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Vorrichtung zur objektiven Bestimmung der Lage eines Objektes relativ
zu einem Teilungsträger Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur objektiven Lagebestimmung
eines Objektes relativ zu einem Teilungsträger mit einer binär vercodeten Teilung,
deren kleinste Intervalle mit Hilfe einer Interpolationseinrichtung eine weitere
Unterteilung erfahren.
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An Werkzeugmaschinen werden Wegmeßsysteme mit steuerfähigen Ausgangssignalen
zur selbsttätigen Lagezuordnung von Werkzeug zu Werkstück nach numerisch vorgegebenen
Programmen benötigt.
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Meßsysteme mit großem Meßbereich und hoher Auflösung arbeiten in der
Mehrzahl mit digitaler Meßwertangabe, da analoge Meßverfahren mit Vergrößerung des
Meßbereiches an Auflösungsvermögen einbüßen. Bei digitalen Meßmethoden findet die
Umwandlung der Meßgröße in eine andere physikalische Größe nicht stetig, sondern
in endlich kleinen Elementarschritten statt. Hierzu wird die zu messende Strecke
oder der zu messende Winkel in gleich große Meßeinheiten (Wegcremente) aufgeteilt.
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Systeme mit Bewegungsumformung verlieren durch das Übertragungsgetriebe
an Genauigkeit und unterliegen außerdem der Abnutzung. Daher sind Meßsysteme mit
direkter, berührungsfrei abgreifender Arbeitsweisevorteilhafterundmeßtechnisch,einwandfreier.
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Meßsysteme mit absoluter Arbeitweise haben eine bestimmte Bezugslage,
auf welche die Meßwerte beliebiger Stellungen bezogen werden. Hierzu bedient man
sich codierter Maßstäbe. Von diesen wird zur Kennzeichnung einer bestimmten Meßstellung
eine entsprechende binäre Zeichenkombination abgegriffen. In Meßsystemen mit absoluter
Arbeitsweise geht die Bezugslage auch nicht nach einer Stromunterbrechung verloren.
Jedoch sind binär codierte Teilungen von etwa 1/10o mm oder feiner technisch schwer
herzustellen. Ferner verliert der Abgriff der Stellungswerte von solchen feincodierten
Transversalmaßstäben an Sicherheit, so daß eine praktische Anwendung in Frage gestellt
ist.
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Incremental arbeitende Meßsysteme beruhen auf der Ereigniszählung
(Impulszuwachsmethode), die jede Veränderung des Wertes der Meßgröße in Impulsen
zählt. Zur Ermittlung der Bewegungsrichtung ist ein zweiter Abgriff mit Teilungsverschiebung
und ein Zählrichtungsdiskriminator erforderlich. Eine feste Beziehung zu der ursprünglichen
Ausgangsstellung besteht bei incrementalen Systemen nicht, so daß bei Stromausfall
die Bezugslage verlorengeht und allenfalls durch Zurückgehen in die Ausgangsgrundstellung
wiederzuerlangen ist. Ein weiterer Nachteil der incrementalen Meßsysteme besteht
in der Gefahr der Einstreuung von Störimpulsen oder im Verschlukken von Zählimpulsen.
Ferner sind sogenannte zweistufige Meßsysteme bekannt. Hier bestimmt ein Grobsystem
im gesamten Meßbereich die Meßgröße grob, während das Feinsystem auf Grund seines
höheren Auflösungsvermögens die Interpolationswerte liefert.
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In solchen Interpolationseinrichtungen werden beispielsweise Stricheinfanggabeln
oder optische Meßeinrichtungen benutzt, deren analoge Bewegungsverschiebung zur
Herbeiführung des fotometrischen Symmetrieabgleichs ein Maß für die zu interpolierende
Größe darstellt. Allerdings bedarf es zur Umwandlung der analogen Größe in digitale
Werte noch eines zusätzlichen Analog-Digital-Umsetzers.
