DE2237032C3

DE2237032C3 - Winkelmesser

Info

Publication number: DE2237032C3
Application number: DE19722237032
Authority: DE
Inventors: Erik Kurt Ove Lidingoe Stenberg; Klas Rudolf Taeby Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1972-07-28
Publication date: 1975-07-24
Also published as: JPS4830957A; FR2151356A5; DE2237032A1; JPS5626804B2; DE2237032B2; NL7210296A; SE355668B; GB1396423A; CH562442A5; IT965082B; CA975553A

Description

Anschließend wird das Licht mittels zweier ofceiprisnien 6 und 10, zweier Unsensysteme 7 und 9 |!!jpes Dacbprismas 8 zu einer diametral gegenüberiden Stelle der Winkelmeßscheibe 3 übertragen, _es erneut durch die Meßskalen 4 und 5 hindurch- S Durch de» doppelten Durchgang des Lichtes die Winkelmeßscheibe 3 bzw. die Meßskalen 4 15 läßt sich eine doppelt so groile Auflösung erzie-Modulation des Lichtes durch die Winkelmeß-3Jbe 3 fällt also so aus, als ob das Uchl einma¹ durch . Winkelmeßscheibe hindurchgegangen wäre, deren alet ia 20 000 Abschnitte unterteilt sind. . j_£t von großem Vorteil, da einerseits eine hohe lösung erwünscht ist, andererseits aber die Herstel- j einer Winkelme-ßscheibe mit sehr fein, also in sehr \ Abschnitte unterteilten Meßskalen sowohl vierig als auch teuer ist, da die Genauigkeit in der mng der Meßskalen die Genauigkeit für den gesam-1 Winkelmesser bestimmt
Veiterhin durchquert das Licht eine Fokussierungs-

H "^{π<1 e}'^{nen 0}P¹'⁵⁰^" Strahlteiler 12, der das jjurch die beiden nebeneinander angeordneten Meßkaien 4 und 5 hindurchgegangene Licht so weit ausein- «iderzieht, daß jeder der beiden so entstehenden Lichtstrahlen in einem eigenen und relativ großen Fo- «detektor 15 bzw. 16 aufgefangen werden kann. Zwischen dem Strahlteiler 12 und jedem der Fotcdetektoren 15 und 16 ist jeweils eine weitere Fokussierungslinse 13 bzw. 14 eingefügt.

An den Ausgängen der Fotodetektoren 15 und 16 entstehen auf diese Weise Signale, die in Abhängigkeit von der Rotation der Winkelmeßscheibe 3 variieren. Dank der Struktur der Meßskalen 4 und 5 auf der Winkelmeßscheibe 3 stehen diese Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren 15 und 16 in Phasenquadratur zueinander.

In F i g 2 speisen die beiden Fotodetektoren 15 und 16 mit ihren die Meßsignale darstellenden Ausgangssignalen eine elektrische Auswerteschaltung, die zwei Kanäle, für jedes Meßsignal einen Kanal, aufweist. In den beiden Kanälen werden die Meßsignale jeweils einem Differenzverstärker 20 bzw. 21 und einer Baustufe 22 bzw. 23 zugeführt, die der Mittelwertbildung für das Eingangssignal dienen. Die so gewonnenen Mittelwerte werden den jeweiligen Differenzverstärkern 20 bzw. 21 als zweite Eingangssignale zugeführt, und diese gewinnen daraus und aus den ihnen an ihren jeweils anderen Eingängen zugeführten Meßsignalen selbst Signale mit konstantem und beispeilsweise dem Nullpegel entsprechendem Gleichspannungsanteil, die an ihren Ausgängen erscheinen.

