DE2557136B2

DE2557136B2 - Vorrichtung zur unmittelbaren messung von linearen und winkeligen verschiebungen mit ziffernablesung

Info

Publication number: DE2557136B2
Application number: DE19752557136
Authority: DE
Inventors: Adam Dr.-Ing.; Kowalski Henryk Zenon Dr.-Ing.; Osiennik Pawel Dipl.-Ing.; Krol Franciszek Dipl.-Ing.; Warschau Dubik
Original assignee: Instytut Geodezji I Kartografii, Warschau
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1976-12-09
Also published as: CH602981A5; DE2557136A1; JPS5416753B2; FR2296836B1; SE7514370L; DE2557136C3; JPS5193252A; PL105392B1; CA1056593A; FR2296836A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen eines Meßobjekts mit Ziffernablesung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von Verschiebungen erfolgt die Messung meistens durch Ablesen der Verschiebungsgröße auf Skalen, die auf mechanischem, chemischem, optischem oder magnetischem Wege aufgetragen sind, wobei zur Erhöhung der Ablesegenauigkeit Vorrichtungen mit Hilfsskalen. z. B. Nonien oder Mikrometerschrauben, oder optische Geräte, z. B. Projektionsapparate oder Mikroskope, welche die Skala vergrößern, eingesetzt werden.

Der hauptsächlichste Nachteil solcher Vorrichtungen besteht in der Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von dem beschränkten Auflösungsvermögen der Skala und in der Beeinflussung durch Beobachtungsfehler.

Aus der polnischen Patentschrift 54 755 sind Vorrichtungen bekannt, welche eine direkte Ziffernablesung der linearen oder winkeligen Verschiebungen ermöglichen. Die Meßgenauigkeit solcher Vorrichtungen ist jedoch durch die Aufnahme- und Ablesegenauigkeit bestimmt, welche bei den bekannten, auch durch höchste Genauigkeit gekennzeichneten Vorrichtungen dieser Art. den Wert von 300 Bits/Millimeter nicht überschreitet. Die weitere Steigerung der Genauigkeit von Meß vorrichtungen verlangt besondere verfahrungstechnische Maßnahmen, sowie zusätzliche Ableseeinrichtungen, wie z.B. elektronische Nonien, welche abgesehen von der Erhöhung der Kosten den Aufbau der Vorrichtung komplizieren und zugleich deren Betriebszuverlässigkeit vermindern.

Aus der US-Patentschrift 35 52 S61 ist ferner eine zur Messung der Verschiebungen von Einheiten bei Werkzeugmaschinen dienende Vorrichtung bekannt, bei welcher ein Beugungsgitter für die Messung ausgenutzt wird. Die Genauigkeit dieser Vorrichtung ist jedoch ebenfalls durch das Auflösungsvermögen des Beugungsgitters beschränkt, welche bei bekannten Herstellungsverfahren einige hundert Zeichen oder Linien auf einem Millimeter nicht überschreitet.

Aus der US-Patentschrift 35 78 979 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die Verschiebung durch Addieren von Lichtimpulsen gemessen wird, die durch Verschiebung von mit dem zu messenden Objekt verbundenen Teilungsgittern erzeugt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen zu schaffen, mit welcher eine erhebliche Erhöhung der Meßgenauigkeit gegenüber den mit bekannten Vorrichtungen erzielbaren Ergebnissen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einer mit sehr dicht und sehr genau eingetragenen Linien versehenen Meßskala sowie mit einem Lichtimpulsgenerator ausgestattet, der eine unmittelbare Umsetzung der linearen oder winkligen Verschiebung dieser Meßskala in elektrische Impulse ermöglicht. Untersuchungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben gezeigt, daß die Meßskala vorzugsweise in Form eines Hologramms auszubilden ist, d. h. auf dem Wege der photographischen Abbildung von mittels Laser erzeugten kohärenten Wellen. Dies ermöglicht die Schaffung einer Skalendichte in der Größenordnung von einige ι Tausen Linien auf der Länge von 1 mm, d. h. mit einem sehr hohen, bisher nicht erreichtem Auflösungsvermögen.

