DE1798368C - Optisch elektrische Winkel oder Langen meß Einrichtung Ausscheidung aus 1673947 - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf cine optisch-elektrische Winkel- oder Lilngenmeßeinrichtung 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 regclmäüig geteilten Strichgitterring am Umfang sind zwei sich diametral gegenüberstehende oplisch-elektrische Abtastvorrichtungen zugeordnet.

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

c) Jede tier Abtastvorrichtung^ umfaßt eine Durchleuchtimgsvorriehtung 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 Moircestreifenbildcr. die sich bei jeder Bewegung des beweglichen Slriehgitlers quer /u ihrer örtlichen Richtung bewegen. Dabei ergibt sich in einer feststehenden schmalen und zu den Moireestreifen parallelen Zone eine sinusförmige schwankende Helligkeit.

e) in der Abbildiingsebene der Moireestreifen ist eine l-'oio/ellenkombination feststehend angeordnet, die dazu bestimmt ist, Fotozellenströme zu erzeugen, die in vorhcslimmtcr gegenseitiger Phasenverschiebung mit gleichen Amplituden schwanken, so daß aus ilen so gewonnenen loto/jUenströnien mit Hilfe von elektrischen Aliswertevorrichtung die gewünschten He wegiiny.siiiformationen abgeleitet werden können.

In der vorgeschlagenen Winkclineßeinrichtung besteht die Fotozellenkombination aus je drei oder vier parallel nebeneinander montierten streifenför-In ige η Fotozellen. Die vorstehend genannte Bedingung, daß die in der Fotoicllcnkombiuation erzeugten Fotozcllcnslrümc mit gleichen Amplituden in vorgegebener gegenseitiger Phasenverschiebung schwanken sollen, laßt sich mit den bekannten Fotozellenanordinmgcn nur mit relativ grober Annäherung realisieren, da örtliche Verschmutzungen der SlrichgiMcr und andere StöreiiiflUsse, wie beispielsweise c Unregelmäßigkeiten in den Slrichgittcrteilungen, unterschiedliche Einflüsse auf die Fotozellen ausüben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, relativ einfache Maßnahmen aufzuzeigen, um solche örtlichen Störeinfliisse 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 Fotozeüenstreifen 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.

ao Dadurch wird eine wesentliche Genauigkeits- und Stabilitätsverhesserung sowohl bei Winkel- als auch bei Längenmeßeinrichtungen erreicht, da die Fotozellen bzw. -einheiten jeder Fotozellenkornbination im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen einen

»5 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 Fotozellen-Streifen unterteilt, die paarweise so elektrisch verbunden werden, daß die Flächenschwerpunkte der resultierenden drei b?\v. vier Fotozelleneinheiten mit dem Flächenschwerpunkt des ganzen Fotozellenvierecks zusammenfallen. Sofern das Viereck quadratisch ist, sind auch die gemeinsamen Flächeniiägheitsmomcnte der verbundenen Streifenpaare in bezug auf die beiden zu den Quadratseiten parallelen Mittelachsen einander gleich, was zusätzliche Stabilitätsvorteile ergibt.

Für Winkclmeßeinrichtungen mit zwei sich an einem kreisförmigen Strichgitter diametral gegenüberliegenden Al)tastvorrichtungen wird in zweekmäßiger Weiterbildung der Erfindung hinsichtlich der Montage der Abtastvorrichtungen, der Justierung und der Unemplindliehkeit gegenüber Tcmperalurvcränderungen vorgeschlagen, daß die Zentren zweier identisch zueinander ausgebildeter Strichgittcrscheiben, von denen die eine drehbar und die andere feststehend ist. in vorbeslimmter Richtung und um einen vorbestimmten Betrag gegeneinander verschoben sind und die Moireesiieifcn in den beiden Abtastbereichen jeweils parallel /u den Foto/cllenstreifcn verlaufen und daß die Länge der senkrecht /11 den Fotozellcnstrcifen orientierten Diagonalen der beiden Fotozellenkombinationen der Summe von zwei ganzen Moireestreifcn-Pcrioden entsprechen.

