DE1798368B1 - Optisch elektrische winkel oder laengenmess ein richtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektrische Winkel- oder Längenmeßeinrichtung mit einem drehbaren oder verschiebbaren, regelmäßig geteilten Strichgitter und mindestens einer feststehenden Abtastvorrichtung, bestehend aus einem Ausschnitt eines feststehenden Strichgitters, einer Durchleuchtungsvorrichtung und einer Fotozellenkombination zur Erfassung der sich aus der Durchleuchtung der beiden Strichgitter ergebenden Moireestreifen, bei der die Fotozellenkombination auf eine elektronische Auswertevorrichtung geschaltet ist.

Die Anwendung von Beugungsgittern für Meßzwecke ist lange bekannt. Auch ist dabei die Ausnutzung der Veränderung von durch lineare oder radiale Gitter erzeugten Moireestreifen bekannt.

In der schweizerischen Patentschrift 426 285 ist eine optisch-elektrische Winkelmeßeinrichtung mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen worden:

a) Einer drehbaren Winkelgeberscheibe mit einem regelmäßig geteilten Strichgitterring am Umfang sind zwei sich diametral gegenüberstehende optisch-elektrische Abtastvorrichtungen zugeordnet.

b) Jede der Abtastvorrichtungen umfaßt einen Ausschnitt aus einem feststehenden Strichgitter, dessen Strichabstände und/oder Strichorientierungen sich um geringe Werte von den Strichabständen und/oder Strichorientierungen des überdeckten Ausschnittes des beweglichen Strichgitters unterscheiden.

c) Jede der Abtastvorrichtungen umfaßt eine Durchleuchtungsvorrichtung zum gemeinsamen Durchleuchten der sich überdeckenden Ausschnitte des beweglichen und des feststehenden Strichgitters.

d) Infolge der geringen Unterschiede zwischen den Strichteilungen entstehen in den Abtastvorrichtungen auf der Gegenseite jeder Durchleuchtungsvorrichtung Moireestreifenbilder, die sich bei jeder Bewegung des beweglichen Strichgitters quer zu ihrer örtlichen Richtung bewegen. Dabei ergibt sich in einer feststehenden schmalen und zu den Moireestreifen parallelen Zone eine sinusförmige schwankende Helligkeit.

e) In der Abbildungsebene der Moireestreifen ist eine Fotozellenkombination feststehend angeordnet, die dazu bestimmt ist, Fotozellenströme zu erzeugen, die in vorbestimmter gegenseitiger Phasenverschiebung mit gleichen Amplituden schwanken, so daß aus den so gewonnenen Fotozellenströmen mit Hilfe von elektrischen Auswertevorrichtung die gewünschten Bewegungsinformationen abgeleitet werden können.

In der vorgeschlagenen Winkelmeßeinrichtung besteht die Fotozellenkombination aus je drei oder vier parallel nebeneinander montierten streifenförmigen Fotozellen. Die vorstehend genannte Bedingung, daß die in der Fotozellenkombination erzeugten Fotozellenströme mit gleichen Amplituden in vorgegebener gegenseitiger Phasenverschiebung schwanken sollen, läßt sich mit den bekannten Fotozellenanordnungen nur mit relativ grober Annäherung realisieren, da örtliche Verschmutzungen der Strichgitter und andere Störeinflüsse, wie beispielsweise geringe Unregelmäßigkeiten in den Strichgitterteilungen, unterschiedliche Einflüsse auf die Fotozellen ausüben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, relativ einfache Maßnahmen aufzuzeigen, um solche örtlichen Störeinflüsse unschädlich zu machen und damit die Meßgenauigkeit und insbesondere das Auflösungsvermögen wesentlich zu verbessern.

Dazu schlägt die Erfindung bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art vor. daß die Fotozellenkombination der Abtastvorrichtung aus mindestens vier gleich breit ausgebildeten, parallel zueeinander auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordneten Fotozellenstreifen besteht, die zusammen ein Viereck mit zwei aufeinander senkrecht orientierten Diagonalen bilden und parallel zu einer der Diagonalen verlaufen sowie paarweise zu Fotozelleneinheiten elektrisch verbunden sind, deren Flächenschwerpunkte mit dem Flächenschwerpunkt des Vierecks zusammenfallen.