Um die Umsetzung der Verschiebungen einer Meßskala mit hoher Liniendichte zu ermöglichen, ist der Lichtimpulsgenerator mit einem optischen System ausgerüstet, das ein vergrößertes Bild der Meßskala erzeugt, und es ist eine Streifenblende vorgesehen, welche verschiebbar gegenüber dem vergrößerten Skalenbild angeordnet ist. Die Streifenblende wird durch ein photographisch abgebildetes Bild der Meßskala dargestellt, dessen Vergrößerung identisch und in demselben Maßstab erfolgt wie das vergrößerte Skalenbild.

Die Verschiebung der Streifenblende gegenüber dem durch das optische System erzeugten, vergrößerten Bild der Meßskala bewirkt eine Abdeckung der Zwischenlinienbereiche des Skalenbildes durch Linien der Streifenblende, wodurch beim Verschieben der Meßskala auf an sich bekannte Weise Lichtimpulse erzeugt werden, deren Anzahl direkt proportional zu der zu messenden Verschiebung ist. Die Lichtimpulse werden anschließend auf an sich bekannte Weise, z. B. mittels eines Detektors, in entsprechende, leicht zusammenzählbare elektrische Impulse umgesetzt.

Die Erzeugung von Lichtimpulsen ist zwar bekannt, z. B. aus der US-Patentschrift 3i> 78 979, jedoch werden

dort nicht wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die gegenseitigen Verstellungen eines vergrößerten Skalenbildes und einer Streifenblende, die eine photographische Registrierung dieses Skalenbildes ist, ausgenutzt Dadurch werden Beugm.gserscheinungen beseitigt, was ermöglicht, exakte und gut registrierbare Lichtimpulse bei bedeutend größerer Liniendichte der Meßskala zu erreichen. Dadurch wird eine entsprechende Erhöhung der Meßgenauigkeit erzielt

Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgenutzte Verfahren, die aufgrund der Verschiebungen der mit dem Meßobjekt verbundenen Skala erhaltenen Impulse direkt in Lichtimpulse, und diese anschließend in entsprechende, leicht addierende elektrische Impulse umzusetzen, ermöglicht eine unmittelbare und schnelle :s Ziffernablesung des Meßergebnisses.

Darüber hinaus lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Messungen von Verschiebungen in einem sehr weiten Geschwindigkeitsbereich durchführen. Im Zusammenwirken mit einem geeigneten a> Zeitbezugssystem ermöglicht die Vorrichtung eine leichte Messung von Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, bzw. Ableitungen verschiedener Meßgrößen, welche durch Verschiebungen von physischen Größen gemessen werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als unmittelbares, mit einer Ziffernrechenmaschine gekoppeltes Glied Einsatz finden und somit Bestandteil von Steuerungsanlagen für verschiedene herstellungstechnische Prozesse bilden.

Die Anwendung einer zusätzlichen Einheit, z. B. eines Analog-Digital-Umsetzers, erlaubt, die Verschiebungsgrößen in analoger Form darzustellen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Blockschaltplan der Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen oder winkeligen Verschiebungen,

Fig.2 einen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung zur Messung mit Ziffernablesung von linearen Verschiebungen,

F i g. 3 einen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung zur Messung mit Ziffernablesung von winkeligen Verschiebungen mit Umfangsskale, und

F i g. 4 die Vorrichtung gemäß F i g. 3 mit Radialskala.

Die Vorrichtung zur direkten Messung mit Ziffernablesung von linearen und winkeligen Verschiebungen, deren Blockschaltplan in F i g. 1 dargestellt ist, umfaßt folgende Baugruppen: eine Strahlungsquelle 1, welche die Meßskala 2 mit großer Liniendichte beleuchtet einen Lichtimpulsgenerator 4 mit einem optischen Vergrößerungssystem 3 und einer Streifenblende 9, einen lichtelektrischer Detektor 5 sowie einen Zähler 6 zum Addieren der elektrischen Impulse und einen Ziffernanzeiger 7 zur digitalen Darstellung des Meßergebnisses.

In der in F i g. 2 dargestellten Beispielsausführung wird die Strahlungsquelle 1, durch eine sichtbares Licht abstrahlende Lampe gebildet, jedoch kann auch eine andere Strahlungsquelle, z. B. eine Infrarotstrahlungs- <o quelle, angewendet werden, wodurch die Vorrichtung anderen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. In diesem Falle muß auch entsprechend der anzuwendenden Strahlung der Detektor 5 angepaßt werden.

Das optische System 3 dient zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes 10 der Meßskala 2. Der Lichtimpulsgenerator 4 ist mit eber Streifenblende 9 versehen, welche ein photographisch aufgenommenes, identisch und in demselben Maßstab wie das Skalenbild 10 vergrößertes registriertes Bild der Meßskala 2 darstellt.

