DE1548704C - Photoelectric step generator with precision measuring device - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schrittgeber, bei dem ein Meßgitter auf sich selbst oder auf ein zweites Gitter abgebildet wird und bei dem mindestens zwei fotoelektrische Empfänger zur Gewinnung von ortsdefinierenden Signalen vorhanden sind.The invention relates to a photoelectric step generator in which a measuring grid on itself or on a second grid is imaged and in which at least two photoelectric receivers for extraction of location-defining signals are available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, bei einem Gerät der genannten Art Mittel vorzusehen, die eine Ortsbestimmung oder eine Positionierung innerhalb einer vollen Signalperiode des Schrittgebers zulassen, das heißt also, die bekannten Geräte in ihrer Genauigkeit erweitern.The invention is based on the object of providing means in a device of the type mentioned, a location or a positioning within a full signal period of the pacer allow, that is, expand the accuracy of the known devices.

Gegenstand der Erfindung ist ein fotoelektrischer Schrittgeber mit einem auf sich selbst oder einem zweiten Gitter abgebildeten Gitter und mindestens zwei fotoelektrischen Empfängern zum Abtasten ortsdefinierender elektrischer Signale und einem elektrisch steuerbaren den Strahlengang ab- oder umlenkenden optischen Bauteil. Dieser Schrittgeber zeichnet sich dadurch aus, daß ein Regelkreis zum Abgleich der Arbeitspunkte der fotoelektrischen Empfänger vorgesehen ist und daß im Regelkreis die fotoelektrischen Empfänger, eine von denselben gespeiste Vergleichsstufe und eine leistungsverstärkende, auf ein aus einem mittels elektrischem Antriebssystem bewegbaren optischen Bauteil bestehendes, die vom Regelkreis stabilisierte Relativlage von Gitter und Gitterbild und damit die Arbeitspunkte der fotoelektrischen Empfänger abgleichendes Stellglied wirkende Regelstrecke vorgesehen sind. Dabei kann der Regelkreis ein proportionaler Regelkreis oder ein integraler Regelkreis sein. In Ausgestaltung der Erfindung kann eine Steuersignale einspeisende Summierstufe in der Regelstrecke vorgesehen sein. Auch ist es möglich, daß zwei Regelkreise zum Grob- und nachfolgendem Feinabgleich vorgesehen sind. Bei einer speziellen Ausführungsform des Anmeldungsgegenstandes ist im Regelkreis ein programmierbarer Stromkonstanthalter mit einem stufenweise einstellbaren Sollwertgeber vorgesehen und der die Differenz der Abtastsignale der fötoelektrischen Empfänger bildenden Vergleichsstufe ist ein einen vorgegebenen Grenzwert aufweisendes Programmwerk nachgeschaltet sowie dem Sollwertgeber ein Anzeigeelement zugeordnet.The invention relates to a photoelectric stepper with one on itself or one second grid imaged grid and at least two photoelectric receivers for scanning location-defining electrical signals and an electrically controllable deflecting or deflecting the beam path optical component. This step generator is characterized by the fact that a control loop for adjusting the Operating points of the photoelectric receiver is provided and that the photoelectric in the control loop Receiver, a comparison stage fed by the same and a power-amplifying one on one off an optical component that can be moved by means of an electrical drive system, which is controlled by the control circuit stabilized relative position of grating and grating image and thus the working points of the photoelectric receiver compensating actuator acting controlled system are provided. The control loop can be a proportional one Be a control loop or an integral control loop. In an embodiment of the invention, a control signals feeding summing stage can be provided in the controlled system. It is also possible that two control loops are provided for coarse adjustment and subsequent fine adjustment. In a special embodiment the subject of the application is a programmable current stabilizer in the control loop a step-by-step adjustable setpoint generator is provided and the difference between the scanning signals of the fetoelectric The comparison stage forming the receiver is a set of programs which has a predetermined limit value downstream and assigned a display element to the setpoint generator.

Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise an Hand von Figuren beschrieben, von denen die erste schematisch' den mechanischen Aufbau, die übrigen mit diesem Aufbau zusammenschaltbare elektrische Anordnungen als Blockschaltbilder zeigen.The invention is described below, for example, with reference to figures, the first of which schematically 'the mechanical structure, the other electrical components that can be interconnected with this structure Show arrangements as block diagrams.

