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Vorrichtung zum Messen von Verstellbewegungen nach Größe und Richtung
mittels eines Rasters Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen
von Verstellbewegungen nach Größe und Richtung mittels eines aus nahezu senkrecht
zur Bewegungsrichtung verlaufenden Linien gebildeten Rasters und mit mindestens
zwei mit dem Raster und einem ortsfesten Lichtstrahlenbündel in Durchlicht-oder
Auflichtabtastung zusammenwirkenden photoelektrischen Zellen, bei welcher bei der
Abtastung die durch optische Abbildung erzeugten, sich senkrecht zu sich selbst
bewegenden Überlagerungsbilder mittels der photoelektrischen Zellen Wechselspannungen
erzeugen, deren Frequenz und Phasenlage Kriterien für die Größe und Richtung der
zu messenden Verstellbewegungen bilden.
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Solche Vorrichtungen werden bei der Einstellung von Geräten benutzt,
bei denen geradlinige Bewegungen oder Drehbewegungen vollführt werden, z. B. bei
Werkzeugmaschinen, wie Bohr-, Fräs- und ähnlichen Maschinen. Hier liegt mitunter
die Aufgabe vor, daß kleine von Hand oder selbsttätig erfolgende Verstellbewegungen
eines beweglichen Teiles gegenüber einem ortsfesten Teil, z.B. eines Schlittens
gegenüber einem Gestell, mit großer Genauigkeit selbsttätig gemessen werden müssen.
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Hierfür können zwei optische Raster benutzt werden, von denen einer
mit dem beweglichen Teil gekoppelt ist und der andere stillsteht, und die den Strahlen
einer Lichtquelle ausgesetzt sind. Diese Raster können eine Periode von 5 u haben
und Phasenraster oder auch Absorptionsraster sein. Im ersteren Falle handelt es
sich um eine Periodizität in optischer Stärke, im zweiten Falle um eine Periodizität
in Absorption.
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Die in den photo elektrischen Zellen erzeugten Stromimpulse werden
in einem elektronischen Zähler gezählt, der derart eingerichtet ist, daß die durch
die Bewegung in einer Richtung, z. B. der Vorwärtsrichtung, entstehenden Impulse
als positive Impulse und die durch die Bewegung in der anderen Richtung entstehenden
Impulse als negative Impulse gezählt werden. Dies wird mit Hilfe der verschiedenen
Impulsreihen und der gegenseitigen Phasenbeziehung erzielt, die von der Verschiebungsrichtung
abhängt.
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Wenn man nun von einer Vorrichtung ausgeht, bei der in wenigstens
zwei Photozellen phasenverschobene Spannungen hervorgerufen werden, wobei beispielsweise
vier Zellen mit Phasenverschiebungen zwischen den Strömen von 900 vorhanden sein
können, erstrecken sich diese Phasenverschiebungen über einen Winkel von 3600 bzw.
2700, während es wesentlich ist, daß ein Bestrahlungsfeld von wenigstens zweimal
3600 umspannt wird; hierbei empfängt jede der Photozellen Licht von zwei zueinander
über 3600 verschobenen Gebieten des Feldes. Hier muß nun darauf geachtet werden,
daß die dadurch erzeugten Ströme, falls keine Fehler vorhanden sein sollten, einander
genau gleich sind. Da nun der Phasenunterschied zwischen den Zellen von verschiedenen
Faktoren abhängig ist, die nicht konstant sind, ist es jedoch schwierig, bei einem
Raster, der eine gewisse Länge hat, die Rasterperioden über die ganze Länge konstant
zu halten. Es entstehen dann nicht nur Phasenfehler bei dem sogenannten Noniusmoire,
sondern auch die Richtung der Rasterzelle läßt sich schwer über die ganze Länge
konstant halten. Dies führt zu Fehlern im sogenannten Kreuzmoire.
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Die Erfindung verfolgt die Aufgabe, aus dem Bereich der bei der Messung
abzutastenden Uberlagerungsbilder, welche durch das Abbilden der Gitter mittels
eines feinen Strahlenbündels erzeugt werden, eine Auswahl zu treffen, nämlich derart,
daß der Abstand dieser Bereiche gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
dunklen Zeilen (Dunkelstreifen) bemessen ist. Zu diesem Zweck werden bei der eingangs
genannten Meßvorrichtung erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise durch entsprechende
optische Mittel verschiedene Bereiche der abzutastenden Oberlagerungsbilder durch
Photozellen abgetastet und hierbei beachtet, daß dabei die Abstände dieser Bereiche
gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden dunklen Uberlagerungsstreifen
bemessen sind.
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Bevorzugt werden die Überlagerungsstreifen in an sich bekannter Weise
durch das Zusammenwirken von relativ zueinander, nahezu senkrecht zu den Rasterlinien
verschiebbaren Rastern oder eines verschiebbaren Rasters und eines stillstehenden
Rasters mit gleicher Rasterkonstante erzeugt, deren Linien in einem kleinen Winkel
zueinander verlaufen.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß
das Licht von den verschiedenen Bereichen durch die Wirkung optischer Prismensysteme
auf eine einzige Photozelle einwirkt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt das Entstehen eines sogenannten Kreuzmoire-Musters
mittels zweier Raster. Der erste Raster ist auf einer Skala 1 aufgetragen und besteht
z. B. aus einer großen Anzahl zur Längsrichtung der Skala senkrechter, undurchsichtiger
Zeilen auf einem durchsichtigen Hintergrund. Dieser Teil ist vorzugsweise, z. B.
