DE2340460A1

DE2340460A1 - Einstellverfahren fuer einen geber zur messung der interferenz-ringverschiebung (moiresaumverschiebung)

Info

Publication number: DE2340460A1
Application number: DE19732340460
Authority: DE
Inventors: Gerald L Tumbush
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-08-28
Filing date: 1973-08-09
Publication date: 1974-03-14
Also published as: CA977546A; JPS4965854A; FR2199108B1; FR2199108A1; GB1427085A; JPS5633645B2; US3757126A

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. H. Negendank

Diof Ina. H. Hrvi:': - Dipl Phys. VV. Schmitz

Dipl. Ing. E. Greifs-Dipl. Ir.g. W. Wehnert

8 hiiiii eisen 2, Moiartstraße 25

Telefon 5380586

The Bendix Corporation

Executive Offices

Bendix Center 9. August 1973

Southfield, Mich. 48o75,USA Ahwaltsakte M-2772

Einstellverfahren für einen Geber zur Messung

der Interferenz-Ringverschiebung (Moirlsaumverschiebung)

Die Erfindung betrifft ein Einstellverfahren für Geber zur Messung der Interferenz-Ringverschiebung (Moiresaumverschiebung), insbeisondere ein Verfahren zur Einstellung des Schrägstellungs- oder !Drehwinkels des Abtastkopfes eines Meßgebers für die InterferenzjRingverschiebung sowie ein Verfahren für die Einstellung der Veristärkung und die Symmetrie eines Eingangsverstärkers.

Geber zur Messung der Interferenz-Ringverschiebung wie sie in den US-Patentschriften 2 886 717 und 2 886 718 beschrieben sind, fandeajt

weite Verbreitung bei Koordinaten-Meßmaschinen, da genaue Prüfungen komplizierter Teile schnell und leicht durchgeführt werden können. Nachdem die Kosten für diese Maschinen durch einfachere Konstruktionen herabgesetzt wurden, die für kleine Maschinen- und metallbearbeitende Werkstätten bestimmt sind, ergab sich auch der Bedarf für ein Einstellverfahren, das zur weiteren Herabsetzung der Kosten vom Anwender durchgeführt werden kann.

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Damit wurde es natürlich auch wünschenswert, die Notwendigkeit für eine hoch entwickelte elektronische Ausrüstung zu umgehen und es dem Anwender zu ermöglichen, die Einrichtung mit Hilfe der gewöhnlichen einfachen Meßgeräte einzustellen, die in solchen Werkstätten zur Verfügung stehen wie einem Volt-Ohmmeter (VOM).

j Bisher erforderte diese Art von Maschine einen Oszillographen zur 'Einstellung des Schrägstellungs- oder Drehwinkels des Abtastkopfes

! sowie des Verstärkungsfaktors und der Symmetrie der Differential verstärker, die zur Verstärkung der Ausgangssignale des Abtastkopfes dienen.

Nach der Beschreibung der vorstehend erwähnten Patentschriften arbeitet dieser Meßgeber mit einem Hauptskalenraster oder -gitter sowie einem Abtastkopfraster oder -gitter, wobei der Abtastkopfraster um einen bestimmten Winkel gegenüber dem Hauptskalenraster schräggestellt oder -gedreht ist, um ein Schattenbild oder einen Moiresaum über die Breite des Rasters oder Gitters hin zu erzeugen. Bei einer Versetzung des Abtastkopfrasters gegenüber dem Hauptskalenraster verschiebt sich dieses Bild quer über das Gitter, wobei die Größe und Richtung der Verschiebung von der Größe und Richtung der relativen Bewegung zwischen Abtastkopf- und HauptiSkalenraster abhängt.

Dieses Bild wird durch vier Fotozellen abgetastet, die bei einer richtigen Einstellung des Drehwinkels vier elektrische Sinussignale mit den Phasenbeziehungen von 0°, a?, 18o° und 27o° erzeugen, wo-

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bei die Gegenphasensignale von 0 und 18o sowie 9o und 27o in den Differentialverstärkern des Abtastkopfes und dann nochmals in den Verstärkern der Eingangsstufe verstärkt werden, um vier verstärkte entsprechende Sinussignale abzugeben. Diese Signale werden dann für die weitere Verarbeitung durch zugeordnete Zähler

Hilfe

usw. mit/eines Teilerkreises und Schmitt-Triggers in Rechtecksignale umgesetzt, um scHießlich eine Anzeige für die relative Verschiebung des Abtastkopfes zu erzeugen.

Wie bekannt, ist die Anzahl der periodischen Verteilungen von hellen und dunklen Flächen über der Rasterweite eine Funktion des Drehwinkels, doch ist für die richtige Betriebsweise der beschriebenen Einrichtung das Bild richtig, bei welchem sich eine helle und eine dunkle Fläche über die Rasterweite erstrecken.

Die Stellung des Abtastkopfes wird normalerweise durch Einstellung des Drehwinkels bis zur maximalen Signalamplitude des Wechselspannungsanteils der Fotozellensignale festgelegt, die dann auftritt, wenn die richtige Anzahl von hellen und dunklen Flächen vorhanden ist.

Außer der Notwendigkeit für eine korrekte Anzahl von hellen und dunklen Flächen erfordern genaue Ergebnisse bei dieser Anordnung eine Präzxsxonsexnstellung des Drehwinkels des Abtastkopfes sowie des Verstärkungsfaktors und der Symmetrie der Differentialverstärker der Eingangsstufe, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

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-H-

1. Der Drehwinkel muß an der annähernd richtigen Stellung des Abtastkopfes feinjustiert werden, damit sich genaue Phasenbeziehungen zwischen den Fotozellensignalen ergeben, da der Drehwinkel auch die Phasenbeziehung zwischen diesen Signalen beeinflußt .

2. Die Amplitude des Ausgangssignals des Differentialverstärkers der Eingangsstufe muß einem bestimmten Wert gleich sein.

3. Der Gleichspannungspegel der Ausgangssignale des Verstärkers j der Eingangsstufe muß gleich null sein.

Diese drei Forderungen müssen wegen der Art der Quadrierungsverfahren erfüllt werden, die auch eine Suche nach den Null-Durch-, gangen der Sinussignale umfassen und somit ungenau sind, wenn eine der drei Bedingungen nicht erfüllt wird, da diese Null-Durchgänge durch jede Ungenauigkeit dieser Parameter verschoben werden.

Frühere Einstellverfahren bedingten die Verwendung eines Oszillographen zur Durchführung dieser Einstellungen, wobei zuerst der Drehwinkel des Abtastkopfes justiert wurde, um eine richtige Lissajous-Schwingungsfigur zu erzeugen, worauf der Verstärkungsfaktor und die Symmetrie der Differentialverstärker der Eingangsstufe eingestellt wurde.

Die Verwendung eines Oszillographen war aus den folgenden Gründen erforderlich:

(a) der Gleichspannungspegel des Ausgangssignals der Fotozellen liegt über Null, sodaß die

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Schwankung seines Wechselspannungspegels nicht mit einem einfachen Wectiselspannungsmeßgerät gemessen werden kann.

(b) die Phasenbeziehung zwischen den sich ändernden Sinuswellen kann nicht genau mit einem einfachen Wechselspannungs-Voltmeter gemessen wer- ; den.

J Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur ; • Einstellung dieser Bedingungen und Zustände mit Hilfe eines ein- : fachen Volt-Ohmmeters zu schaffen. Ferner ist erfindungsgemäß 'ein Verfahren zur Messung der Phasenbeziehung zwischen Wechselspannungssignalen unter Verwendung eines Volt-Ohmmeters vorgesehen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, nach welchem das Ausgangssignal der Differentialverstärker der Eingangsstufe auf einen iGleichspannungs-Nullpegel abgeglichen werden, um deren Ausgangssignale mit einem VOM-Meter ablesen zu können, sodaß der Drehwinkel einjustiert werden kann, um für die Einstellung des Drehwinkels ein maximales Ausgangssignal zu erhalten. Dann wird die Gleich- :

spannungssymmetrie wieder auf Null justiert und der Verstärkungs- j

faktor eingestellt, um die richtige Amplitude für jeden Kanal zu ^; !erzeugen, der aus zwei Gruppen von Gegenphasensignalen besteht. ; Der Phasenwinkel zwischen den Gegenphasensignalgruppen wird dann

durch Ablesung des Wechselspannungswertes eingestellt ₉ der durch j eine Kombination von zwei aus den Nullgrad- und 9o°-Signaien erzeugten Rechteckwelien sowie durch Justierung des Drehwinkels

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des Abtastkopfes entsteht, bis sich ein Eichwert ergibt, der der richtigen Phasenbeziehung entspricht. Die letzten drei Verfahrensschritte werden solange wiederholt, bis alle Bedingungen erfüllt sind.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Be-

!Schreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des Abtastkopfes und eines Teils der elektronischen Schaltungen der Eingangsstufe.

'Fig. 2 ein Kurvenbild für das durch den Abtastkopf erzeugte elek-

j trische Ausgangssignal,

iFig. 3 ein Kurvenbild des verstärkten und symmetrierten Ausgangs-I signals der Verstärker der Ausgangsstufe.

iFig. 4 ein Kurvenbild der aus den 0- und 9o -Sinussignalen erzeug-

j ten Rechteckspannun^n. ;

In der nachfolgenden Beschreibung wird eine bestimmte Terminologie ' aus Gründen der Klarheit verwandt und ein bestimmtes Ausführungs- , beispiel beschrieben, um die Erfindung vollständig zu erläutern, jes sei jedoch bemerkt, daß der Rahmen der Erfindung dadurch nioht ^: [eingeschränkt wird, und die Erfindung in einer Vielzahl von For/iien ! Und Ausführungsbeispxelen möglich ist. j

\ I

!Der in Fig. 1 gezeigte Abtastkopf Io ist gegenüber dem Haupt skalenpaster 12 verstellbar in einem Drehwinkel angeordnet, um durch das

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mit dem nicht gezeigten Raster des Abtastkopfes Io erzeugte Interferenzbild ein Moirisaumbild zu bilden. Dieses Bild wird durch die
vier Fotozellen IU,16,18 und 2o abgetastet, die (am entsprechenden
Drehwinkel) vier elektrische Sinussignale mit den Phasenbeziehungen 0°, 9o°, 18o°uid 27o° erzeugen. Da die 0°- und 18o°- sowie die
9o°- und 27o°-Signale Gegenphasensignalgruppen bilden, können sie : leicht in den Differentialverstärkern 22 und 2H des Abtastkopfes
verstärkt werden, um zwei Ausgangssignale zu erzeugen, die gegeneinander um genau 18o versetzt sind.

Diese Signalgruppen werden dann in der Eingangsstufe durch die
Differentialverstärker 26 und 28 weiter verstärkt; diese Differentialverstärker umfassen je ein Abgleichpotentiometer 3o und 32
sowie ein Verstärkungsregelpotentiometer 34 und 36, Die Ausga^ngssignale der Differentialverstärker der Eingangsstufe werden durch die Umkehrverstärker 38 und 4o invertiert, sodaß sich vier ver- i stärkte elektrische Sinussignale entsprechend den Fotozellensignalejn von 0 , 9o , 18o und 2 7o ergeben, wobei die nachstehend beschriebenen entsprechenden Einstellungen eine genau eingestellte Amplituden- und Phasenlage besitzen und um den Gleichspannungspegel null'

nach der Darstellung der Fig. 3 schwingen. !

Diese vier Signale gelangen dann an die übrige nicht gezeigte Ver- j arbeitungsschaltung, um schließlich in bekannter Weise eine Digi- i

I talanzeige für die Verschiebung des Abtastkopfes Io zu erzeugen. !

Aus Fig. 1 geht hervor, daß die Ausgangssignale der Differential-

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verstärker 22 und 24 des Abtastkopfes um einen mittleren Gleichspannungspegel herum schwingen (normalerweise 3,3 V=) und daher können Schwingungen oder Änderungen der Wechselspannungskomponente nicht mit Hilfe eines einfachen Voltmeters abgelesen werden, um den iDrehwinkel so einzustellen, daß sich eininaximales Signal ergibt, um zur annähernd richtigen Stellung des Abtastkopfes Io zu gelangen.

!Daher wird der Wechselspannungsantexl erfindungsgemäß am Ausgang \

j j

[der Eingangsstufen-Differentialverstärker 26 und 28 gemessen, und j zwar an den Meßpunkten 1 und 2 der Fig. 1, da der Gleichspannungs-| pegel mit Hilfe der Abgleichpotentiometer 3o und 32 auf Null ab- j geglichen ist.

jSomit besteht der erste Schritt des erfindungs gemäßen Einstellungs-* Verfahrens (nach Einstellung des Verstärkungsfaktors auf einen willkürlich gewählten minimalen Anfangswert) darin, den Gleich- !

spannungspegel eines der am Meßpunkt 1 oder 2 mit Hilfe des VOM- ^! Meter 42 gemessenen Ausgangssignals durch einen der Potentiometer 3o oder 32 auf Null abzugleichen (während der Abtastkopf Io bewegt ;

wird). j

: ι

Dann wird der Drehwinkel des Abtastkopfes Io justiert, um an einem der beiden Meßpunkte 1 oder 2 eine maximale Wechselspannungsanzeigej

er erhalten (wobei wieder der Abtastkopf Io bewegt wird), um die ! vorstehend beschriebene richtige Anzahl von hellen und dunklen Flächen zu gewinnen.

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Dann wird der Gleichspannungspegel wieder für beide Ausgänge an den Meßpunkten 1 und 2 auf Null abgeglichen und außerdem wird die Amplitude eines jedes Signals an den beiden Meßpunkten 1 und 2 mit Hilfe der Potentiometer 34 und 36 sowie des VOM 42 dadurch eingestellt, daß eine bestimmte Effektivanzeige auf der Wechselspannungsskala VOM H 2 abgenommen wird.

Der Phasenwikel zwischen den 0°- und 9o -Signalen wird erfindungsgemäß dadurch gemessen, daß diese Signale zuerst in Rechteckspan- ; fiungen mit Hilfe der Rechteckspannungsgeneratoren 44 und 46 umgesetzt werden (die Rechteckspannungen für ο und 9o sind in Fig. 4 gezeigt), worauf der Phasenwinkel zwischen beiden dadurch gemessen ;

Wird, daß der durch die überlagerten Signale erzeugte effektive ftfechselspannungswert zwischen den Meßpunkten 3 und 4 abgelesen wird.

I i

Es ergab sich, daß die angezeigten effektiven Wechselspannungswertej $ich in Abhängigkeit vom Phasenwinkel zwischen den Rechteckwellen indem, und somit kann während der Bewegung des Abtastkopfes Io eine experimentell bestimmte und erhaltene "richtige" Wechselspannungsanzeige an den Meßpunkten 3 und 4 dadurch erzeugt werden, daß der Drehwinkel des Abtastkopfes Io nochmals justiert wird.

|m Zusammenhang mit diesem Verfahrensschritt and zwei Punkte zu beachten:

Erstens muß der Pegel der entsprechenden Rechteckspannungen, ganz gleichmäßig sein, damit dieses Verfahren zur Wirkung kommen kann, und da diese Geber normalerweise Rechteckgeneratoren umfassen,

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welche den Pegel nicht mit enger Toleranz einhalten (da dies für die normale Signalverarbeitungstechnik nicht erforderlich ist) , kann die Verwendung von Pegelumsetzern zur genauen Einstellung dieses Spannungspegels erforderlich werden, wenn ein vorhandener JRechteckspannungsgenerator für diesen Zweck eingesetzt wird.

Zweitens muß erkannt werden, daß diese Signale mit den vorstehend geschriebenen Verstärkungsverfahren um genau 18o versetzt sind, äa die ο - und 18o - sowie die 9o° und 27o -Signale Gegenphasengruppen sind, und wenn somit die Phasenbeziehung der ο - und 9o joder der 18o - und 27o -Signale durch eine Justierung des Dreh-

inkels eingestellt wird, dann ist auch die Phasenlage aller Signale genau.
j

Da diese letzte Justierung die vorher vorgenommenen Abgleiche- und Verstärkungseinstellungen beeinflußt, muß ein Iterationsprozess

stattfinden, in welchem die drei letzten Schritte, d.h. der jSleichspannungsabgleich, die Amplituden- und Phasenwinkeleinstellung solange wiederholt werden müssen, bis alle drei Bedingungen erfüllt sind. ι

^lan erkennt daher, daß bei diesem Verfahren nur die Anzeige von jjleichspannungs- oder Wechselspannungspegeln erforderlich ist,

und daß dieses Verfahren somit unter Verwendung von nur eines Volt-Ohmmeters durchgeführt werden kann, sodaß die vorstehend beschriebene Aufgabe gelöst wird.

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Es sei bemerkt, daß zur Einstellung solcher Geber auch bekannte andere Verfahrensschritte erforderlich sind, die jedoch nicht beschrieben worden sind, da sie keinen Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden. Solche Schritte umfassen die Einstellung der Spannung der Lichtquelle, um Fotozellensignale zu erzeugen, die im Rahmen des Arbeitsbereiches der Verstärker 26 und 28 verstärkt

V/erden können sowie auch, wann die Drehwinkeleinstellung für das !Maximalsignal richtig ist, da zwei Einstellungen möglich sind, Von denen nur eine richtig ist; diese wird durch Prüfung des Zählzeichens bestimmt, das durch die Bewegung des Abtastkopfes in die eine oder andere Richtung erzeugt wird.

!Natürlich sind viele Abänderungen dieses Verfahrens im Rahmen der Erfindung möglich, da beispielsweise das 18o°- und 27o°-Signal anstelle des ο - und 9o -Signals in Rechteckspannungen umgesetzt und in die richtige Phasenbeziehung gebracht werden können, um eine genaue Einstellung des Drehwinkels zu erhalten.

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Claims

Patentanwälte

The Bendix Corporation l^^^
Executive Offices Telefon 5580586

; Bendix Center 8. August 19 73

Southfield, Mich. 48o75,USA Anwaltsakte M-2772

Patentansprüche

₍ 1.)Verfahren zur Messung der Phasenbeziehung zwischen zwei sich ^—/ ändernden elektrischen Signalen, gekennzeichnet durch: Messung des durch die überlagerten sich ändernden elektrischen Signale erzeugten effektiven Wechselspannungswerts sowie Vergleich des Wechselspannungswerts mit Wechselspannungswerten, die sich aus einer bekannten Phasenbeziehung zwischen den elektrischen Signa+

len ergeben. ;
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich! ändernden elektrischen Signale Rechteckspannungen sind. ',

'· i
3. Verfahren zur Einstellung des Drehwinkels des Abtastkopfes eines, Interferenzring-Meßgebers, wobei der Abtastkopf eine Reihe von i Fotozellen umfaßt, die jeweils in Abhängigkeit von der Bewegung! eines Interferenzringbildes relativ zu ihnen ein sich periodisch änderndes elektrisches Signal erzeugen, und der Meßgeber mit Verstärkern zur Aufnahme dieser Signale bestückt ist sowie mit

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einer regelbaren Abgleicheinrichtung zur Einstellung des Gleich-

Spannungspegels der Ausgangssignale der Verstärker, die von den

sich ändernden und vom Meßgeber her mit Nullpegel anliegenden !

Signalen erzeugt werden, sowie auch eine regelbare Verstärkungsf

einrichtung zur Einstellung der Amplitude dieser Signale auf einem bestimmten Pegel, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Abgleichjustierung des Verstärkers, um den Gleichspannungspegel Null des von einem der sich ändernden elektrischen Signale erzeugten Verstärkeraus·· gangssignals zu erhalten, Einstellen des Drehwinkels des Abtastkopf es, um einen maximalen Wechselspannungswert vom Ausgangssignal des Verstärkers zu erhalten, Abgleichjustierung des Ver-I

stärkers, Abgleichjustierung des Verstärkers um den Gleichspannungspegel Null des von den sichändernden elektrischen Sig-

"nalen erzeugten Ausgangssignalen des Verstärkers zu erhalten,

! Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers, um eine

! bestirnte Amplitude der Verstärkerausgangssignale zu erhalten, ! Nachjustierung des Drehwinkels des Abtastkopfes und Messung des

durch die Kombination zweier Verstärkerausgangssignale erzeugter. ί Wechselspannungswertes, bis ein Wechselspannungswert entsteht, j

der dem richtigen Phasenwinkel zwischen zwei Verstärkerausgangs4 Signalen entspricht und schließlich, nach Bedarf, Wiederholung j

> t

der letzten drei Verfahrensschritte, bis alle darin vorkommenden Spannungsbedingungen erfüllt sind.

h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß üei der Wiederholung der Justierung des Drehwinkels des Abtastkopfes

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die Ausgangssignale des Verstärkers zuerst in Rechteckspannungen umgesetzt werden, bevor der durch Kombination der beiden Verstärkerausgangssignale erzeugte Wechselspannungswert gemessen wird.

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