DE1222688B

DE1222688B - Messvorrichtung zum Bestimmen der Groesse und Richtung der Bewegung eines Objektes relativ zu einem Bezugsobjekt

Info

Publication number: DE1222688B
Application number: DEF18911A
Authority: DE
Inventors: David Theodore Nels Williamson
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1955-11-24
Filing date: 1955-11-24
Publication date: 1966-08-11

Description

Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und Richtung der Bewegung eines Objektes relativ zu einem Bezugsobjekt Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und Richtung der Bewegung eines Objektes relativ zu einem Bezugsobjekt - beispielsweise eines Werkzeuges bzw.
Werktisches relativ zu dem festen Bett einer Werkzeugmaschine - unter Verwendung elektromagnetischer oder akustischer Wellen als Teilungsmaß der Bewegungsgröße, mit elektronischen Schalt- und Zählanordnungen zur Auswertung der von Abtastorganen auf Grund der Bewegung des Objektes abgeleiteten elektrischen Ausgangssignalen.
Zur Durchführung derartiger Messungen sind bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, die ein mit dem feststehenden Bezugsobjekt verbundenes optisches Strichgitter aufweisen, das von einem mit dem Objekt verbundenen gleichartigen Gitter überdeckt ist, dessen Striche einen sehr kleinen Winkel mit den Strichen des feststehenden Gitters bilden. Das beim Bewegen des sekundären Gitters entstehende sich zyklisch bewegende Sekundärgitterbild abwechselnder Lichtdurchlässigkeit und Lichtundurchlässigkeit wird von zwei Lichtbündeln durchstrahlt, die im Abstand eines Bruchteils der halben Gitterkonstanten des sekundären Gitterbildes angeordnet sind und die auf zwei Fotozellen treffen, deren Signale über getrennte Leitungen elektronischen Schaltstufen zugeführt werden, die aus der relativen Phasenlage der beiden Signalfolgen die Richtung und aus der Zahl der während eines Bewegungsvorganges des sekundären Gitterbildes erzeugten Impulszyklen die Größe der Bewegung des Objektes ermitteln.
Da sich optische Strichgitter nicht für alle Anwendungsfälle derartiger Messungen eignen und es außerdem manchmal sehr mühevoll und teuer ist, ein derartiges optisches Gitterbildmuster herzustellen, lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu schaffen, bei welcher an Stelle des sich zyklisch bewegenden Sekundärgitterbildes elektromagnetische oder akustische Wellen als Teilungsmaß der Bewegungsgröße Verwendung finden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Strecken mittels stehender Schallwellen zu messen. Dabei wird in einem Medium, z. B. in einem magnetischen Stab, eine stehende Schallwelle erzeugt, deren Knoten oder Bäuche induktiv abgetastet werden. Die Summe der so abgetasteten Knoten oder Bäuche stellt ein Maß für die Bewegungsgröße bzw. für die Größe der zu messenden Strecke dar. Bei den am häufigsten auftretenden Anwendungsfällen derartiger Präzisionsmeßvorrichtungen z.B. im Werkzeug- oder Werkzeugmaschinenbau wird jedoch gefordert, daß gleichzeitig mit der Messung der Bewegungsgröße auch die Bewegungsrichtung angezeigt wird. Diese Forderung kann aber mittels der vorgenannten Vorrichtungen nicht erfüllt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein an einem Ende kurzgeschlossener Hohlleiter, innerhalb welchem in an sich bekannter Weise mittels eines Generators ein Muster stehender Wellen erzeugt wird, räumlich fest mit dem beweglichen Objekt verbunden ist, daß zwei Abtastorgane räumlich fest mit dem Bezugsobjekt verbunden sind und daß die Abtastorgane in einem gegenseitigen Abstand von einem Bruchteil einer halben Wellenlänge der stehenden Welle axial hintereinander in Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle angeordnet sind, um aus der relativen Phase der von den Abtastorganen hergeleiteten elektrischen Ausgangssignale außer der Größe der relativen Bewegung auch deren Richtung zu bestimmen.
Weitere Einzelheiten über die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf welcher in den F i g. 1, 2 und 3 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt sind.