Wenn die bei den verwendeten radialen, geringfügig gegeneinander versetztun 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 Parallclengcometric in die nichteuklidische Kreisgeometrie zu transformieren. Dabei wird gleichzeitig erreicht, daß auch die für den Nähcrungsfall mit parallelen Moiriestreifen vorauszu-

setzende homogene Liehtvertcilup.g in entsprechender Weise inhomogen wird. Es müssen dann auch nicht die Flächenschwerpunkte und Flächentriigheitsmomcnte, sondern die Lichtschwerpunkte und Lichttriigheitsmomente den angegebenen Bedingungen genügen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfinduogsgegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. I eine halbsehematische Darstellung der gesamten Winkelmeßeinrichtung, wobei deren mechanische Teile im Achsialscbnitt durch die beiden Strichgitterscheiben und die Abtastvorrichtungen gezeichnet sind;

Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. I;

Fi g. 3 eine graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung zwischen Moireestreifen im Bereich der Abtastvorrichtung;

Fig. 4 eine gegenüber den Fig. I und 2 wesentlich vergrößerte Darstellung dtr Fotozellenstreifen einer Abtastvorrichtung nach den Fij. 1 und 2 mit lugehiirigen elektronischen Auswerte vorrichtungen;

Fig. 5 eine konforme Abbildung der Fotozellen-Itreifeii nach F i g. 4 in kreisgeometrischer Darstellung.

In tier Einrichtung nach den Fig. 1 bis 4 ist als Winkelgeber mit 1 eine Strichgitterscheibe bezeichnet, die an ihrem Umfang mit einem radialen Strichfitter /' versehen ist, das aus radial gerichteten unliurdiMchtigen Strichen besteht, die voneinander !lurch gleich breite, durchsichtige Zwischenfeliler gelrennt sind. In Fig. 2 ist zur Illustration lediglich ein kurzer Ausschnitt aus einem derartigen Strichgitter «iargestellt. Es kann z. B. bei einem mittleren Durchmesser von etwa 20,5 cm 50 000 Striche aufweisen, was einer Aufteilung in Perioden von etwa 26 Bogentekunden entspricht. Die Strichgitterscheibe 1 ist mit einer zentralen Drehsvellell versehen, die in einem Lager 12 um die Drehachse drehbar gelagert ist. Mit Z₁ ist das Zentrum des Strichghters bezeichnet, das unvermeidbar etwas exzentrisch zur wahren Drehachse der Scheibe I Hegt. Eine zweite Strichgitterscheibe 2, die mindestens hinsichtlich der Teilung ihres Strichgitters 20 identisch zur Scheibe 1 ausgebildet ist, vorzugsweise genau wie die Scheibe 1 tils Kopie einer Mutterscheibe ausgebildet ist, dient uls feststehende Abtastscheibe für zwei sich diametral gegt'n übet liegende iinoeiekuische Abtastvorrichtungen 3, deren Aufbau später erläutert wird. Die Strichgitlcrschcibc 2 ist auf einem feststehenden Träger 22 abgestützt. Der Träger 22 ist zur Montage und Justierung in zwei Koordinatenrichtungen stufenlos verstellbar, beispielsweise mittels [eingängiger Stellschrauben. Hs ist nämlich notwendig, daß das Zentrum Z, ties Strichgitters 20 >ler Scheibe 2 relativ /um Zentrum Z₁ des Strichgitters 10 der Scheibe I in vorbestimmten Muß und in vorbestiminter Richtung zur Erzeugung eines Moiree-Bildes passender Form im Bereich der Abtastvorrichtungen 3 verstellt werden kann.

Gemäß Fig. 2 entsteht bei der dargestellten gegenseitigen Versetzung der Ringzentren Z₁ und Z₁ unter Annahme einer gleichmäßigen Durchleuchtung im Überdeckungsbereich der beiden Stfichgitter 10, 20 der beiden Scheiben 1, 1 ein Moiree-Bild mit Hell-Dunkel-Strciicn in der Form appollotiischer Kreise durch die beiden Strichgitterzentren Z₁, Z₁. Die Dunkclstreifen sind in F i g. 2 mit 4 bezeichnet.

