe:
56, 55, 54, 53 ... 35, 34, 33. 32.
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Er steht dann auf 32, entsprechend der Differenz zwischen 56 und 24.
In sämtlichen Fällen wird die Eingangseinheit zum Wählen .der Lage (in diesem Falle
56) benutzt, von der die abnehmende Zählung ausgeht; auf diese Weise ergibt sich
die erhaltene Subtraktion der Impulsreihe von der Anfangseinstellung.
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Wenn die erforderliche Tischlage (und daher die Handeinstellung der
Eingangseinheit) in Wert erhöht wird, so wird der Rand V (Fig. 8) nach links bewegt.
Bei einer Einstellung zwischen 80 und 90 (Vierzigstel eines Millimeters) wird der
nächste senkrechte Rand rechts (V, Fig. 8) von der Abtastung getroffen, und ein
zweiter öffnungsimpuls 63 für das Tor wird während der Vorwärts-Abtastung erzeugt.
Dies bleibt wirkungslos, da das Tor 32 bereits geöffnet ist. Bei einer Einstellung
von 100 oder 0 Vierzigstel werden bei jeder Abtastung hundert Impulse der Interpolationsskala
5' erhalten. Von dieser Einstellung bis zu einer Einstellung von 10 bis 20 ist die
erhaltene Impulszahl gleich der Handeinstellung, zuzüglich 100, und diese Zahl erscheint
am Zähler.
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In einem bestimmten Augenblick wird der linke Rand V nicht mehr von
der Abtastung getroffen, und zum öffnen des Tors wird nur ein Impuls erzeugt, nämlich
derjenige des rechten Randes V. Die Impulszählung kann dann sein: 113, 114, 115,
116, 117, 118 ... infolge des Umstandes, daß die Ränder V und V' genau hundert
Impulse voneinander entfernt sind. Es tritt daher keine Unterbrechung auf, wenn
die Zählung eines Randes V auf den anderen übergeht.
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Die Übertragung der Einstellung der Eingangseinheit auf den Zähler
erfolgt in Parallelschaltung auf folgende Weise: Im Augenblick, in dem .der Zähler
auf die Eingangsablesung eingestellt werden muß, wird ein einziger Rückstellimpuls
erzeugt. Er wird gleichzeitig über die Schalter 27, 28 und getrennte Leitungen in
den Leitern 33 jeder der vier Stufen der beiden den Zähler darstellenden Teile eines
Dekadenzählers zugeführt, und jeder Leiter 33 enthält zu diesem Zweck acht Leitungen.
Jeder Schalter ist ein Achtbank-Zehnweg-Schalter, und die Bedrahtung der Bänke und
Wege ist derart, daß die entsprechenden bistabilen Paare in die richtige Lage zurückgeführt
werden, um die durch die Einstellung der Schalter gegebene Anzahl anzuzeigen. Es
ist möglich, daß bei Rückstellung ein Überschlag zwischen den Stufen im Zähler und
vom Zählerteil der »Vierzigstel« aus stattfindet.
Der Rückstellimpuls
65 ist aber lang genug, um jede. infolge dieser Erscheinung auftretende Übargangslage
in der Dauer zu übertreffen, und der Zähler wird die gewünschte Lage einnehmen,
wenn der Rüokstellimpuls endet. Sobald der Rückstellimpuls endet, ist der Zähler
bereit, auf die beschriebene Weise eine weitere Subtraktion auszuführen.