Dadurch wird eine wesentliche Genauigkeits- und Stabilitätsverbesserung sowohl bei Winkel- als auch bei Längenmeßeinrichtungen erreicht, da die Fotozellen bzw. -einheiten jeder Fotozellenkombination im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen einen gemeinsamen Bezugspunkt haben, in dem die Flächenschwerpunkte aller Fotozellen einer Fotozellenkombination zusammenfallen, statt nebeneinander und distanziert voneinander zu liegen. Zweckmäßig wird ein quadratischer oder rhombusförmiger Trägerkörper in sechs oder acht parallel zu einer Diagonale orientierte, unter sich gleich breite Fotozellenstreifen unterteilt, die paarweise so elektrisch verbunden werden, daß die Flächenschwerpunkte der resultierenden drei bzw. vier Fotozelleneinheiten mit dem Flächenschwerpunkt des ganzen Fotozellenvierecks zusammenfallen. Sofern das Viereck quadratisch ist. sind auch die gemeinsamen Flächenträgheitsmomente der verbundenen Streifenpaare in bezug auf die beiden zu den Quadratseiten parallelen Mittelachsen einander gleich, was zusätzliche Stabilitätsvorteile ergibt.

Für Winkelmeßeinrichtungen mit zwei sich an einem kreisförmigen Strichgitter diametral gegenüberliegenden Abtastvorrichtungen wird in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung hinsichtlich der Montage der Abtastvorrichtungen, der Justierung und der Unempfindiichkeit gegenüber Temperaturveränderungen vorgeschlagen, daß die Zentren zweier identisch zueinander ausgebildeter Strichgitterscheiben, von denen die eine drehbar und die andere feststehend ist, in vorbestimmter Richtung und um einen vorbestimmten Betrag gegeneinander verschoben sind und die Moireestreifen in den beiden Abtastbereichen jeweils parallel zu den Fotozellenstreifen verlaufen und daß die Länge der senkrecht zu den Fotozellenstreifen orientierten Diagonalen der beiden Fotozellenkombinationen der Summe von zwei ganzen Moireestreifen-Perioden entsprechen.

Wenn die bei den verwendeten radialen, geringfügig gegeneinander versetzten Strichgittern bewirkten Krümmungen der Moireestreifen exakt berücksichtigt werden sollen, ist eine konforme Abbildung des genannten Vierecks mit seinen Fotozellenstreifen durch Kreisinversion notwendig, um die Verhältnisse der euklidischen Paraüelengeometrie in die nichteuklidische Kreisgeometrie zu transformieren. Dabei wird gleichzeitig erreicht, daß auch die für den Näherungsfall mit parallelen Moireestreifen vorauszu-

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setzende homogene Lichtverteilung in entsprechen- Zwischen benachbarten Dunkelstreifen ändert sich der Weise inhomogen wird. Es müssen dann auch bei gleichmäßiger Beleuchtung die örtliche Helligkeit nicht die Flächenschwerpunkte und Flächenträgheits- gemäß dem in F i g. 3 gezeigten Diagramm, also etwa momente, sondern die Lichtschwerpunkte und Licht- sinusförmig. Die Abszissenrichtung entspricht einer

trägheitsmomente den angegebenen Bedingungen 5 quer zu benachbarten Moireestreifen orientierten

genügen. Schnittlinie, und in der Ordinatenrichtung sind die

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstan- entsprechenden örtlichen Helligkeiten proportional

des ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt aufgetragen. Jedes Helligkeitsminimum entspricht

F i g. 1 eine halbschematische Darstellung der ge- einem Dunkelstreifen 4.

samten Winkelmeßeinrichtung, wobei deren mecha- io Die sich diametral gegenüberstehenden fotoelek-

nische Teile im Achsialschnitt durch die beiden irischen Abtastvorrichtungen 3 umfassen, vorzugs-

Strichgitterscheiben und die Abtastvorrichtungen ge- weise auf einem gemeinsamen Träger montiert, je ein

zeichnet sind; Gehäuse 30, eine Lichtquelle 31 und eine Linsen-

F i g. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Ein- anordnung 31 auf der Oberseite der beiden Strichrichtung nach F i g. 1; 15 gitterscheiben 1 und 2 und auf der Unterseite je eine