In der Vorrichtung gemäß F i g. 1 handelt es sich bei dem Wellenmuster um ein solches stehender elektromagnetischer Wellen, das sich in einem kurzen Stück einer Übertragungsleitung in Form eines rechteckigen an dem festen Bett 212 einer Werkzeugmaschine angebrachten Hohlleiters 211 in bekannter Weise ausbildet. Zwei die Form von Sonden aufweisende Abtastorgane 213 durchdringen eine der breiteren Wandungen des Hohlleiters in der Mittellinie der Wandung an zwei in der Achsrichtung des Hohlleiters voneinander entferntliegenden Punkten.
Von dem Generator214 erzeugte Mikrowellen von sinusartiger Wellenform werden an das eine Ende des Hohlleiters gelegt. Das andere Ende des Hohlleiters wird durch ein Kurzschlußelement in Form eines an sich bekannten Kurzschlußkolbens 215 gebildet, der an einem an dem beweglichen Werktisch 217 der Werkzeugmaschine angebrachten Arm 216 befestigt ist, so daß der Kolben bei der Bewegung des Tisches relativ zu dem feststehenden Maschinenbett in dem Hohlleiter hin und her verschoben wird.
Das Kurzschluß element steht also relativ zu dem beweglichen Objekt fest.
Das Kurzschluß element (Kurzschlußkolben 215) bewirkt die Entstehung eines Musters stehender Wellen in dem Hohlleiter, wenn durch den am entgegengesetzten Ende befindlichen Generator dem Hohlleiter Energie zugeführt wird. Die Abtastorgane 213 befinden sich in der Hohlleiterachse an solchen Stellen, an denen die Zustände der stehenden Wellen um den Bruchteil einer halben Wellenlänge gegeneinander phasenverschoben sind. Mit »Zustände der stehenden Welle« an einer Stelle in der Hohlleiterachse ist die Amplitude der Welle an dieser Stelle gemeint. Der Abstand zwischen den Abtastorganen beträgt vorzugsweise eine viertel Wellenlänge.
Jedes Abtastorgan (Sonde213) ist über einen an sich bekannten Kristalldetektor218 mit einem ihm zugeordneten Verstärker 219 und über die Leitung A oder B mit den ebenfalls an sich bekannten Diskriminator- und Zählstufen 35 und 36 verbunden.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist folgende: Bei der in Pfeilrichtung erfolgenden Bewegung des Werktisches 217 relativ zu dem festen Maschinenbett 212 gleitet der Kurzschlußkolben 215 um eine entsprechende Strecke und in der entsprechenden Richtung längs und innerhalb des Hohlleiters 211.
Das Muster der stehenden Welle wird dadurch veranlaßt, sich in gleicher Weise entlang und innerhalb dem Hohlleiter und damit relativ zu den Abtastorganen zu bewegen, wobei die Zustände des Musters (d. h. die Amplituden der stehenden Welle) sich an jedem Abtastorgan sinusförmig ändern. Die von den Abtsatorganen 213 abgeleiteten und über die Lei tungenA und B geführten verstärkten elektrischen Ausgangssignale besitzen daher eine sinusförmige Wellenform und sind um 900 gegeneinander phasenverschoben. Welches das Leitsignal ist, hängt von der Richtung der Bewegung des Kurzschlußkolbens 215 und damit von der Richtung der Bewegung des Werktisches 217 relativ zu dem festen Maschinenbett ab. Die Stufen 35 und 36 dienen dazu, die Richtung dieser Bewegung aus der relativen Phase dieser Ausgangs signale zueinander und die Größe der Bewegung aus der Anzahl von Perioden dieser Ausgangssignale zu bestimmen, die während der Bewegung auftreten.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung (s. F i g. 2) ist der Hohlleiter 212 räumlich fest mit dem beweglichen Objekt (dem Werktisch217) verbunden und nicht an dem Bezugsobjekt (dem Maschinenbett 212) befestigt. Das Kurzschluß element 215' bildet einen Teil des Hohlleiters und ist mit diesem räumlich fest verbunden im Gegensatz zu dem verschieblichen Kurzschlußkolben gemäß F i g. 1. Die Abtastorgane 213 sind wieder an dem Maschinenbett 212 befestigt und ragen durch eine Längsnut in der einen Wand des Hohlleiters in das Innere desselben. Bei dieser Anordnung kann daher der Hohlleiter samt stehender Welle relativ zu den Abtastorganen verschoben werden.
Die Wirkungsweise dieser zweiten Ausführungsform ist folgende: Bei der Bewegung des Werktisches 217 relativ zu dem Maschinenbett 212 wird der ganze Hohlleiter 211 relativ zu dem Maschinenbett verschoben. Da nunmehr das Muster der stehenden Welle relativ zu dem Hohlleiter 211 feststeht, wird durch diese Bewegung das Muster relativ zu den Abtastorganen verschoben. Auf diese Weise entsteht dieselbe relative Bewegung zwischen den Abtastorganen und dem Muster der stehenden Welle wie bei der ersten Ausführungsform. Die anderen Einzelheiten der Wirkungsweise sind genau dieselben wie vorbeschrieben.