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Der impulsförmige Ausgang der Photozelle 12 wird am Ende der Vorwärts-Abtastung,
wenn die Lichtlinie den Rand 6 passiert, unterbrochen, wobei dieser Rand als zweiter
Bezugsrand dient, der mit dem eigentlichen Arbeitsrand V zusammenwirkt. Diese Unterbrechung
wird durch Gleichrichtung in der Einheit 50 angezeigt, und es ergibt sich ein Signal
3, das eindeutig ist und anzeigt, daß die Vorwärtsabtastung beendet ist. Dieses
Signal wird zum Sperren des Tores 32 und zum Betätigen des Generators 37 für die
Impulsübertragung benutzt. Der so erhaltene. übertragende Impuls 64 dient zum Schließen
des übertragungsrelais 35 und zur parallelen Übertragung der Differenzzahl vom Zähler
auf das Register. Die Verzögerungsvorrichtung 38 ermöglicht das öffnen des Übertragungsrelais,
und der Generator 39 für den Rückstellimpuls ergibt den verzögerten Rückstellimpuls
65, der für den bereits beschriebenen Zweck verwendet wird. Infolge des unbenutzten
Rückschlags wird daher Zeit für die Funktionen der Übertragung und der Rückstellung
verfügbar.
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Wenn die Impulszahl in einer durchgelassenen Reihe größer ist als
die im Zähler eingestellte Anzahl, so entsteht das Komplement der Differenz gegenüber
100. Fehler von 50 bis 99 werden als negative Fehler und die von 0 bis 49
als positive Fehler betrachtet. Der Inhalt des Registers 36 wird hinsichtlich der
Größe und des Sinnes des Fehlers mittels der Vorrichtung 40 geprüft, die eine Gleichspannung
von damit im Zusammenhang stehender Amplitude und Polarität erzeugt. Diese Gleichspannung
wird dem Meßinstrument 41 zugeführt, dessen Nullpunkt in der Mitte der Skala liegt
und das eine Anzeige der Richtung ergibt, in die der Tisch der Maschine bewegt werden
muß, um den Fehler auszugleichen.
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Um den richtigen Rand V zu verwenden, muß dieser innerhalb 0,0125
mm von seiner Endlage liegen. Das Grobeinstellsystem muß diese Genauigkeit haben,
wie es auch in der vorstehenden Beschreibung vorausgesetzt wurde. Gewünschtenfalls
kann ein Prüfsystem für die Grobeinstellung vorgesehen sein, um auf elektrischem
Wege die wirkliche Lage des Tisches mit einer gewünschten Grobeinstellung (z. B.
in Zentimetern oder in Millimetern) zu vergleichen, die mittels der Knöpfe 29 bewirkt
wird. Ein solches System kann auf einem getrennten Instrument eine Anzeige ergeben;
die Vorrichtung kann auch derart sein, daß die von der Vorrichtung 9 dem Instrument
41 zugeführten Signale unterdrückt werden und die Anzeige des Instruments rechts
oder links gehalten wird, bis der Tisch bis auf einen Abstand von 0,125 mm von der
gewünschten Endlage geführt ist. In dieser Lage geht die Steuerung selbsttätig auf
das der Vorrichtung 40 entnommene Signal für die Feineinstellung über, so daß die
Bedienungsperson eine völlig eindeutige Anzeige erhält.
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Die Übertragungsrelais können elektromagnetische Relais oder Torkreise
mit Dioden sein. Ferner kann die Genauigkeit des Systems von 0,25 bis auf 0,025
mm dadurch vergrößert werden, daß auf der Interpolationsskala 5' eine Teilung in
Tausendsteln angebracht wird und der Eingangseinheit 26 ein weiterer Schalter mit
Skala zugefügt wird, wobei unter anderem gleichzeitig ein dritter Teil im Zähler
34 zum Zählen von gewünschten Teilen eines Millimeters angebracht werden muß.
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Obzwar der Tisch von einer Bedienungsperson mittels der Anzeige des
Instrumentes 41 von Hand eingestellt werden kann, können diese Anzeigen auch zur
Steuerung eines den Tisch selbsttätig einstellenden Servosystems verwendet werden.
Im ersteren Falle ist die Vorrichtung vorzugsweise derart, daß die Amplitude des
Fehlers durch den Abstand zwischen dem Zeiger und der Mitte der Skala bis auf eine
bestimmte Maximalamplitude bedingt wird, über welche zunehmende Fehler Anzeigen
mit konstanter oder nahezu konstanter Amplitude ergeben.