DE2357372A1

DE2357372A1 - Vorrichtung zur lagebestimmung eines beweglichen gegenstandes

Info

Publication number: DE2357372A1
Application number: DE19732357372
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. P GOId 1-00 Antrag
Original assignee: Societe dOptique Precision Electronique et Mecanique SOPELEM SA
Current assignee: Societe dOptique Precision Electronique et Mecanique SOPELEM SA
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1974-07-11
Also published as: NL7315508A; JPS5041573A; BE808505A; FR2211118A5; IT999878B; ES420711A1; CH571704A5

Description

Patentanwälte

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31O-21-.719P(21.72OH) 16. 11. 1973

SOCIETED'OPTIQUES, PRECISION, ELECTRONIQUE ET MECANIQUE-SOPELEM, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand, auf dem eine Meßskala befestigt ist, und die insbesondere die Messung der Lageänderung eines beweglichen Gegenstandes gestattet-

Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei Vorrichtungen

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zur Weglängenmessung verwendet, die bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Um die Lage eines beweglichen Gegenstandes durch Vergleich mit einem anderen Gegenstand zu bestimmen, beispielsweise um die Lageänderungen des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine zu messen, befestigt man im allgemeinen eine Meßskala auf einem der Gegenstände , vor dem sich ein Meßorgan befindet, welches auf dem anderen Gegenstand befestigt ist.

Zum direkten Ablesen einer abgestuften Skala kann man einen einfachen Nonius durch Verschieben längs der Skala verwenden, doch kann man damit bekanntlich nur mit einer Genauigkeit bis ungefähr 1/20 mm ablesen.

Da der Wunsch nach einer Messung der Lageänderungen mit ei-

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ner Genauigkeit in der Größenordnung von 10 mm oder von 10 mm (um) besteht, ist man daher dazu übergegangen, die Skala optisch zu vergrößern, derart, daß die Ablesung nicht mehr direkt auf der Skala, sondern auf einer vergrößerten Skalenabbildung erfolgt. Es ist offensichtlich, daß man damit eine wesentlich höhere Ablesegenauigkeit erzielen kann. Andererseits erfolgt diese Vergrößerung mittels einer optischen Abbildung der Skala auf eine von der betreffenden Maschine entfernte Ablesefläche. Das Leseorgan, beispielsweise ein Interpolationskreis in einem optischen Lesegerät, ist daher von der Maschine entfernt, und läuft nicht Gefahr, schlechten Arbeitsbedingungen ausgesetzt zn sein. Indessen besitzt die Vergrößerung den Nachteil, daß sie eine gewisse Verzerrung mit sich bringt,

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welche eine Begrenzung der Fläche des optischen Systems erfordert. Diese Verzerrung kann sehr unangenehm sein, da das Interpolations organ eine feste Unterteilung von Markierungen besitzt, welche der Unterteilung des Skalenbildes entsprechen müssen.

Wenn man daher Wegaufnehmer verwendet, deren Funktionsweise auf Moire-Streifen oder auf dem Ablesen einer codierten Skala beruht und welche das Ablesen einer geeichten Skala mit sehr großer Genauigkeit ohne Maßstabsvergrößerung gestatten, zieht man es im all-» gemeinen vor, sich mit einer optischen Abbildung zu begnügen, wobei der Wegaufnehmer neben dem Skalenträger aufgestellt wird, trotz der Nachteile, die sich aus dieser Anordnung ergeben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Lagebestimmung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Ableseorgan in einer vom Skalenträger entfernten Ebene angeordnet ist und dennoch ein ausreichendes Beobachtungsfeld aufweist, um einen beträchtlichen Teil des Skalenträgers zu erfassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische System ein Linsensystem der Vergrößerung von -1 ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen optischen Systems zur Projektion eines Skalenbildes;

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Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagebestimmung; und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III—III in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt schematisch einen abgestuften Skalenträger 1, welcher auf einem Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugtisch, befestigt ist, sowie eine Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung, welche auf einem anderen Maschinenteil, beispielsweise einem Werkzeugschlitten, befestigt ist und die Bestimmung der Lage des Werkzeugschlittens durch Vergleich mit dem Skalenträger 1 gestattet.

Die Vorrichtung 2 zur Lagebestimmung enthält ein optisches Abbildungssystem 3 sowie einen Wegaufnehmer 4.