Zwischen benachbarten Dunkelsireifen ändert sich bei glcicbmHßiger Beleuchtung die örtliche Helligkeit geniiiß dem in F i g, 3 gezeigten Diagramm, also etwa, sinusförmig. Die Abszissenrichtung entspricht einer quer zu benachbarten Moireestreifen orientierten Schnittlinie, und in der Ordinatenrtchtung sind die entsprechenden örtlichen Helligkeiten proportional aufgetragen. Jedes Helligkeitsminimum entspricht einem Dunkelstreifen 4.

to Die sich diametral gegenüberstehenden fotoelektrischen Abtastvorrichtungen 3 umfassen, vorzugsweise auf ..inem gemeinsamen Träger montiert, je ein Gehäuse 30, eine Lichtquelle 31 und eine Linsenanordnung 31 auf der Oberseite der beiden Strich-

IS gitterscheiben 1 und 2 und auf der Unterseite je eine Fotozellen-Kombination 5. Die Fotozellenkombinationen S der beiden Abtaslvorrichtungen weisen gemäß Fig. 4 auf einem gemeinsamen Trägerkörper 50 angeordnete, sechs gleich breite, parallel /u einei Diagonale verlaufende, voneinander elektrisch getrennte Fotozellenstreifen 51«, 52«, 53«, 51/), 52/>. 53/> auf, die zusammen ein Viereck bilden, im vorliegenden vereinfachten Fall ein Quadrat. Die Fotozellenstreifen sind parallel zur örtlichen Richtung der Moireestreifen orientiert. Die Länge der Querdiagonale soll doppelt so groß sein wie eine Periodenlänge P der Helligkeitsschwankung in den Moireestreifen, d.h. doppelt so groß wie die Distanz /wischen zwei benachbarten Dunkelstreifen 4. Um dies zu erreichen, muß bei der Montage und Justierung das Zentrum Z., der Strichgitterscheibe einsprechend verstellt werden.

Die Fotozellenstreifen 51«. 51/); 52«, 52/>; 53«. 53/) sind elektrisch paarweise zu je einer Fotozelleneinheit 51, 52, 53 verbunden. Ober Leiter 54 sind die drei Fotozelleneinheiten 51, 52. 53 bzw. deren gemeinsamer Trägerkörper 50 an elekironische Auswertevorrichtungen 6 gemäß Fig. 1 bzw. 61, 62 gemäß Fig. 4 angeschlossen. Bei einer Verdrehung der Strichgitterscheibe 1 relativ zur Scheibe 2 entstehen an den Ausgängen der Fotozelleneinheiten 51. 52, 53 zeitlich schwankende Fotoströme/,, /_,. /,, die dem Diagramm nach Fig. 3 entsprechen. Ihre Frequenz ist proportional zur Drehgeschwindigkeit der Scheibe 1.

Es ist aus Fig. 4 leicht ersichtlich, daß die Flächenschwerpunkte der drei verbundenen Folozellenstreifcnpaare mit dem Flächenschwerpunkt S des ganzen Viereckfeldes zusammenfallen und daß auch die Trägheitsmomente dieser Streifenpaare in bezug auf die beiden zu den Quadratsciten parallelen Mittelachsen p.leich groß sind. Dies bewirkt, daß alle erzeugten Meßgrößen sich stets auf ilen Schwerpunkt S des Vierecks bezichen und daß die I-'oto/cllenströme if, /.,. ', gegeneinander um voibestimmte, gleiche Phasenwinkel gemäß F i g. 4 um je 120 phasenverschoben sind und gleiche Amplituden U₀ haben. FaIK das Viereck aus acht Streifen bestehen würde, ergäben sich vier Ströme mit je 90 Phasenverschie-

bung, bei zwölf Streifen sechs Ströme mit je 60
Phasenverschiebung.