Beim in Fig. 1 dargestellten fotoelektrischen Schrittgeber wird von einer Lampe 13 über einen Kondensor 14 sowie ein Umlenkprisma 20 eine Gitterscheibe 9 beleuchtet. Diese Scheibe steht über ihre Achse 21 mit dem Objekt, dessen Lage gemessen bzw. welches positioniert werden soll, in Verbindung. Das die Scheibe verlassende abbildende Strahlenbündel durchläuft ein Umlenkprisma 8, ein Objektiv 7 sowie ein Pentaprisma 10. Diesem ist eine Prismenkombination 22 nachgeschaltet, die mit einem Umlenkspiegel 25 in noch zu beschreibender Weise zusammenwirkt. Nach Durchlaufen eines weiteren Umlenkprismas 23 sowie eines eine Strahlverdopplung und Polarisierung bewirkenden Wollaston-Prisrrias 26 bilden die beiden Teilstrahlenbündel über ein Objektiv 27 sowie ein Prisma 28 das Gitterbild auf eine Stelle der Gitterscheibe 9 ab. Über ein Umlenkprisma 24 sowie einen polarisierenden teiler 15 werden die Bilder und die Markierungen der Gitterscheibe von zwei fotoelektrischen Empfängern 16 und 18 nach Polarisationsrichtungen getrennt abgetastet. When shown in Fig. 1 photoelectric stepper is a lamp 13 via a Illuminated condenser 14 and a deflecting prism 20, a grating disk 9. This disc protrudes its axis 21 with the object whose position is to be measured or which is to be positioned in connection. The imaging beam leaving the pane passes through a deflecting prism 8, an objective 7 and a pentaprism 10. This is followed by a prism combination 22 with a Deflection mirror 25 interacts in a manner to be described. After going through another Deflecting prism 23 as well as a Wollaston prism which causes beam doubling and polarization 26, the two partial beams of rays form the grating image via an objective 27 and a prism 28 a point of the grid disk 9 from. About a deflecting prism 24 and a polarizing divider 15 are the images and the markings of the grating of two photoelectric receivers 16 and 18 scanned separately according to polarization directions.

Wie ersichtlich, ist der Spiegel 25 mit einem Hebel 17 verbunden, an dem zwei Spulen 4 fest montiert sind. Der Hebel ist mit Hilfe der Feder 29 elastisch befestigt, so daß Drehmoment und Drehwinkel proportional sind. Die Spulen sind als Tauchspulen zwei permanenten Topfmagnetensystemen 3 zugeordnet. Wird nun durch mindestens eine ihrer Spulen ein Strom geschickt, so wird diese Spule je nach der Polarität des angelegten Stromes in das ihr zugeordnete Magnetsystem hineingezogen oder aus diesem verdrängt. Dabei findet eine Verschwenkung des Spiegels 25 statt, wodurch eine Verschiebung des abbildenden Strahlenbündels in am Bildort auf der Scheibe tangentialer Richtung bewirkt wird. Die Bildverschiebung ist dabei dem Spulenstrom proportional.As can be seen, the mirror 25 is connected to a lever 17 on which two coils 4 are fixedly mounted are. The lever is elastically attached by means of the spring 29, so that the torque and the angle of rotation are proportional are. The coils are assigned to two permanent pot magnet systems 3 as plunger coils. If a current is now sent through at least one of its coils, this coil becomes depending on the polarity of the applied current is drawn into or displaced from the magnet system assigned to it. A pivoting of the mirror 25 takes place, whereby a displacement of the imaging The bundle of rays is effected in the tangential direction at the image location on the disk. The image shift is proportional to the coil current.

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In Fig. 2 ist schematisch gezeigt, wie man eine sehen den Bauteilen 4 und 32 ist die bisher elektrischIn Fig. 2 it is shown schematically how one can see the components 4 and 32 which is so far electrical

elektrische Schaltung aufbauen kann, um mit dem aufgebaute Regelschleife optisch geschlossen,can build up an electrical circuit in order to optically close with the built-up control loop,

oben beschriebenen elektrischen Schrittgeber eine Si- Fällt nun am Ausgang des Differenzverstärkers einElectrical step generator described above a Si occurs now at the output of the differential amplifier

gnalperioden- und eine Signalperiodenbruchteil-Mes- Signal an, so wird im Werk 66 zunächst entschieden,signal period and a signal period fraction measurement signal, it is first decided in plant 66,

sung und -Anzeige zu erreichen. J- mit welchen Vorzeichen eine Korrektur erfolgen muß.solution and display. J- with which sign a correction must be made.