Bei der Bildung dieser Mittelwerte werden die in Phasenquadratur zueinander stehenden Meßsignale kreuzweise verwendet. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren 15 und 16 beispielsweise sinusförmig sein. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden das Ausgangssignal des Fotodetektors 15 mit sin φ und das Ausgangssignal des Fotodetektors 16 mit cos φ bezeichnet Bei der Bildung des Mittelwertes für beispielsweise das Signal sin φ in der Baustufe 22 wird das in Phasenquadratur dazu stehende Signal cos φ so eingesetzt, daß seine Nulldurchgänge mit den Maxima bzw. Minima des Signals sin φ zusammenfallen. Dazu wird das Signal cos φ der Baustufe 22 zugeführt, nachdem es zum einen im Differenzverstärker 21 so aufbereitet worden ist, daß es einen definierten Nullpegel erhält, und nachdem es zum anderen eine Verarbeitung in einem Amplitudenbegrenzer 25 und in einer monostabil™ Kippstufe 27 erfahren hat, die durch seine Nulldurchgange gctriggert wird. An den Nulldurchgängen des Signals cosqi entsteht am Ausgang der monostabilen Kippstufe 27 ein kurzer Impuls, der die den Mittelwert für das Signal sin φ bildende Baustufe 22 triggert, so daß sie die Amplitude des Signals sin φ in diesem Augenblick bestimmt Die in der Bauslufe 22 bestimmten Amplitudenwerte für das Signal sin ψ stellen daher dank dessen Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Signal cos φ die Maxima bzw. die Minima für das Signal sin ψ dar. An Hand der Kenntnis dieser Amplitudenwerte bildet die Baustufe 22 den Mittelwert für das Signal sin φ und speist ihn am zweiten Eingang in den Differenzverstärker 20 ein, wodurch er dort den Nullpegel bildet, dem das Signal sin φ überlagert ist. Der Mittelwert selbst wird so gebildet, daß zwei aufeinanderfolgende Amplitudenwerte addiert und die so gewonnene Summe halbiert wird.

Anschließend wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 20 in einem Amplitudenbegrenzer 24 und einer monostabilen Kippstufe 26 in der gleichen Weise verarbeitet, wie dies oben in Verbindung mit dem entsprechenden Signal im anderen Kanal beschrieben worden ist, so daß dieses so aufbereitete Ausgangssignal seinerseits die Baustufe 23 zu triggern vermag, in der dann der Mittelwert für das Signal cos φ gebildet wird. Auf diese Weise wird eine kreuzweise Anlage der von den Fotodetektoren 15 und 16 gelieferten Meßsignale erreicht.

Unter der beispielsweisen Annahme, daß eine Umdrehung der Winkelmeßscheibe 3 400° entspricht und daß nach den obigen Darlegungen jedes der Signale von den Fotodetektoren 15 und 16 nach einer Urndrehung der Winkelmeßscheibe 3 20 000 Perioden umfaßt, ergibt sich so eine Genauigkeit von 0,01°, wenn z. B. die Nulldurchgänge eines Signals gezählt werden. Wenn entsprechend der Darstellung in F i g. 2 beide Signale nach ihrem Durchgang durch die Amplitudenbegrenzer 24 bzw. 25 einem Rechner 29 zugeführt und dort übereinander gespeichert und rre Nulldurchgänge gespeichert werden, ergibt sich eine Genauigkeit von 0.005°. Wenn darüber hinaus die Kreuzungspunkte beider Signale gezählt werden, erhält man sogar die doppelte Genauigkeit, also eine Genauigkeit von 0,0025°. Das so ausgewertete Signal kann einer Ausleseeinrichtung zugeführt werden, die beispielsweise die Anzahl der Nulldurchgänge und der Kreuzungspunkte der beiden gezählten Signale in digitaler Form ausgedrückt m Winkelgraden anzeigt, welche Anzeige dann die Drehung der Winkelmeßscheibe 3 wiedergibt.

Zur Erzielung einer sogar noch größeren Genauigkeit kann man beispielsweise die Ausgangssignale der Differenzverstärker 20 und 21 zusammen mit den Amplitudenwerten der jeweiligen Signale, die sich beispielsweise aus der Differenz zwischen dem Spitzenwert und dem Mittelwert für jedes Signal errechnen, einer elektrischen Baustufe 28 zuführen. Diese Amplitudenwerte können an den Baustufen 22 bzw. 23 abgenommen werden, welche die Mittelwerte bilden, aus denen diese Amplitudenwerte leicht abgeleitet werden können. Die elektrische Baustufe 28 wird auf diese Weise mit Sinus- und Cosinussignalen mit definiertem Nullpegel und mit den Amplitudenwerten der jeweiligen Signale gespeist. Mit Hilfe der Baustufe 28 läßt sich dann eine Interpolation für die Werte vornehmen, die zwischen den im Rechner 29 gespeicherten Werten liegen.

In F i g. 3 sind die der Baustufe 28 zugeführten — gleichgerichteten — Signale 3t und 32 schematisch veranschaulicht: Zu diesem Zwecke sind auch die entsprechenden Amplitudenwerte in der Schaltung verfügbar. Die Interpolation findet jeweils im — in F i g. 3 mit ausgezogenen Linien dargestellten — steilen Teil der entsprechenden Kurve statt, wobei jede Periode von 360° im elektrischen Signal aulf diese Weise in 45°-Intervalle unterteilt wird. Der tatsächliche Wert liegt auf irgendeiner der in F i g. 3 voll ausgezogenen Linien, und diese >o Stellung wird mit der tatsächlichen Amplitude verglichen, aus der sich ein Winkelwert bestimmen läßt, der innerhalb des richtigen 45°-Intervalls, d.h. innerhalb des richtigen 0,0025°-Intervalls für die Drehung der Winkelmeßscheibe 3 liegt. In diesem Falle muß der is Rechner 29 nur die Anzahl der vollen Perioden für das eine oder das andere der Sinus- und Cosinussignale bestimmen, wobei jeder vollen Periode ein Drehwinkel von 0,02° entspricht und eine genauere Abschätzung durch die Interpolation in der Baustufe 28 erhalten wird.

Die hier beschriebene Interpolationsmethode stellt nur ein Beispiel dafür dar, wie eine solche Interpolation vorgenommen werden kann, mit der im Prinzip jede beliebige Genauigkeit erzielt werden kann, die ihre Begrenzung jedoch durch die verbleibenden Baustufen in der Schaltung findet.

Der Interpolationswerl aus der Baustufe 28 wird der

Leseeinrichtung 30 zugeführt, in der er mit dem vom Rechner 29 gelieferten Wert koordiniert wird. Die Baustufe 28 kann als eine Art Analog-Digital-Wandler betrachtet werden.

In einem System, in dem hohe Genauigkeit verlangt wird, muß es möglich sein, innerhalb einer Periode des Meßsignals zu interpolieren. Das bedeutet, das es möglich sein muß, den Momentanwert in eine bestimmte Beziehung zur Amplitude des Signals zu setzen. Da die abgegebenen Signale unter anderem mit der Temperatur und mit der Alterung variieren, muß ein Bezugssystem eingeführt werden, das den Mittelwert und die Spitzenamplitude des Meßsignals innerhalb des Bereichs berücksichtigt wo die Winkelmeßscheibe 3 anhält. Dies erfolgt mit Hilfe der oben beschriebenen Schaltung. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die für die Berechnung der Bewegung der Winkelmeßscheibe 3 verfügbaren Signale so genau sind, daß die Anwendbarkeit der Werte beispielsweise für Winkel, die der beschriebene Winkelmesser liefert, sehr hoch wird.

Der Winkelmesser muß nicht mit einer kreisförmigen Winkelmeßscheibe ausgestattet sein-, auch eine beispielsweise gerade Winkelmeßscheibe mit linearer Be-™egbarkeit kann Anwendung Finden. In diesem Falle gibt die analysierende elektrische Auswerteschallung die Strecke mit hoher Genauigkeit an, längs der die Winkelmeßscheibe verschoben wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: *~*

1. Winkelmesser mit mehreren Fotodetektoren, die durch eine bewegbare Winkelmeßscheibe mit mindestens zwei Meßskalen aus alternierend aufeinanderfolgenden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten hindurch mit dem Lichi einer Lichtquelle beleuchtbar sind, das in ihnen bei Bewegung der Winkelmeßscheibe etwa in Phasenquadratur zueinander stehende Meßsignale von variierender Größe entstehen läßt, und denen in einer nachgeordneten Auswerteschaltung Differenzverstärker und Mittelwertbildner zugeordnet sind, von denen mindestens ein Differenzverstärker einem Mittelwertbildner nachgeschaltet ist, um mittels der von den Fotodetektoren abgegebenen Meßsignale deren Störanteile unwirksam zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Fotodetektor (15; 16) ein eigener Mittelwertbildner (22 bzw. 23) und ein eigener Differenzverstärker (20 bzw. 21) nachgeschaltet sind, daß jeder der Differenzverstärker (20 und 21) mit seinem einen Eingang an den Ausgang des zugehörigen Mittelwertbildners (22 bzw. 23) angeschlossen ist und daß jeder der Mittelwertbildner (22 und 23) außer seinem an den zugehörigen Fotodetektor (15 bzw. 16) angeschlossenen Eingang noch einen Steuereingang aufweist, der mit dem Ausgang des jeweiligen Differenzverstärkers (21 bzw. 20) verbunden ist, der dem anderen Fotodetektor (16 bzw. 15) zugeordnet ist, dessen Ausgangssignale in Phasenquadratur zu den Ausgangssignalen des Fotodetektors (15 bzw. 16) stehen, der dem betreffenden Mittelwertbildner (22 bzw. 23) zugeordnet ist

2. Winkelmesser nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge der Mittelwertbildner (22 und 23) jeweils über eine auf Nulldurchgänge in deren Ausgangssignalen ansprechende monostabile Kippstufe (27 bzw. 26) mit den Ausgangen der Differenzverstärker (21 bzw. 20) verbunden sind.

45

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelmesser mit im Oberbegriff des Hauptanspruchs im einzelnen angegebenen Merkmalen.

In der DT-OS 1 448 962 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Unwirksammachen von Störungen bei der richtungsabhängigen Wegmessung von Werkzeugmaschinen beschrieben, die mit zwei Fotodetektoren arbeiten, denen in einer elektronischen Auswerteschaltung unter anderem ein Differenzverstärker nachgeschaltet ist. Diesem Differenzverstärker wird an seinem ersten Eingang die Summe der von den beiden Fotodetektoren abgegebenen Meßsignale zugeführt, und außerdem wird er an seinem zweiten Eingang mit einer Schwellspannung gespeist, die betriebsspannungsabhängig ist und den Mittelwert des an seinem ersten Eingang anliegenden Summensignals nachbildet, um an Hand der Meßsignale selbst in diesen enthaltene Störanteile zu beseitigen. Für die Zuverlässigkeit der Mittelwertspeisung des Differenzverstärkers muß allerdings vorausgesetzt werden, daß weder die Fotodetektoren Temperaturänderungen erfahren oder sonstige Ungleichheiten zeigen noch ein ihnen vorgeschaltetes optisches Strichgitter irgendwelche Fehler aufweist Mit Hilfe der gewählten Schaltung ist es dann möglich, den Einfluß von Betriebsspannungsschwankungen und damit verbundenen HeUigkeiisschwankungen an einer die Fotodetektoren durch das Strichgitter hindurch beleuchtenden Lichtquelle auf das Meöergebnis auszuschalten.

Weiter sind aus der DT-OS 1 804 028 und aus der US-PS 3 508 834 fotoelektrische Meßeinrichtungen bekannt, die Fotodetektoren enthalten, deren Ausgangssignale in Phasenquadratur zueinander stehen. Mittels einer Auswertung dieser Signale unter deren Subtraktion läßt sich dann ein störender Gleichspannungsanteil darin eliminierea während der interessierende Wechselspannungsanteil erhalten bleibt Durch eine Rückkopplung vom Ausgang eines den Fotodetektoren in der Auswerteschaitung nachgeordntten Differenzverstärkers über ein Tauchspulensystem auf den Eingang dieses Differenzverstärkers läßt sich die Signalspannungsdifferenz an dessen beiden Eingängen zu Null machen, wobei Korrekturwiderstände, die dem Summenpunkt eines in der Rückkopplungsschleife liegenden Si;mmierverstärkers vorgeschaltet sind, eine Temperatur- und Maßstabskorrektur ermöglichen, so daß eine Signalinterpolation erreichbar wird, die Zwischenmeßwerte erfassen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelmesser der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der unabhängig vom Auftreten aller denkbaren Störungs- bzw. Fehlerquellen und insbesondere auch bei Unvollkommenheiten am Meßtisch und an den Fotodetektoren eine definierte Beziehung zwischen Meßsignal und Bezugssignal zu gewährleisten vermag.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ausbildung des Winkelmessers in der durch den Hauptanspruch gekennzeichneten Weise.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 eine schematisch gehaltene Übersicht über den Strahlengang des Lichts durch einen Winkelmesser mit einer kreisringförmigen Winkelmeßscheibe,

F i g. 2 ein Blockschaltbild für eine Auswerteschaltung für die Verarbeitung der von den Fotodetektoren des Winkelmessers von F i g. 1 gelieferten Meßsignale und

F i g. 3 einen Signallaufplan für die Auswerteschaltung von F i g. 2.

In F i g. 1 beleuchtet eine als Lichtquelle für die Winkelmessung dienende Leuchtdiode 1 durch einen Kondensator 2 hindurch eine kreisringförmige Winkelmeßscheibe 3, die mit zwei Meßskalen 4 und 5 versehen ist. Die Meßskalen 4 und 5 bestehen jeweils aus alternierend aufeinanderfolgenden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten, die in den beiden Meßskalen 4 und 5 so gegeneinander versetzt sind, daß sich bei der Umwandlung der optischen Signale in elektrische Signale eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° zwischen den von den beiden Meßskalen 4 und 5 erhaltenen Signalen ergibt. Jede der beiden Meßskalen 4 und 5 kann beispielsweise aus 10 000 Abschnitten bestehen.

Das von der Leuchtdiode 1 ausgesandte Licht durchstrahlt den Kondensor 2 und wird dann beim Durchgang durch die in Rotation befindliche Winkelmeßscheibe 3 durch deren lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte in den Meßskalen 4 und 5 mo-