Exzentrizitätsfehler der drehbaren Strichgitterscheibe 1 und andere, mechanische Systemungenauigkeiten, z. B. unterschiedliche thermische Aus-

dehnungen von Bauteilen, wirken sich infolge der erläuterten Gestattung und Aufteilung der Viereckfläche auf alle drei bzw. vier verbundenen Fotozcllcnstreifenpaare gleich aus, d. h., sie beeinträchtigen

weder die gegenseitig gleiche Phasenverschiebung der drei oder vier Folozellcnströmc noch deren Ampliludenglcichhcit. 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 Alisgangsleiter deir beiden Fotozcllenkombinationen 5 beider Abtastvorrichtungen 3 werden nach F i g. 4 je einem DifTerentialverstärker 61 bekannter Art zugeführt, um die gemeinsamen Gleichstromantcile der zugeführten Ströme zu eliminieren und reine Drchfelit-Wechselstromsystemc

120°),

zu erzeugen, die einem Interpolator 62, derScottsche Schaltungen zur Ableitung mehrphasiger Wechselstromsysteme, 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}! l ist angenommen, daß die elektronischen Auswerlevorrichtungcn 6 für die Fotozellenströme der beiden Abtastvorrichtungen 3 bzw. deren Fotozellenkombination 5 je einen Differenzialverstärker, einen Interpolator und eine logiische Schaltung zur Ableitung von vorzeichenbehafteten Inkrementsignalen in Form \on zweiphasigen Binär-Signalfolgen enthalten. Diese lnkremcntsignale zeigen Verdrehungen der Slrichgitterscheibc 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;,, /.,. /., am Ausgang der Diffcrentialverstärker in Interpolatoren in je lOphasige Drehstromsysieme mit je 18 Phasendifferenz umzuwandeln und daraus nach erfolgter Inkremcntaddition Drehwinkelsignale abzuleiten, die eine ganze Umdrehung in 2-10" zählbare Schritte unterteilen.

In lig. 1 ist mit 7 ein Inkrementaddierwerk zur additiven Vereinigung der ihm von den beiden Auswertevorrichtungen 6 zugeführten Inkrementsignalreihen auf den Eingang eines Vonvärts-Rückwärts-Zählwerkes 8 bezeichnet. Der Zählerstand des Zählwerkes 8 zeigt dann jederzeit die momentane Drehstcllung der Strichgitterschcibc 1 gegenüber einer Ausgangsstellung in digitaler Form in Einheiten, die dnen Bruchteil der Strichgitterteilung betragen.

Fi g. 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 gemä(3 F i g. 4 vorausgesetzte homogene Lichtverteilung entsprechend inhomogen anzunehmen ist. Es sind dann die auf die Fotozcllen-Streifenpaare 51«·, 51/)'; 52«', 526': 53ο·, 53Λ· entfallenden Lichtmengen für die Schwerpunkts- und Träg-

o heilsmomentberechnungen 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 Diirchlcuchlungsvorrichtung und einer Fotozellenkombination zur Erfas-

»o sung 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 mindeste»« vier gleich breit ausgebildeten, parallel zueinander auf einem gemeinsamen Trägerkörper (50) angeordneten Fotozellenstreifen (51α, 52α, 53 α, 51 Λ. 52 b. 53/>) besteht, die zusammen ein Viereck mit zwei aufeinander senkrecht orientierten Diagonalen bilden und parallel zu einer der Diagonalen verlaufen sowie paarweise zu Fotozclleneinheiten (51, 52, 53) elektrisch verbunden sind, deren Flächenschwerpunkte mit dem Flächenschwerpunkt (S) des Vierecks zusammenfallen.

2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 mit zwei an einem kreisförmigen Strichgitter diametral gegenüberliegenden Abtastvorrichtungen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren (Zl, Zl) 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 Fotozcllenstreif«-»i (51a, 52a. 53a, 51 b, 526, 53fe) 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