Wie ersichtlich, wird der Schrittgeber 30 von Sodann wird der Stufenschaltmechanismus auf den einem Netzteil 31 gespeist. Unter Verwendung eines halben Maximalstrom gestellt und dieser über den in Fig. 1 dargestellten zusätzlichen, dem Pentaprisma Konstanthalter 65 dem Antrieb 4 zugeleitet. Die sich 10 nachgeschalteten fotoelektrischen Empfängers 11 dann an den Empfängern 32 einstellenden Signale läßt sich eine auf das Netzteil rückwirkende Regel- io werden in der gleichen Weise verarbeitet, doch wird schleife bilden, die für einen konstanten mittleren Fo- nunmehr ein Viertel des Maximalstromes eingestellt, tostrom durch Regelung der Lampe des Schrittgebers dann ein Achtel usw. Das geht so lange, bis das Aussorgt, gangssignal einen vorgegebenen Schwellwert unter-As can be seen, the stepper 30 is then switched to the step switching mechanism a power supply 31 fed. Using half the maximum current and this over the In Fig. 1 additional shown, the pentaprism constant holder 65 fed to the drive 4. Which 10 downstream photoelectric receiver 11 then to the receivers 32 adjusting signals can a retroactive regulation io be processed in the same way, but is form a loop that now sets a quarter of the maximum current for a constant mean fo, tostrom by regulating the lamp of the pacemaker then an eighth, etc. That goes on until the output signal falls below a specified threshold value.

An den Ausgängen 31, 32 des Schrittgebers stehen schreitet. Am mit dem Mechanismus gekoppelten An-At the outputs 31, 32 of the pacer stand steps. At the connection coupled to the mechanism

die von den beiden fotoelektrischen Empfängern abge- π zeigewerk 69 kann nunmehr der Signalperiodenbruch-the displayed by the two photoelectric receivers π display unit 69 can now be the signal period break-

gebenen phasenverschobenen verketteten Signale an. teil abgelesen werden.indicated phase-shifted concatenated signals. part can be read.

Diese werden je über eine Rechteckverformer-Stufe Beim' in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel 33, 34 einem die Zählrichtung bestimmenden Diskri- ,zum Positionieren werden die an den Ausgängen 32 minator 35 zugeführt, dessen Ausgangsklemmen mit des fotoelektrischen Schrittgebers anstehenden Siden Eingangsklemmen eines die vollen Signalperiöden 20 gnale der fotoelektrischen Empfänger zwei Rechteckanzeigenden Vor-Rückwärts-Zählers 36 verbunden verformer-Stufen 33, 34 zugeleitet, die einen Vorsind. Rückwärts-Zähler 50 steuern. Der jeweilige Stand die-These are each via a rectangular deforming stage. In the embodiment shown in FIG. 3 33, 34 a discriminator which determines the counting direction, and for positioning purposes the outputs 32 minator 35 supplied, the output terminals of which are pending with the photoelectric pacer Input terminals of one of the full signal periods 20 gnale of the photoelectric receiver two rectangle-indicating up-down counters 36 connected to deforming stages 33, 34, which are one in front. Control down counter 50. The respective status this-