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Helligkeits- Fotozellen-Kombination 5. Die Fotozellenkombina-

verteilung zwischen Moireestreifen im Bereich der tionen 5 der beiden Abtastvorrichtungen weisen ge-

Abtastvorrichtung; maß F i g. 4 auf einem gemeinsamen Trägerkörper

F i g. 4 eine gegenüber den F i g. 1 und 2 wesent- 50 angeordnete, sechs gleich breite, parallel zu einer lieh vergrößerte Darstellung der Fotozellenstreifen 20 Diagonale verlaufende, voneinander elektrisch geeiner Abtastvorrichtung nach den Fig. 1 und 2 mit trennte Fotozellenstreif en 51 a, 52 a, 53 a, 51b, 52 b, zugehörigen elektronischen Auswertevorrichtungen; 53 b auf, die zusammen ein Viereck bilden, im vor-

F i g. 5 eine konforme Abbildung der Fotozellen- liegenden vereinfachten Fall ein Quadrat. Die Fotostreifen nach Fig. 4 in kreisgeometrischer Darstel- zellenstreifen sind parallel zur örtlichen Richtung der lung. 25 Moireestreifen orientiert. Die Länge der Querdiago-

In der Einrichtung nach den F i g. 1 bis 4 ist als nale soll doppelt so groß sein wie eine Perioden-Winkelgeber mit 1 eine Strichgitterscheibe bezeich- länge P der Helligkeitsschwankung in den Moireenet, die an ihrem Umfang mit einem radialen Strich- streifen, d. h. doppelt so groß wie die Distanz zwigitter b versehen ist, das aus radial gerichteten un- sehen zwei benachbarten Dunkelstreifen 4. Um dies durchsichtigen Strichen besteht, die voneinander 30 zu erreichen, muß bei der Montage und Justierung durch gleich breite, durchsichtige Zwischenfelder ge- das Zentrum Z₂ der Strichgitterscheibe entsprechend trennt sind. In F i g. 2 ist zur Illustration lediglich ein verstellt werden.

kurzer Ausschnitt aus einem derartigen Strichgitter Die Fotozellenstreifen 51α, 516; 52 a, 52b; 53a, dargestellt. Es kann z. B. bei einem mittleren Durch- 53 b sind elektrisch paarweise zu je einer Fotozellenmesser von etwa 20,5 cm 50 000 Striche aufweisen, 35 einheit 51, 52, 53 verbunden. Über Leiter 54 sind die was einer Aufteilung in Perioden von etwa 26 Bogen- drei Fotozelleneinheiten 51, 52, 53 bzw. deren gesekunden entspricht. Die Strichgitterscheibe 1 ist mit meinsamer Trägerkörper 50 an elektronische Auseiner zentralen Drehwelle 11 versehen, die in einem Wertevorrichtungen 6 gemäß F i g. 1 bzw. 61, 62 Lager 12 um die Drehachse drehbar gelagert ist. gemäß F i g. 4 angeschlossen. Bei einer Verdrehung Mit Z₁ ist das Zentrum des Strichgitters bezeichnet, 40 der Strichgitterscheibe 1 relativ zur Scheibe 2 entdas unvermeidbar etwas exzentrisch zur wahren stehen an den Ausgängen der Fotozelleneinheiten 51, Drehachse der Scheibe 1 liegt. Eine zweite Strich- 52, 53 zeitlich schwankende Fotoströme J₁, i„, i_s, die gitterscheibe 2, die mindestens hinsichtlich der Tei- dem Diagramm nach F i g. 3 entsprechen. Ihre Frelung ihres Strichgitters 20 identisch zur Scheibe 1 quenz ist proportional zur Drehgeschwindigkeit der ausgebildet ist, vorzugsweise genau wie die Scheibe 1 45 Scheibe 1.