Bei jeder der vorerwähnten Anordnungen kann der Hohlleiter durch ein Stück einer koaxialen Ubertragungsleitung ersetzt werden.
Das Wellenmuster kann auch ein solches stehender Ultraschallwellen sein, das aus akustischen Druckwellen gebildet wird, die in einem kurzen Stück 221 einer Schallübertragungsleitung oder eines Hohlleiters (räumlich fest mit dem Maschinenbett 212 verbunden) durch einen Schallgenerator222 in an sich bekannter Weise erzeugt werden.
Das andere Ende des Hohlleiters wird durch einen an dem Werktisch 217 angebrachten und als Reflektor für Schallwellen dienenden verschiebbaren Kolbein 223 gebildet. Diese Anordnung ist ähnlich der in F i g. 1 dargestellten. Die Abtastorgane sind Mikrofone224, deren jedes am Ende eines Abzweigstutzen 225 sitzt. Die Abzweigstutzen sind so angeordnet, daß Reflexionen vermieden werden. Die Abzweigstutzen225 befinden sich in der Achsrichtung des Hohlleiters 221 in einem solchen gegenseitigen Abstand, daß die Zustände (Amplituden) des Musters stehender Wellen an diesen beiden Punkten in einem solchen Maß gegeneinander phasenverschoben sind, wie dies hinsichtlich des Abstandes der Abtastorgane 213 der Anordnung gemäß F i g. 1 beschrieben worden ist.
Jedes Mikrofon ist mit einem ihm zugeordneten Verstärker 226 und über die Leitung A oder B mit den Diskriminator- oder Zählstufen 35 und 36 verbunden.
Abgesehen davon, daß das Muster stehender Wellen kein elektromagnetisches, sondern ein akustisches Welleumuster ist und daß die Abtastorgane keine Sonden, sondern Mikrofone sind, ist die Wirkungsweise dieser Anordnung ähnlich der mit Bezug auf F i g. 1 beschriebenen.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und Richtung der Bewegung eines Objektes relativ zu einem Bezugsobjekt - beispielsweise eines Werkzeuges bzw. Werktisches relativ zu dem festen Bett einer Werkzeugmaschine - unter Verwendung elektromagnetischer oder akustischer Wellen als Teilungsmaß der Bewegungsgröße, mit elektronischen Schalt- und Zählanordnungen zur Auswertung der von Abtastorganen auf Grund der Bewegung des Objektes abgeleiteten elektrischen Ausgangssignale, daclurch gekennzeichnet, daß ein an einem Ende kurzgeschlossener Hohlleiter (211), innerhalb welchem in an sich bekannter Weise mittels eines Generators (214, 222) ein Muster stehender Wellen erzeugt wird, räumlich fest mit dem beweglichen Objekt (217) verbunden ist (Fi g. 2), daß zwei Abtastorgane (213) räumlich fest mit dem Bezugsobjekt (212) verbunden sind und daß die Abtastorgane (213) in einem gegenseitigen Abstand von einem Bruchteil einer halben Wellenlänge der stehenden Welle axial hintereinander in Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle angeordnet sind, um aus der relativen Phase der von den Abtastorganen (213) hergeleiteten elektrischen Ausgangssignale außer der Größe der relativen Bewegung auch deren Richtung zu bestimmen.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster stehender Wellen durch elektromagnetische Wellen gebildet wird und daß als Abtastorgane (213) in den Hohlleiter (211) hineinragende Sonden dienen.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kurzgeschlossene Ende des Hohlleiters (211) aus einem an sich bekannten, längsbeweglich innerhalb des Hohlleiters (211) angeordneten Kurzschlußkolbens (215) besteht, der mit dem beweglichen Objekt (217) räumlich fest verbunden ist, während der Hohlleiter selbst zusammen mit dem Bezugsobjekt (212) räumlich feststeht (F i g. 1).
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster stehender Wellen durch Schallwellen gebildet wird und daß die beiden Abtastorgane als Mikrofone (224) ausgebildet sind (Fig.3).

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 890 420, 952 943; schweizerische Patentschrift Nr. 301 849; Bergmann, »Der Ultraschall«, 1954, S. 205, 710, 746; »Fernmeldetechnische Zeitschrift«, 1952, H. 11, S. 487 bis 496.