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Bei der Ablesung der Codespuren des absoluten Meßsystems ergeben sich
bekanntlich gewisse Schwierigkeiten, wenn ein Wechsel von »0« auf »L« in mehreren
Spuren gleicherorts vorliegt. Es ist erfahrungsgemäß äußerst schwierig, die Taster
(Leseelemente) an einer solchen Übergangsstelle auf die Dauer völlig gleichzeitig
umzuschalten. Ein nicht gleichzeitiger Wechsel nur einer Spur ergibt schon falsche
Positionswerte. Um an Übergangsstellen der Codeteilung Fehlablesungen vön Intervall
zu Intervall zu verhindern, wird bekannterweise die Ablesung mit V- oder U-förmigen
Tasteranordnungen vorgenommen. Diese Doppelablesung verwendet je Spur zwei Taster,
von denen zu der Abtastlinie einer vor- und der andere nacheilend versetzt angeordnet
ist, um Zweideutigkeiten in der Ablesung und somit in der angegebenen Positionsstellung
zu vermeiden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung
zur Messung von Längen oder Winkeln, die die Vorteile der incrementalen und der
absoluten Meßsysteme vereinigt, ohne deren Nachteile zu übernehmen, und die mit
großer Sicherheit die Wegmessung auf absoluter Basis unter Einhaltung kleinster
Wegabschnitte ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Interpolationseinrichtung
an sich
bekannte Mittel zur Abbildung der feinsten Teilung des Teilungsträgers
auf ein optisches Glied enthält, das während des Messungsvorganges ständig bewegt
ist und eine binäre Teilung sowie zwei Marken trägt, von denen eine den sich ständig
wiederholenden Interpolationsvorgang einleitet und die andere ihn beendet. Das Vergrößerungsverhältnis
bei der Abbildung der feinsten Teilung kann beliebig sein.
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Während das Interpolationssystem die Zwischenwerte von einem binär
geteilten Strichmaßstab in ständiger Wiederholungsmessung, ohne besondere Umwandlung
digital bildet, erfolgt die Bestimmung der vollen Teilungsintervalle nach einem
an sich bekannten Meßverfahren durch Abtastung -binärer Zeichenkombinationen, der
sich aus der Stellung des dualcodierten Maßstabes ergeben. Das nur für kurze Zeit
anstehende Resultat des jeweiligen Interpolationswertes des incrementalen Interpolätionssystems
bewirkt. den .Übergang zum absoluten Meßsystem durch elektrische Schaltung der Abtastelemente
auf vor- oder nacheilende Abtastung der Codespur mit den kleinsten Intervallen,
deren Größe gleich dem 2n+1-fachen der kleinsten Meßeinheit ist. Die Schaltung der
Abtastelemente der höherwertigen Codespuren erfolgt in bekannter Weise jeweils nach
dem Resultat aus der vorhergehenden Spur.
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- Die Teilungskonstante . der zu - interpolierenden Teilung wird aus
einem wählbaren 2n-fachen der kleinsten Meßeinheit bestimmt. Beträgt diese z. B.
1 #tm, so ergibt sich die Teilungskonte zu 1 - 210 = 1024 #tm. Damit die von der
Interpolationseinrichtung abzugebenden Zählimpulse der kleinsten Meßeinheit von
1 #tm entsprechen, ist das optische Glied im die Strichteilung auf den fotoelektrischen
Empfänger abbildenden Strahlengang mit 271 (210) Teilungsintervallen versehen. Auf
Grund dieser Anordnung weist das Zählergebnis der Interpolationseinrichtung die
gleiche duale Form und den gleichen Wert auf, wie angenommen erweise ein von der
kleinsten Meßeinheit an binär codiertes absolutes Meßsystem in der betreffenden
2n-ten Spur abzugeben imstande wäre.