Als lichtelektrischer Detektor 5 dient eine an sich bekannte Siliziumdiode, welche die auf die lichtempfindliche Fläche fallenden Lichtimpulse in entsprechende elektrische Impulse umsetzt.

Der Zähler 6 dient zum Addieren der auf den Eingang gegebenen elektrischen Signale, während das Meßergebnis in Ziffernform auf dem Anzeiger 7 angezeigt wird.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachstehend beschrieben: Das Meßobjekt, dessen Verschiebungsgröße zu bestimmen ist, ist mit der Meßskala 2 oder der Streifenblende 9 gekuppelt, was bei Verschieben des Meßobjekts eine entsprechende gegenseitige Verschiebung von Meßskala 2 und Streifenblende 9 ergibt. Während der gegenseitigen Verschiebung des vergrößerten Skalenbildes 10 und der Streifenblende 9 erfolgt eine wechselweise Abdeckung und Freigabe des Zwischenlinienbereichs der Streifenblende 9 durch die Streifen des vergrößerten Skalenbildes 10. Die Anzahl der dadurch erzeugten Lichtimpulse ist direkt proportional zur Größe der zu messenden Verschiebung des Meßobjekts.

Da die Lichtimpulse durch eine gleichzeitige Abdekkung und Freigabe von mehreren Zwischenlinienbereichen der Streifenblende 9 durch die sich demgegenüber verschiebenden Streifen des vergrößerten Skalenbildes 10 erzeugt werden, erreicht man eine hohe Zuverlässigkeit in der Unterscheidung der einzelnen Skalenstriche, und dadurch zugleich eine hohe Ablesezuverlässigkeit.

Jeder auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors 5 fallende Lichtimpuls wird in einen elektrischen Impuls umgesetzt. Die elektrischen Impulse werden durch den Zähler 6 zusammengezählt und das Ergebnis wird, nach Dividieren der Impulssumme durch die der Verschiebungseinheit entsprechende Impulsanzahl, auf dem Anzeiger 7 als Meßergebnis aufgezeigt.

Die F i g. 3 stellt eine Vorrichtung dar, bei welcher die als Hologramm ausgebildete Meßskala 8 auf dem Umfang eines Zylinders aufgetragen ist, wobei der Zylinder mit dem Meßobjekt, dessen Winkelverschiebung zu messen ist, gekuppelt ist. In diesem Falle bildet die Streifenblende 9 der Vorrichtung eine photographische Abbildung des vergrößerten Bildes eines Ausschnittes der auf dem Zylinder aufgetragenen Meßskala 8. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist dieselbe wie die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung.

Wie in F i g. 4 gezeigt, kann die Vorrichtung auch mit einer auf dem Umfang einer Scheibe in Form von radialen Linien aufgetragenen Skala 12 arbeiten. In diesem Falle wird die Streifenblende 9 durch ein registriertes, photographisch vergrößertes Bild der Skala 12 gebildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen eines Meßobjekts mit Ziffernablesung, mit einem Lichtimpulsgenerator und einem lichtelektrischen Detektor zum Erfassen und Zählen der durch gegenseitiges Verschieben von mit dem Meßobjekt verbundenen Teilungsgittern erzeugten Lichtimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpulsgenerator (4) ein optisches Vergrößerungssystem (3) zur Erzeugung eines vergrößerten Skalenbildes (10) einer Meßskala (2; 8;12) aufweist sowie eine gegenüber dem vergrößerten Skalenbild (10) paral-IeI verschiebliche Streifenblende (9), welche ein photographisch aufgenommenes, identisch und in demselben Maßstab wie das Skalenbild (10) vergrößertes registriertes Bild des Meßskala (2; 8 oder 12) darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (2; 8 oder 12) in Form eines Hologramms mit großer Liniendichte ausgebildet ist, das durch photographische Abbildung des linienartigen Interferenzmusters von kohärenten Wellen erzeugt ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (2) eben ist und die Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (8) auf dem Umfang einer Zylinderfläche aufgetragen ist, dessen Winkelverschiebung zu meisen ist, wobei die Skalenlinien parallel zueinander verlaufen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (12) auf dem Umfang einer sich drehenden Scheibe aufgetragen ist und ihre Skalenlinien in Radialrichtung verlaufen.