Außerdem werden die Ausgangssignale des Schritt- ses Zählers wird in einer Vergleichsstufe 52 mit dem gebers einem Differenzverstärker 37 zugeführt, dem Stand eines beispielsweise von Hand eingestellten Sollein Summier-Leistungsverstärker 38 nachgeschaltet 25 wertgebers 51 verglichen. Die Stufe 52 besitzt einen ist. Der Ausgangsstrom dieses Verstärkers wird dem Analogwert-Ausgang, der über einen Verstärker 53 in Fig. 1 dargestellten Tauchspulensystem zugeleitet einen Stellmotor 54 speist. Dieser Motor verstellt das und wirkt auf dieses so lange ein, bis der Eingang . mit dem Schrittgeber gekoppelte Objekt so lange, bis des Differenzverstärkers 37 annähernd die Signaldiffe- der Ausgleich zwischen Soll- und Istwert erreicht ist. renz Null erreicht hat. Auf diese Weise ist eine pro- 50 Die Ausgangssignale des Schrittgebers werden portional regelnde Schleife aufgebaut. Die für den außerdem einem Differenzverstärker 55 zugeleitet, Summierverstärker zur Verstärkungsstabilisierung dessen Ausgang über eine Sperrstufe 56 mit dem Ein- und zum Erreichen des Summiereffektes notwendige gang des Verstärkers 53 verbunden werden kann. Gegenkopplung wird durch den vom Schiebestrom ; Die Sperrstufe sperrt den Ausgang des Verstärkers durchflossenen Widerstand 39 bewirkt. Daher kann 35 55 so lange, bis die Ausgangsgröße der Vergleichsim Summierpunkt des Verstärkers 38 gleichzeitig ein stufe 52 zu Null geworden ist. Erst dann gibt sie die zusätzliches Signal, z. B. ein Korrektursignal C, das Verbindung zwischen den Verstärkern 55 und 53 frei, gewissermaßen dem Differenzsignal überlagert wird, Auf diese Weise wird erreicht, daß zuerst eine Grobeingespeist werden. Falls mehrere Korrektursignale, und dann die Feinpositionierung stattfindet. z.B. für Temperatur, Maßstabsfehler usw., erforder- 40 Zum Eingeben des Feinsollwertes, das heißt des lieh sind, müssen entsprechend viele Widerstände im gewünschten Signalperiodenbruchteiles, ist ein Geber Summierpunkt angeschlossen werden. Der im Schiebe- 60 vorhanden, der im vorliegenden Fall aus einer Stromkreis fließende, vom Verstärker 38 eingeprägte Gleichspannungsquelle 61 und dieser nachgeschalte-Strom stellt unabhängig von Schleifenwiderstand und ten, parallel zueinander liegenden Schaltern besteht, zusätzlichen Verbrauchern im Stromkreis ein Maß 45 Diese sind über Widerstände an den Summierpunkt für den zu messenden Signalperiodenbruchteil ein- der Schaltung, der gleichzeitig Eingangspunkt eines schließlich der Korrekturanteile dar. Aus ihm läßt Summierverstärkers 57 ist, gelegt. Der Ausgangssich in bekannter Weise eine analoge oder digitale strom dieses Verstärkers wird den Spulen 4 des Anzeige 40 für den Signalperiodenbruchteil ableiten. Schrittgebers zugeführt. Durch Betätigung eines oderIn addition, the output signals of the step counter are compared in a comparison stage 52 with the The transmitter is fed to a differential amplifier 37, the status of a setpoint set, for example, by hand Summing power amplifier 38 connected downstream 25 value transmitter 51 compared. Level 52 has one is. The output current of this amplifier is the analog value output, which is via an amplifier 53 In Fig. 1 shown moving coil system fed a servomotor 54 feeds. This engine adjusts that and acts on this until the entrance. object coupled to the step generator until of the differential amplifier 37 approximately the signal difference between the setpoint and actual value is reached. rence has reached zero. In this way a pro- 50 The output signals of the pacemaker will be Portional regulating loop built up. The also fed to a differential amplifier 55, Summing amplifier for gain stabilization whose output via a blocking stage 56 with the input and the necessary output of the amplifier 53 can be connected to achieve the summing effect. Negative coupling is caused by the shift current; The blocking stage blocks the output of the amplifier through which resistance 39 flows. Therefore, 35 55 can be used until the output of the comparison im Summing point of the amplifier 38 at the same time a stage 52 has become zero. Only then does she give it additional signal, e.g. B. a correction signal C, the connection between the amplifiers 55 and 53 free, is to a certain extent superimposed on the difference signal. In this way it is achieved that a coarse input is first fed in will. If there are several correction signals, then fine positioning takes place. e.g. for temperature, scale errors, etc., required 40 To enter the fine setpoint, i.e. the are borrowed, must have a corresponding number of resistors in the desired signal period fraction, is a transmitter Summing point can be connected. The one in the sliding 60, which in the present case consists of a Current circuit flowing, impressed by the amplifier 38 DC voltage source 61 and this downstream current provides independent of loop resistance and th, parallel switches, additional consumers in the circuit a measure 45 These are via resistors to the summing point for the signal period fraction to be measured in one of the circuit, which is also the input point of a finally the correction components. From it summing amplifier 57 is placed. The initial self in a known manner an analog or digital stream of this amplifier is the coils 4 of the Derive display 40 for the signal period fraction. Pacer supplied. By pressing one or

Will man eine digitale Anzeige direkt erreichen, so 50 mehrerer der Schalter kann man den Sollwert für dieIf you want to achieve a digital display directly, you can set the setpoint for the 50 more switches

kann man einen Geräteaufbau verwenden, wie er in Signalperiode an eine beliebige Stelle innerhalb dieseryou can use a device structure as it is in the signal period at any point within this

Fig,-4.-schematisch gezeigt ist. Im Regelkreis für das Periode legen. Da die Spulen 4 den Strahlengang desFig. 4 - is shown schematically. Place in the control cycle for the period. Since the coils 4 the beam path of the

elektrisch steuerbare optische Bauteil ist ein Strom- Schrittgebers beeinflussen, ist sichergestellt, daß auchelectrically controllable optical component is a current pacer affect, it is ensured that too

konstanthalter 65 enthalten, dem ein über ein Pro- dieser Feinsollwert in die Regelung einbezogen ist.Contain constant holder 65, which is included in the regulation via a pro this fine setpoint.