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Vorteilhaft ist das in dem abbildenden Strahlengang befindliche optische
Glied als Scheibe ausgebildet. Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung
ist in den F i g. 1 bis 5 der Zeichnung in einzelnen Details schematisch dargestellt,
und zwar zeigt F i g. 1 den optischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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F i g. 2 das die Interpolationsteilung tragende optische Glied, F
i g. 3 ein Stück Teilungsträger, F i g. 4 die Anordnung der Zellen eines Abtastelementes
und F i g. 5 ein Blockschema der elektrischen Anordnung.
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In F i g. 1 befindet sich eine Lichtquelle 1 im gemeinsamen Brennpunkt
von Kondensoren 2, 3 und 4 dreier Beleuchtungssysteme. Das erste Beleuchtungssystem
enthält außer dem Kondensor 2 ein rechtwinkliges Prisma 5, an dessen Hypotenusenfläche
das Lichtbündel um 90° abgelenkt wird, und eine Sammellinse 6. Im Strahlengang des
ersten Beleuchtungssystems befinden sich außerdem nacheinander eine störendes Nebenlicht
ausblendende Doppeischlitzblende 7, eine undurchsichtige Scheibe 8 und ein jedem
Schlitz zugeordneter fotoelektrischer Empfänger 9 bzw. 10. Die .Scheibe 8 rotiert
unter der Wirkung eines Elektromotors 11 um eine Achse X-X, die etwa parallel zur
optischen Achse. der Sammellinse 6 ist. Sie ist an ihrem Umfang mit einer durchsichtigen
Spirale 12, einer Strichteilung (Interpolationsteilung) 13 und einem Einzelstrich
14 versehen. Die Anzahl der Striche der Strichteilung beträgt das 2n-fache der kleinsten
Meßeinheit der gewählten Maßstabsteilung. Die Anordnung ist so getroffen, daß beim
Drehen der Scheibe 8 sich die Strichteilung 13 und der Einzelstrich 14 zwischen
der Doppelschlitzblende 7 und den fotoelektrischen Empfängern 9 und 10 hindurchbewegen.
Anstatt den Einzelstrich 14 getrennt von der Strichteilung 13 auf der Kreisscheibe
8 vorzusehen, ist es auch möglich, einen Strich der Kreisteilung um ein entsprechendes
Stück zu verlängern (F i g. 2).
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Das zweite Beleuchtungssystem dient der Beleuchtung eines Maßstabs
15 und weist neben dem Kondensor 3 ein rechtwinkliges Prisma 16 zur Strahlenumlenkung,
einen halbdurchlässigen Spiegel 17 und eine Sammellinse 18 auf. Das Bild des betreffenden
Maßstabsausschnittes wird über die Sammellinse 18 und eine weitere Sammellinse 19
sowie ein rechtwinkliges Prisma 20 in der Ebene der auf der rotierenden undurchsichtigen
Scheibe 8 befindlichen durchsichtigen Spirale 12 erzeugt. Dicht vor der Scheibe
8 befindet sich eine Bildbegrenzungsblende 21 und dicht dahinter ein fotoelektrischer
Empfänger 22.
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Das dritte Beleuchtungssystem besitzt außer dem Kondensor 4 zwei rechtwinklige
Prismen 23 und- 24, die-eine Parallelversetzung des Lichtbündels bewirken, zwei
Sammellinsen 25 und 26 sowie einen halbdurchlässigen Spiegel 27, mit deren Hilfe
die Lichtquelle 1 im Unendlichen abgebildet und der Maßstab 15 beleuchtet wird.
Der beleuchtete Teil des Maßstabes 15 wird über die Sammellinse 26 sowie eine Sammellinse
28 auf zwei fotoelektrische Empfänger 29 und 30 abgebildet. .
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Die über das dritte Beleuchtungssystem beleuchteten Codespuren des
während der Messung sich bewegenden Maßstabes 15 (F i g. 3) werden über die beiden
Sammellinsen 26 und 28 und den zwischen diesen Sammellinsen befindlichen halbdurchlässigen
Spiegel 27 mit Hilfe der fotoelektrischen Empfänger, die in zwei Reihen 29 und 30
nebeneinander angeordnet sind, erfaßt und der Maßstab auf diese Weise äbgetastet.
Die Anordnung der auf einem gemeinsamen Träger 31 befindlichen lichtelektrischen
Empfänger ist aus F i g. 4 ersichtlich. Um durch vor-oder nacheilende Abtastüng
Zweideutigkeiten bei der Abtastung zu vermeiden, sind für jede Codespur zwei nebeneinanderhegende
Siliziumfotoelemente angeordnet. Die Umschaltung auf die vor- oder nacheilende Abtastung
der ersten Codespur des Maßstabes, deren Teilungskonstante das 2n+1_ fache der Einheitslänge
beträgt, erfolgt aus dem entsprechenden Ergebnis der Interpolation der augenblicklichen
Meßperiode.
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Das erste Beleuchtungssystem beleuchtet durch die Doppelschlitzblende
7 die Teile der während der Messung um die Achse X-X rotierenden undurchsichtigen
Scheibe, die die durchsichtige Strichteilung 13 und den durchsichtigen Einzelstrich
14 tragen. Auf diese Weise erhalten die fotoelektrischen Empfänger 9 und 10 Lichtimpulse,
und zwar erhält im Verlauf einer Umdrehung der Scheibe 8 der fotoelektrische Empfänger
9 maximal 211 Impulse und der fotoelektrische Empfänger 10 einen Impuls. Die auf
den fotoelektrischen Empfänger 9 fallenden Lichtimpulse erzeugen
elektrische
Signale, welche einem elektronischen, aus bistabilen Multivibratoren bestehenden
Zähler in noch zu beschreibender Weise zugeführt werden. Der auf den fotoelektrischen
Empfänger 10 treffende Lichtstrahl erzeugt einen elektrischen Impuls zum Zurückstellen
des elektronischen Zählers auf Null und zum Beginn (Start) des neuen Interpolationsvorganges.
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Das zweite Beleuchtungssystem dient der Beleuchtung des die durchsichtige
Spirale 12 tragenden Teils der Scheibe B. Im Ausschnitt der Bildbegrenzungsblende
21 verschieben sich infolge der Rotation der Scheibe die nebeneinanderlaufenden
lichtdurchlässigen Spiralwindungen wie querbewegte Gitterstreifen mit so hoher Geschwindigkeit
relativ zu den leuchtend abgebildeten Maßstabsstrichen, daß, auch wenn sich die
Maßstabsstriche bei der Objektverschiebung gleichsinnig mitbewegen, pro Meßperiode
stets eine Stellungsübereinstimmung von Spirale 12 und Maßstabsstrichen eintritt.
Diese Koinzidenzstellung zeichnet sich durch ein Maximum an Lichtintensität aus,
weil das an den Maßstabsstrichen reflektierte Licht durch die transparente Spirale
völlig hindurchtreten kann. Der lichtelektrische Empfänger 22, beispielsweise eine
Fotodiode, gibt einen der auftretenden Lichtintensität äquivalenten Fotostrom ab.
Der Fotostromimpuls wird mittels bekannter elektronischer Impulsformverfahren so
behandelt, daß sein Extremwert einen scharfen Spannungsimpuls, das Koinzidenzsignal,
auslöst.
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Ist das Ergebnis der Interpolationswerte in der 2n-ten Wertigkeit
»L«, so wird die Abtastung der 2n+i-ten Spur auf »nacheilend« geschaltet, ist es
»0«, wird auf voreilende Abtastung geschaltet. Die Abtastung der 2n+i-ten und der
höherwertigen Spuren erfolgt in bekannter Weise entsprechend dem Ergebnis der um
eine Wertigkeit tieferen Spur. Der in der noch zu beschreibenden elektronischen
Anordnung erzeugte Speicherimpuls wird aus dem Koinzidenzsignal abgeleitet und leitet
selbst mit zeitlicher Verzögerung die Abtastung der Codespuren ein, deren Aufeinanderfolge
von einem elektronischen Taktgeber gesteuert wird.
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Nach dem in F i g. 5 dargestellten Blockschema werden die von dem
optischen Teil der Interpolationseinrichtung abgegebenen Lichtsignale in elektrische
Impulse umgewandelt. Die im fotoelektrischen Empfänger 9 erzeugten elektrischen
Impulse durchlaufen nacheinander einen Verstärker 32 und eine einen Schmitt-Trigger
33 beinhaltende Impulsformstufe. Sie werden einmal direkt einem elektronischen Dualzähler
34 zugeführt und gelangen zum anderen in eine Torschaltung 35. Im elektronischen,
aus bistabilen Multivibratoren bestehenden Dualzähler 34 werden die Zählimpulse
fortlaufend gezählt bis zum Eingang des Startimpulses, der in gleicher Weise wie
die Zählimpulse über einen Verstärker 36 und einen Schmitt-Trigger 37 gewonnen wird.
Der Startimpuls stellt den Dualzähler 34 jeweils auf »0« und leitet damit den Zählvorgang
von neuem ein. Der vom fotoelektrischen Empfänger 22 gewonnene Koinzidenzimpuls
gelangt über einen Verstärker 55 und einen Schmitt-Trigger 56 in einen bistabilen
Multivibrator 38, der zusammen mit einem monostabilen Multivibrator 39 dadurch ein
falsches Zählergebnis verhindert, daß er eine Speicherung sperrt, solange der Dualzähler
34 noch von einem Zählimpuls, der zeitlich vor dem Koinzidenzimpuls gegeben wurde,
durchlaufen wird. Der so gewonnene Speicherimpuls bewirkt das Öffnen von Speichertoren
40 und die Übertragung des momentan anliegenden Zählergebnisses in einen Speicher
41. Gleichzeitig sperrt er über den bistabilen Multivibrator 38 die Torschaltung
35, so daß die nachfolgenden Zählimpulse keine weiteren Speicherimpulse mehr auslösen
können. Die Abtastung der Maßstabscodespuren wird mittels bekannter Methoden nach
dem sogenannten !)-Verfahren vorgenommen, das seinen Namen der Anordnung der lichtelektrischen
Empfänger 29 und 30 auf dem Träger 31 verdankt. Für die erste Maßstabscodespur mit
2n+'-ter Wertigkeit wird die mit Hilfe der fotoelektrischen Empfänger 29 und 30
vorgenommene Abtastung über Torschaltungen 42 und 43 gesteuert, deren Umschaltung
auf vor- oder nacheilende lichtelektrische Abtastung vom- jeweiligen, im Speicher
41 anliegenden Interpolationswert ausgeht.
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Ein. nach Art einer Weiche wirkendes Oder-Glied 44 bewirkt, daß der
eine Torschaltung passierende Impuls nicht durch Rückkopplung die andere Torschaltung
beeinflußt, sondern nur in Richtung eines Verstärkers 45 geleitet wird. In einem
Schmitt-Trigger 46 erfährt der verstärkte Impuls neben einer weiteren geringen Verstärkung
eine Aufteilung und in einem Negator 47 eine Umkehr des Potentials. Auf diese Weise
kommen an einer gemeinsamen Ausgangsleiste 48 zur weiteren Datenverarbeitung Impulse
an, die exakt definiert und hinsichtlich ihrer Spannung einheitlich sind.
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Die Abtastung der zweiten und höherwertigen Codespuren geschieht in
gleicher Weise. Entsprechende Torschaltungen 49 und 50 werden jeweils nach dem Ergebnis
der vorhergehenden Spur gesteuert. Der aus einer der Torschaltungen kommende Impuls
läuft auch in diesem Fall über ein elektrisches Oder-Glied 51, einen Verstärker
52, einen Schmitt-Trigger 53 und einen Negator 54, um als exakter Impuls mit gleicher
Spannung wie die vorhergehenden Impulse an der Ausgangsleiste 48 der weiteren Datenverarbeitung
zur Verfügung zu stehen.