auf dem Gestell einer Werkzeugmaschine, fest angeordnet. Über diesen Raster kann
sich ein auf einer durchsichtigen Grundplatte2 angebrachter Raster bewegen, der
auf dem beweglichen Teil der Maschine befestigt gedacht werden kann. Der zweite
Raster besteht auch aus einer Anzahl undurchsichtiger Zeilen, deren gegenseitiger
Abstand in der Längsrichtung der Skala gleich dem Abstand zwischen den Zeilen des
ersten Rasters ist, aber damit einen kleinen Winkel einschließen; die Rasterperiode,
d. h. der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Rasterzeilen, ist in übertriebenem
Maßstab dargestellt. Es wird angenommen, daß senkrecht zur Ebene der Raster ein
durch nicht dargestellte, optische Mittel erzeugtes Lichtbündel fällt. Hinter den
Rastern bildet sich dabei ein sogenanntes Moire-Muster, das aus einer Anzahl dunkler
und heller Zonen besteht, die sich in der Längsrichtung der Skala 1 erstrecken und
deren gegenseitige Abstände von dem Winkel zwischen den Rasterzeilen abhängen. Es
wird weiter angenommen, daß dieser Winkel derart gewählt ist, daß eine Lichtverteilung
entsteht, wie diese in dem rechten Teil der Fig. 1 dargestellt ist. Die Lichtverteilungskurve
ist in diesem Falle als eine Sinuslinie angegeben, was in der Praxis oft der Fall
ist. Man kann dabei die Bildfläche in eine Anzahl von Gebieten eingeteilt denken,
die durch Linien a, b, c, d, e getrennt sind. Die vier photoelektrischen Zellen
können in diesen Gebieten 1, II, III und IV hinter dem Raster 2 angeordnet werden.
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Bewegt sich der Raster 2 nach rechts, so vollzieht sich eine Verschiebung
der Zeilen des Moiré-Musters nach unten; bewegt sich der Raster nach links, so bewegen
sich die Zeilen aufwärts. In den Kreisen der photoelektrischen Zellen entstehen
Wechselspannungen mit gegenseitigen Phasenverschiebungen von 900, wobei die zyklische
Reihenfolge von der Bewegungsrichtung des zweiten Rasters abhängig ist.
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Infolge Unregelmäßigkeiten der Raster entstehen Verformungen des
Bildmusters und hinderliche Phasenänderungen der erzeugten Wechselspannungen.
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Bei der Erfindung wird die Moire-Periode bedeutend kleiner gewählt,
so daß das Gesichtsfeld mindestens das Zweifache der Periodenzahl als in F i g.
1 aufweist, während das Licht der entsprechenden Teile des Lichtmusters in eine
einzige, photoelektrische Zelle konvergiert wird. Dies wird an Hand der F i g. 2
erläutert.
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Bei der gleichen Rasterperiode ist der Winkel zwischen den Zeilen
des ersten Rasters und denen des zweiten Rasters zweimal größer, so daß eine Lichtverteilung
hinter den Rastern entsteht, wie diese in dem rechten Teil der F i g. 2 veranschaulicht
ist. Die Anzahl der Gebiete ist dabei verdoppelt. und das Gesichtsfeld weist die
doppelte Anzahl von Perioden auf. Durch optische Mittel wird das Licht von allen
Zonen I auf die erste Photozelle, das Licht von allen Zonen II auf die zweite Photozelle
usw. geworfen.
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Das erste Signal wird durch alle mit I bezeichneten Zonen, das zweite
durch alle mit II bezeichneten Zonen, usw. geliefert.
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Die so erhaltenen vier Signale haben eine Phasenbeziehung, die umso
konstanter ist, je größer die Anzahl von Perioden ist, in welche das Meßgebiet geteilt
ist. Bei einer Anderung der Moire-Penode, die z. B. auf eine Anderung des Winkels
zurückzuführen wäre, könnte eine Amplitudenänderung auftreten, aber diese ist für
alle Signale dieselbe und läßt sich leicht beseitigen.
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Eine Auführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit optischen
Systemen ist in F i g. 3 dargestellt.
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Die Lichtquelle ist in der Brennebene der Linse 4 angeordnet, und
das Licht geht zunächst durch diese Linse hindurch. Es geht weiter durch die Raster
2 und 1, die in der in F i g. 2 dargestellten Weise gestaltet sind. Die Linse 5
gibt eine Abbildung der Lichtquelle an der Stelle der Linse6, welche die Raster
an der Stelle der Prismarasterpiatte 7 abbildet, die in diesem Falle zwei Prismen
hat, deren Achsen zur Zeichnungsebene senkrecht sind. Das Licht der gleichartigen
Zonen wird darauf mittels der Linse 8 auf jede der photoelektrischen Zellen 9, 10,
11 und 12 konzentriert.
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Diese Ausführungsform bezieht sich auf vier um 900 in Phase verschiedene
Signale.
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Es ist selbstverständlich, daß die Teilebene auf ähnliche Weise in
drei oder mehr Teile geteilt werden kann, in welchem Falle auf jede der photoelektrischen
Zellen das Licht von drei oder mehr verschiedenen Gebieten fällt. Es müssen dann
drei oder mehr Prismen vorhanden sein.
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Die Erfindung kann auf ähnliche Weise benutzt werden, wenn statt
zwei Raster, deren Zeilen in einem Winkel zueinander verlaufen, zwei Raster verwendet
werden, deren Rasterkonstanten etwas verschieden sind. In diesem Falle erstrecken
sich die hellen und dunklen Zonen parallel zu den Rasterzeilen. Im Prinzip könnte
die Erfindung auch mit einem einzigen Raster durchgeführt werden. Bei Anwendung
von Phasenrastern kann die in Fig. 3 veranschaulichte Anordnung benutzt werden.
Nur müssen die Photozellen in den geeigneten Biegungsmaxima angeordnet werden, die
durch die kombinierte Wirkung der beiden Raster entstehen.