Erfindungsgemäß ist als optisches Abbildungssystem 3 ein Linsensystem vorgesehen, das mit einer Vergrößerung gleich -1 arbeitet und welches beispielsweise aus zwei spiegelsymmetrischen Linsensystemhälften 31, 32 mit der gleichen Brennweite zusammengesetzt sein kann. Der Skalenträger 1 ist in der Objekt-Brennebene der Linsensystemhälfte 31 angeordnet, und die Ablesung erfolgt beispielsweise mittels einer Maske oder eines Rasters bzw. Gitters 41 in der Bild-Brennebene 40 der Linsensystemhälfte 32.

Der Skalenträger 1 wird in vorteilhafter Weise durch eine Beleuchtungsquelle 50 beleuchtet, deren Kondensor 51 ein Bild auf einem halbreflektierenden Spiegel 52 in der Bild-Brennebene der Linsen-

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systemhälfte 31 erzeugt, wodurch die Beleuchtung des Skalenträgers im parallelen Strahlengang ermöglicht ist.

Die Linsensystemhälften 31 und 32 sind aus Gruppen von identischen und symmetrischen Linsen aufgebaut; indessen enthält wenigstens das eine der beiden Linsenhälften, beispielsweise die Linsensystemhälfte 32, eine Einrichtung 320 zur Brennpunkteinstellung, so daß man mit Genauigkeit eine Vergrößerung gleich -1 erzielen kann. Auf diese Weise erzeugt das Linsensystem in der Ebene 40 ein reelles Bild des Skalenträgers 1 mit identischer Abmessung. Insbesondere ist die Unterteilung des Skalenbildes absolut identisch mit der -Unterteilung der auf der Maschine befestigten Skala. Man kann daher ohne die Gefahr von Fehlern die Messung mittels eines Wegaufnehmers durchführen, beispielsweise mit einem photoelektrischen Moirestreifen-Wegaufnehmer, welcher mit einer Maske 41 arbeitet.

Da man mit einer Vergrößerung gleich 1 arbeitet, kann man das optische System mit einem so großen Beobachtungsfeld ausbilden, daß insbesondere jeder Photodetektor des Ablesesystems in die Lage versetzt ist, eine Fläche bis zu 20 mm der Skala ohne die Gefahr einer Verzerrung des Bildes zu überwachen. Zu diesem Zweck besteht jeder Photodetektor aus einem rechteckigen Streifen, dessen Länge der des Beobachtungsfeldes, beispielsweise 20 - 25 mm, entspricht, wobei die verschiedenen Streifen nebeneinander und quer zu den Strichen der Skalenabbildung angeordnet sind. Jeder dieser Streifen kann auf diese Weise mehrere Teilstriche der Skalenabbildung überdecken. Dieser Vorteil ist sehr wichtig, da sich, wenn man mit einem verringerten Beobachtungsfeld arbeitet, Schmutz oder beispielsweise

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(Metall-)Späne auf dem Skalenträger vor dem Wegaufnehmer festsetzen und das Ablesen unmöglich machen können. Mit einem Beobachtungsfeld, welches mehrere Teilstriche der Skala bedeckt, ist das Ablesen stets möglich, selbst wenn die Skala verschmutzt ist. Weiterhin kann man unter der Voraussetzung, daß man mehrere Striche der Skala auf einmal sieht, eine Integration durchführen und durch Mittelung den Einfluß von örtlichen Gravierungsfehlern sehr verringern.

Bekanntlich variiert die Ablesegenauigkeit mit 1/Vri, wobei η die Anzahl der gleichzeitig ausgewerteten Teilstriche darstellt.

Es ist schließlich noch zu betonen, daß das Linsensystem mit einer gleichbleibenden Vergrößerung arbeitet. Aufgrund dieses gleichbleibenden Wertes führt eine Veränderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und der vorderen Linsensystemhälfte zur kleinsten Veränderung der Unterteilung des Skalenbildes. Aus diesem Grunde bleibt die Unterteilung der Markierungen des Rasters und der Gang- bzw. Phasenunterschied zwischen den Elementen bzw. Zellen der Ableseeinrichtung in Übereinstimmung mit der Unterteilung des Skalenträgers selbst für den Fall einer leichten Verformung des Skalenträgers oder eines FührungsfeHers mit einer geringen Änderung der Entfernung zwischen dem Skalenträger und dem Wegaufnehmer.