grammwerk;66 gesteuerter Stufenschalt-oder. Zählme- 55 Beim dargestellten Beispiel wurde die Regelung al-grammwerk; 66 controlled step switch or. Counter 55 In the example shown, the control was

chanismus 67 nachgeschaltet ist. Dieser kann von lein vom Servomotor 54 durchgeführt. Es ist abermechanism 67 is connected downstream. This can be done by the servomotor 54 alone. But it is

elektromechanischer oder elektronischer Bauart sein. auch möglich, die Grob- und die Feinregelung ge-electromechanical or electronic type. also possible to control the coarse and fine control

Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfänger trennten Regelkreisen zuzuordnen, die je auf ein Stell-The output signals of the photoelectric receivers are to be assigned to separate control loops, each of which is

32 werden einem Differenzverstärker 68 zugeführt, glied wirken. Diese beiden Stellglieder positionieren32 are fed to a differential amplifier 68, act member. Position these two actuators

dessen Ausgangssignale das Werk 66 steuern.. Zwi- 60 dann nacheinander das Objekt in seine Sollage.whose output signals control the movement 66 .. Between 60 then one after the other the object in its target position.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen'1 sheet of drawings'

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Fotoelektrischer Schrittgeber mit einem auf sich selbst oder einem zweiten Gitter abgebildeten Gitter und mindestens zwei fotoelektrischen Empfängern zum Abtasten ortsdefinierender elektrischer Signale und einem elektrisch steuerbaren den Strahlengang ab- oder umlenkenden optischen Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zum Abgleich der Arbeitspunkte der fotoelektrischen Empfänger vorgesehen ist und daß im Regelkreis die foto elektrischen Empfänger (16, 18), eine von denselben gespeiste Vergleichsstufe (37, 55, 68) und eine leistungsverstärkende, auf ein aus einem mittels elektrischem Antriebssystem (3, 4) bewegbaren optischen Bauteil (22) bestehendes, die vom Regelkreis stabilisierte Relativlage von Gitter (9) und Gitterbild und damit die Arbeitspunkte der fotoelektrischen Empfänger (16, 18) abgleichendes Stellglied wirkende Regelstrecke vorgesehen sind.1. Photoelectric stepper with a grid mapped on itself or a second Grid and at least two photoelectric receivers for scanning location-defining electrical Signals and an electrically controllable optical path that deflects or deflects the beam path Component, characterized in that a control loop for adjusting the working points of the photoelectric Receiver is provided and that the photo-electrical receiver (16, 18), a comparison stage (37, 55, 68) fed by the same and a power-boosting stage an optical component (22) consisting of an optical component (22) which can be moved by means of an electric drive system (3, 4), the relative position of the grid (9) and grid image stabilized by the control loop and thus the working points the photoelectric receiver (16, 18) adjusting actuator acting controlled system are provided. 2. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß der Regelkreis ein proportionaler Regelkreis ist.2. Photoelectric pacer according to claim 1, characterized in that ,. that the control loop is a proportional control loop is. 3. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis ein integraler Regelkreis ist.3. Photoelectric step generator according to claim 1, characterized in that the control loop is a is an integral control loop. 4. Fotoelektrischer Schrittgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuersignale einspeisende Summierstufe (38, 57) in der Regelstrecke vorgesehen ist.4. Photoelectric step generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that a summing stage (38, 57) feeding in control signals is provided in the controlled system. 5. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Regelkreise zum Grob- und nachfolgendem Feinabgleich vorgesehen sind.5. Photoelectric step generator according to claim 3, characterized in that two control loops are provided for coarse and subsequent fine adjustment. 6. Fotoelektrischer Schrittgeber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis ein programmierbarer Stromkonstanthalter (65) mit einem stufenweise einstellbaren Sollwertgeber vorgesehen ist und daß der die Differenz der Abtastsignale der fotoelektrischen Emp- ^: fänger bildenden Vergleichsstufe (68) ein einen vorgegebenen Grenzwert aufweisendes Programmwerkv_T(66) nachgeschaltet und dem Sollwertgeber ein Anzeigeelement (69) zugeordnet ist.6. Photoelectric pacer according to claims 1 and 2, characterized in that a programmable current stabilizer (65) with a stepwise adjustable setpoint generator is provided in the control loop and that the comparison stage (68) forming ^{the difference between the scanning signals of the photoelectric receiver: a receiver} _{Programmwerkv T} (66) having a predetermined limit value is connected downstream and a display element (69) is assigned to the setpoint generator.