als Kopie einer Mutterscheibe ausgebildet ist, dient Es ist aus F i g. 4 leicht ersichtlich, daß die Fläals feststehende Abtastscheibe für zwei sich diametral chenschwerpunkte der drei verbundenen Fotozellengegenüberliegende fotoelektrische Abtastvorrichtun- streifenpaare mit dem Flächenschwerpunkt S des gen 3, deren Aufbau später erläutert wird. Die ganzen Viereckfeldes zusammenfallen und daß auch Strichgitterscheibe 2 ist auf einem feststehenden 50 die Trägheitsmomente dieser Streifenpaare in bezug Träger 22 abgestützt. Der Träger 22 ist zur Montage auf die beiden zu den Quadratseiten parallelen Mit- und Justierung in zwei Koordinatenrichtungen stu- telachsen gleich groß sind. Dies bewirkt, daß alle erfenlos verstellbar, beispielsweise mittels feingängiger zeugten Meßgrößen sich stets auf den Schwerpunkt S Stellschrauben. Es ist nämlich notwendig, daß das des Vierecks beziehen und daß die Fotozellenströme Zentrum Z₂ des Strichgitters 20 der Scheibe 2 relativ 55 i_v i₂, i_s gegeneinander um vorbestimmte, gleiche zum Zentrum Z₁ des Strichgitters 10 der Scheibe 1 in Phasenwinkel gemäß F i g. 4 um je 120° phasenvervorbestimmtem Maß und in vorbestimmter Richtung schoben sind und gleiche Amplituden U₀ haben. Falls zur Erzeugung eines Moiree-Bildes passender Form das Viereck aus acht Streifen bestehen würde, erim Bereich der Abtastvorrichtungen 3 verstellt wer- gäben sich vier Ströme mit je 90° Phasenverschieden kann. 60 bung, bei zwölf Streifen sechs Ströme mit je 60°

Gemäß F i g. 2 entsteht bei der dargestellten ge- Phasenverschiebung.

genseitigen Versetzung der Ringzentren Z₁ und Z₂ Exzentrizitätsfehler der drehbaren Strichgitterunter Annahme einer gleichmäßigen Durchleuchtung scheibe 1 und andere, mechanische Systemungeim Überdeckungsbereich der beiden Strichgitter 10, nauigkeiten, z. B. unterschiedliche thermische Aus-20 der beiden Scheiben 1, 2 ein Moiree-Bild mit 65 dehnungen von Bauteilen, wirken sich infolge der Hell-Dunkel-Streifen in der Form appollonischer erläuterten Gestaltung und Aufteilung der Viereck-Kreise durch die beiden Strichgitterzentren Z₁, Z₂. fläche auf alle drei bzw. vier verbundenen Fotozellen-Die Dunkelstreifen sind in F i g. 2 mit 4 bezeichnet. streifenpaare gleich aus, d. h., sie beeinträchtigen

weder die gegenseitig gleiche Phasenverschiebung der drei oder vier Fotozellenströme noch deren Amplitudengleichheit. Die örtlichen Winkelablesefehler, bedingt durch die erwähnten mechanischen Fehler, insbesondere die Exzentrizität, werden in bekannter Weise durch Kombination der Meßgrößen der beiden sich diametral gegenüberliegenden Abtastvorrichtungen kompensiert.

Die Ausgangsleiter der beiden Fotozellenkombinationen 5 beider Abtastvorrichtungen 3 werden nach F i g. 4 je einem Differentialverstärker 61 bekannter Art zugeführt, um die gemeinsamen Gleichstromanteile der zugeführten Ströme zu eliminieren und reine Drehfeld-Wechselstromsysteme

U₀ ■ sin (φ+O), t/„ · sin (φ+120°),
CZ₀-Sm(^-120°)

zu erzeugen, die einem Interpolator 62, der Scottsche Schaltungen zur Ableitung mehrphasiger Wechsel-Stromsysteme, z. B. lOphasige, sowie Polaritätsdiskriminatoren, z. B. Schmitt-Trigger, enthält, zur Ableitung eines entsprechend vielphasigen Binär-Signalsystems, wie es in F i g. 4 am Ausgang des Interpolators 62 dargestellt ist, zugeführt werden. In F i g. 1 ist angenommen, daß die elektronischen Auswertevorrichtungen 6 für die Fotozellenströme der beiden Abtastvorrichtungen 3 bzw. deren Fotozellenkombination 5 je einen Differentialverstärker, einen Interpolator und eine logische Schaltung zur Ableitung von vorzeichenbehafteten Inkrementsignaien in Form von zweiphasigen Binär-Signalfolgen enthalten. Diese Inkrementsignale zeigen Verdrehungen der Strichgitterscheibe 1 um Einheitsschritte, deren Wert ein Bruchteil, z. B. ein Zehntel der Teilungseinheit der Strichgitterringe 10 bzw. 20 beträgt.