Da man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem großen Beobachtungsfeld arbeitet, kann man wesentlich leichter die Eichsysteme verwenden, bei denen der Skalenträger mehrere übereinander gelagerte Skalen mit sich überkreuzenden Unterteilungen auf-

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weist. Bis heute war man bei diesen Systemen gezwungen, den'Wegaufnehmer neben dem Skalenträger anzuordnen, um gleichzeitig die verschiedenen Skalen ablesen zu können. Dank des besonders großen Beobachtungsfeldes der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es trotz Verwendung einer optischen Abbildung, bei welcher der Wegaufnehmer von dem Skalenträger entfernt ist, möglich, einen ziemlich großen Abschnitt des Skalenträgers zu erfassen und so sämtliche kalen auszuwerten.

Selbstverständlich bleibt die Größe des Beobachtungsfeldes durch die Einsatzbedingungen begrenzt. In der Praxis wird man eine solche Größe wählen, daß der Phasenunterschied der optischen Informationen die Amplitude der photoelektrischen Signale nur in den Grenzen beeinflußt, welche mit ihrer Auswertung vereinbar sind.

In Fig. 2 und 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Linsensystem aus Platzgründen mit einem geknickten Strahlengang ausgebildet, wobei die beiden Linsensystemhalter 31 und 32 symmetrisch bezüglich einer Senkrechten zu der Ebene eines Spiegels 6 angeordnet sind. Jede Linsensystemhälfte enthält eine in einem Gehäuse angeordnete Linse 310, welche bezüglich dem Ganzen so verstellbar ist, daß die Brennebene der Linsensystemhälfte genau eingestellt werden kann.

Man erkennt in gleicher Weise in Fig. 2 die Beleuchtungsquelle 50, die über einen dazwischenliegenden Kondensor 51 und unter Zwischen-

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schaltung eines Spiegels 60 die Skala nach Art eines sogenannten "Halbpupillen"-Systems beleuchtet.

Man erkennt, daß das Beobachtungsfeld F, welches durch die Vorrichtung gesehen werden kann, praktisch den gleichen Abstand von der vorderen Linse der Bildlinsenhälfte 31 aufweist wieder Skalenträger

In Fig. 3 sind die Linsensystemhälfte 32 und der Wegaufnehmer dargestellt, welcher eine gewisse Anzahl von Elementen enthält, welche die Ablesung des Skalenbildes gestatten, das nach der Reflexion an einem Spiegel 62 in der Ebene einer eingravierten Maske 41 erzeugt wird.

Die Erfindung kann selbstverständlich mit dem gleichen Ziel auch bei anderen gleichwertigen Systemen angewandt werden-

So kann, wenn man andere Linsensysteme der Vergrößerung 1 verwendet, die Anordnung der Vorrichtungsteile verändert werden, ohne daß das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung verändert wird.

Ähnlich kann der Wegaufnehmer alle beliebigen Bauformen umfassen, ebensogut mit Moirestreifen als auch mit einer Impulszählung oder einer Zahl-Codierung arbeiten.

Ferner können die vom Ableseorgan erzeugten Informationen, welche unmittelbar für die Positionierung einer Maschine durch einen numerischen Befehl verwendet werden, durch alle beliebigen Einrichtungen für eine direkte Ablesung gut sichtbar gemacht werden.

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Claims

Patentansprüche

11 y Vorrichtung zur Lagebestimmung eines beweglichen Gegenstandes relativ zu einem anderen Gegenstand, auf dem eine Meßskala befestigt ist, mit einem optischen System zur Projektion eines Bildes der Meßskala auf eine Ableseebene und mit einem Ableseorgan in der Ebene des Skalenbildes, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Linsensystem der Vergrößerung -1 ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableseorgan (4) ein optoelektronischer Wegaufnehmer ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer aus mehreren rechteckigen Photodetektoren zusammengesetzt ist, deren Länge mehreren Teilstrichen bzw. -stufen der Meßskala (1) entspricht, wobei die rechteckigen Photodetektoren nebeneinander sowie senkrecht zu den Teilstrichen des Skalenbildes angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem zwei spiegelsymmetrische Linsensystem half ten (31, 32) gleicher Brennweite enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (32) der beiden Linsensystemhälften mit einer Ein-

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richtung (320) zur Brennpunkteinstellung versehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (1) in der Objekt-Brennebene der vorderen Linsensystemhälfte (31) angeordnet ist, und daß die Ableseebene mit der Bild-Brennebene (40) der zweiten Linsensystemhälfte (32) zusammenfällt .
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Einrichtung (50, 51, 52) zur Beleuchtung der Meßskala (l) enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beleuchtung der Meßskala (1) nach Art einer Halbpupille ausgebildet ist.

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