Praktisch ist es sogar möglich, die beiden dreiphasigen Drehstromsysteme Z₁, /₂, /₃ am Ausgang der Differentialverstärker in Interpolatoren in je 20phasige Drehstromsysteme mit je 18° Phasendifferenz umzuwandeln und daraus nach erfolgter Inkrementaddition Drehwinkelsignale abzuleiten, die eine ganze Umdrehung in 2-10⁶ zählbare Schritte unterteilen.

In F i g. 1 ist mit 7 ein Inkrementaddierwerk zur additiven Vereinigung der ihm von den beiden Aus-Wertevorrichtungen 6 zugeführten Inkrementsignalreihen auf den Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählwerkes 8 bezeichnet. Der Zählerstand des Zählwerkes 8 zeigt dann jederzeit die momentane Drehstellung der Strichgitterscheibe 1 gegenüber einer Ausgangsstellung in digitaler Form in Einheiten, die einen Brachteil der Strichgitterteilung betragen.

Fig. 5 zeigt eine gegenüber den tatsächlichen Verhältnissen stark übertrieben dargestellte konforme Abbildung des quadratischen Fotozellenstreifen-Vierecks nach F i g. 4 durch Kreisinversion, wobei auch die gemäß F i g. 4 vorausgesetzte homogene Lichtverteilung entsprechend inhomogen anzunehmen ist. Es sind dann die auf die Fotozellen-Streifenpaare SI«¹, 51ft¹: 52α¹, 52ft¹; 53 α¹, 53ft¹ entfallenden Lichtmengen für die Schwerpunkts- und Trägheitsmomentberechnungen zu berücksichtigen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optisch-elektrische Winkel- oder Längenmeßeinrichtung mit einem drehbaren oder verschiebbaren, regelmäßig geteilten Strichgitter und mindestens einer feststehenden Abtastvorrichtung, bestehend aus einem Ausschnitt eines feststehenden Strichgitters, einer Durchleuchtungsvorrichtung und einer Fotozellenkombination zur Erfassung der sich aus der Durchleuchtung der beiden Strichgitter ergebenden Moireestreifen, bei der die Fotozellenkombination auf eine elektronische Auswertevorrichtung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellenkombination (5) der Abtastvorrichtung (3) aus mindestens vier gleich breit ausgebildeten, parallel zueinander auf einem gemeinsamen Trägerkörper (50) angeordneten Fotozellenstreifen (51α, 52 α, 53 α, 51ft. 52 ft, 53 ft) besteht, die zusammen ein Viereck mit zwei aufeinander senkrecht orientierten Diagonalen bilden und parallel zu einer der Diagonalen verlaufen sowie paarweise zu Fotozelleneinheiten (51. 52, 53) elektrisch verbunden sind, deren Flächenschwerpunkte mit dem Flächenschwerpunkt (5) des Vierecks zusammenfallen.

2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 mit zwei an einem kreisförmigen Strichgitter diametral gegenüberliegenden Abtastvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren (Zl, ZI) zweier identisch zueinander ausgebildeten Strichgitterscheiben (1, 2). von denen die eine (1) drehbar und die andere (2) feststehend ist. in vorbestimmter Richtung und um einen vorbestimmten Betrag gegeneinander verschoben sind und die Moireestreifen in den beiden Abtastbereichen jeweils parallel zu den Fotozellenstreifen (51a, 52 0, 53 σ, 51 ft. 52ft, 53ft) verlaufen und daß die Länge der senkrecht zu den Fotozellenstreifen orientierten Diagonalen der beiden Fotozellenkombinationen (5) der Summe von zwei ganzen Moireestreifen-Perioden (P) entsprechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen