DE3913983A1 - Vorrichtung zum nachweis von verschiebungen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis von Ver
schiebungen und insbesondere eine Verbesserung an einer derartigen Vorrich
tung, um unter Verwendung periodischer Gitter eine relative Verschiebung
zwischen zwei Maschinenteilen in einer absoluten Position nachzuweisen.
Es sind zwei Arten sog. Verschiebungs-Detektoren bekannt, um eine Größe, z. B.
die Strecke zu messen, um die ein Werkzeug einer Werkzeugmaschine vorge
schoben wird: eine auf Zuwachs beruhende Art eines Verschiebungs-Detektors,
bei der eine relative Verschiebung zwischen den beiden Maschinenteilen aus
der Anzahl von Wiederholungen eines periodischen Primärsignals ermittelt
wird, das durch die Wechselwirkung zwischen zwei entsprechenden, mit einer
Spur in Beziehung stehenden Gittern gebildet wird, und eine auf einer abso
luten Position beruhenden Art eines Verschiebungs-Detektors, von dem in einer
absoluten Stellung eine relative Verschiebung zwischen den beiden Maschinen
teilen unter Verwendung mehrerer Primärsignale angezeigt wird, die durch
die Wechselwirkung zwischen Gittern gebildet werden, die hinsichtlich jeder
Spur durch ihre z. B. sich stark ändernden Abstände codiert sind.
Wenn jedoch bei der bekannten, auf Zuwachs beruhenden Art des
Verschiebungs-Detektors Zählfehler auftreten, werden diese nämlich einfach
aufsummiert, was unmittelbar zu einem Meßfehler führt.
Bei der letzteren, nämlich bei der auf einer absoluten Position
beruhenden Art des Verschiebungs-Detektors ergibt das Auftreten eines Zähl
fehlers keinen Meßfehler, da in einer absoluten Stellung eine Verschiebung
gemessen wird. Jedoch sind die Gitter vollständig in einer solchen Weise
codiert, daß in einem bekannten Verfahren der Gitterabstand auf einer zweiten
Spur zweimal so groß wie die des Gitters auf einer ersten Spur eingestellt
wird, und daß der Gitterabstand auf einer dritten Spur zweimal so groß wie
der des Gitters auf der zweiten Spur eingestellt wird . . . ; das Auftreten
eines Abtastfehlers in einer der Spuren oder insbesondere in einer mit ei
nem großen Gitterabstand ergibt eine erhebliche Abweichung eines Meßwertes.
Wenn die auf einer absoluten Position beruhende Art des Ver
schiebungs-Detektors unter Verwendung optischer Gitter eingesetzt wird,
müssen in den Gittern an jeder Spur dieselben Zwischenräume festgesetzt
werden, um eine Lichtquelle und eine Anzeigeskala gemeinsam zu benutzen. In
dem Falle, daß die codierten Gitter benutzt werden, machen solche gleichen
Zwischenräume es unmöglich, gute Lichtempfangssignale zu erhalten, da der
Unterschied zwischen den Gitterabständen an den unterschiedlichen Spuren zu
groß ist.
Mit der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen
Probleme der bekannten Verfahren gelöst werden, und es ist ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, einen neuen Verschiebungs-Detektor anzugeben, der
imstande ist, in einer absoluten Stellung eine relative Verschiebung aus
einer kleinen Anzahl analoger Signale zu ermitteln, die Streuung der Meßwer
te selbst beim Auftreten von Anzeigefehlern herabzusetzen und gute Anzeige
signale abzugeben, sogar wenn die Zwischenräume in den Gittern an den unter
schiedlichen Spuren zueinander gleich sind.
Zu diesem Zweck liefert die Erfindung einen Verschiebungs-Detektor,
der ein erstes Glied, das mit wenigstens drei periodischen, mindestens
drei Spuren bildenden Gittern von gleichem Gitterabstand versehen ist, wobei
sich der Abstand von Spur zu Spur etwas ändert, ein zweites Glied, bei dem
periodische Gitter mit Abständen, die den Gittern an den jeweiligen Spuren
des ersten Gliedes entsprechen, an jeweiligen Spuren ausgebildet sind,
Hilfsmittel zum Nachweis eines Primärsignals, das hinsichtlich jeder Spur
durch eine Wechselwirkung zwischen den Gittern an den einander entsprechen
den Spuren gebildet wird, und Hilfsmittel für eine Gewinnung von Sekundär
signalen in der Weise aufweist, daß zwischen den Primärsignalen die Phasen
differenzen errechnet werden, wobei die relative Verschiebung zwischen dem
ersten und zweiten Glied in einer absoluten Stellung auf der Grundlage zum
mindesten von Phasendifferenzen zwischen den Sekundärsignalen angezeigt
wird.
Anstatt Spuren einer auf einer absoluten Position beruhenden
Art Verschiebungs-Detektor durch deren Codierung in bekannter Weise zu be
nutzen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Abstände der Gitter an
den jeweiligen Spuren auf annähernd gleiche Werte eingestellt, um aus einer
kleinen Anzahl analoger Signale durch eine Feineinstellung eine absolute
Position zu ermitteln, und zur Vervielfältigung der Feineinstellung wird die
Anzahl der Spuren mit Drei oder mehr festgesetzt, wodurch eine absolute
Positionsmessung in einem weiten Meßbereich ermöglicht wird.
Das Nachweisprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung sei unten
an einem Beispiel eines Systems mit vier Spuren erläutert.
Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, sei hier angenommen, daß perio
dische Gitter 22, 24, 26 und 28 mit vier gleichen Gitterabständen P, P₁, P₂
bzw. P₃, deren Phasen an einem Bezugspunkt x=0 miteinander übereinstimmen,
zur Bildung von vier Spuren 12, 14, 16 und 18 auf der Fläche einer an dem
ersten Glied vorhandenen Hauptskala 10 vorgesehen sind, während sich der
Abstand von Spur zu Spur (um z. B. einen konstanten Wert Δ P) ändert, und daß,
wie in der Fig. 3 gezeigt ist, periodische Gitter 42, 44, 46 und 48 mit
dem Gitterabstand P, P₁, P₂ bzw. P₃, die den Gittern 22, 24, 26 und 28 an
der Spur 12, 14, 16 bzw. 18 entsprechen, und deren Phasen an einem Bezugs
punkt miteinander zusammenfallen, an Spuren 32, 34, 36 bzw. 38 auf der
Fläche einer Einstellskala 30 ausgebildet sind, die als zweites Glied vor
liegt. Wenn die erste Spur 12 bzw. 32 und die zweite Spur 14 bzw. 44 einen
Nonius bilden, muß eine Forderung erfüllt werden, die, wie aus der Fig. 4
hervorgeht, durch eine Gleichung (1) wiedergegeben wird:
L₁ = (N + 1) P = N (P + Δ P) (1),
in der L₁ die von der ersten Spur 12 bzw. 32 und der zweiten Spur 14 bzw. 34
festgelegte Noniuslänge und N eine in gleicher Weise teilende, (natürli
che) Zahl ist.
Wenn die zweite Spur 14 bzw. 34 und die dritte Spur 16 bzw. 36
einen Nonius bilden, muß in ähnlicher Weise, wie aus der Fig. 4 einleuch
tet, eine Forderung erfüllt werden, die durch eine Gleichung (2) angegeben
ist:
L₂ = (N + 2)(P + Δ P)
= (N + 1)(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) (2),
= (N + 1)(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) (2),
in der L₂ die von der zweiten Spur 14 bzw. 34 und der dritten Spur 16 bzw.
36 festgelegte Noniuslänge ist.
Wenn die dritte Spur 16 bzw. 36 und die vierte Spur 18 bzw. 38
einen Nonius bilden, muß in ähnlicher Weise eine Forderung erfüllt werden,
die, wie aus der Fig. 4 hervorgeht, durch eine Gleichung (3), wie folgt,
wiedergegeben wird:
L₃ = (N + 3)(P + 2Δ P)
= (N + 2)(P + 3Δ P)
= L₂ + 2(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) + 2(P + 2Δ P) (3),
= (N + 2)(P + 3Δ P)
= L₂ + 2(P + 2Δ P)
= L₁ + 2(P + Δ P) + 2(P + 2Δ P) (3),
in der L₃ eine von der dritten Spur 16 bzw. 36 und der vierten Spur 18 bzw.
38 festgelegte Noniuslänge ist.
Dann wird aus der Gleichung (1) die folgende Gleichung (4) ge
bildet:
Δ P = P/N (4).
Die Parameter P₁, P₂ und P₃ werden von folgenden Gleichungen
(5), (6) und (7) definiert:
P₁ = P + Δ P = [(N + 1)/N]P (5),
P₂ = P + 2Δ P = [(N + 2)/N]P (6),
P₃ = P + 3Δ P = [(N + 3)/N]P (7).
P₂ = P + 2Δ P = [(N + 2)/N]P (6),
P₃ = P + 3Δ P = [(N + 3)/N]P (7).
Im Ergebnis werden die Gleichungen (1), (2) und (3), wie folgt,
ausgedrückt:
L₁ = (N + 1)P = NP₁ (1′),
L₂ = (N + 2)P = (N + 1)P₂
= L₁ + 2 P₁ (2′),
L₃ = (N + 3)P₂ = (N + 2)P₃
= L₂ + 2 P₂ = L₁ + 2 P₁ + 2 P₂ (3′).
L₂ = (N + 2)P = (N + 1)P₂
= L₁ + 2 P₁ (2′),
L₃ = (N + 3)P₂ = (N + 2)P₃
= L₂ + 2 P₂ = L₁ + 2 P₁ + 2 P₂ (3′).
Daher werden vier Phasen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ von Primärsignalen,
die durch die Gitter in den vier Spuren relativ zum Bezugspunkt gewonnen
werden, durch die folgenden Gleichungen (8), (9), (10) und (11) angegeben,
falls eine Verschiebung gegenüber dem Bezugspunkt (Ursprung) x ist, (siehe
Fig. 4):
⌀₀ = 2π (x/P) (8),
⌀∩ = 2π (x/P₁) (9),
⌀⊃ = 2π (x/P₂) (10),
⌀∍ = 2π (x/P₃) (11).
⌀∩ = 2π (x/P₁) (9),
⌀⊃ = 2π (x/P₂) (10),
⌀∍ = 2π (x/P₃) (11).
Als nächstes werden unter Verwendung der vier Phasen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂
und ⌀₃ Sekundärsignale Φ₀, Φ₁, Φ₂ und Φ₃ als Phasendifferenz zwischen den
Primärsignalen ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ erhalten, wie die folgenden Gleichungen
(12), (13) und (14) zeigen (siehe Fig. 5):
Φ₁ = ⌀₀ - ⌀₁ = 2π x(1/P - 1/P₁)
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P)
= 2π x(1/NP₁) = 2π (x/L₁) (12),
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P)
= 2π x(1/NP₁) = 2π (x/L₁) (12),
Φ₂ = ⌀₁ - ⌀₂ = 2π x(1/P₁ - 1/P₂)
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 2)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P₂)
= 2π (x/L₂) (13),
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 2)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 1)] · (1/P₂)
= 2π (x/L₂) (13),
Φ₃ = ⌀₂ - ⌀₃ = 2π x(1/P₂ - 1/P₃)
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 3)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 2)] · (1/P₃)
= 2π (x/L₃) (14).
= 2π x <N/[(N + 1)(N + 3)]< x(1/P)
= 2π x [1/(N + 2)] · (1/P₃)
= 2π (x/L₃) (14).
Unter Verwendung der Sekundärsignale Φ₁, Φ₂ und Φ₃ werden Ter
tiärsignale μ₁ und μ₂ als Phasendifferenzen zwischen den Sekundärsignalen
Φ₁, Φ₂ und Φ₃ erhalten, wie durch die folgenden Gleichungen (15) und (16)
wiedergegeben wird (siehe Fig. 6):
μ₁ = Φ₁ - Φ₂ = 2π x(1/L₁ - 1/L₂)
= 2π x [2P₁/(L₁ · L₂)]
= 2π x <[2(N + 1)P ]/(NL₁ · L₂)< (15),
= 2π x [2P₁/(L₁ · L₂)]
= 2π x <[2(N + 1)P ]/(NL₁ · L₂)< (15),
μ₂ = Φ₂ - Φ₃ = 2π x(1/L₂ - 1/L₃)
= 2π x [2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(N + 2)P ]/(NL₂ · L₃)< (16).
= 2π x [2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(N + 2)P ]/(NL₂ · L₃)< (16).
Unter Verwendung der Tertiärsignale μ₁ und μ₂ wird als Phasen
differenz zwischen den Tertiärsignalen μ₁ und μ₂ ein Quartärsignal ψ erhal
ten, das durch die folgende Gleichung (17) wiedergegeben wird (siehe
Fig. 6):
ψ = μ₁ - μ₂
= 2f x [2P₁/(L₁ · L₂) - 2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x · 2[P₁/(L₁ · L₂) - P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(P₁ · L₃ - P₂ · L₁]/(L₁ · L₂ · L₃)< (17)
= 2f x [2P₁/(L₁ · L₂) - 2P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x · 2[P₁/(L₁ · L₂) - P₂/(L₂ · L₃)]
= 2π x <[2(P₁ · L₃ - P₂ · L₁]/(L₁ · L₂ · L₃)< (17)
Wenn folgende Gleichungen (18) und (19) gebildet werden:
L₁₁ = (N + 2)/2 · L₁ = (N/2)L₂ (18),
L₁₂ = (N + 3)/2 · L₂ = (N + 1)/2 · L₃ (19),
L₁₂ = (N + 3)/2 · L₂ = (N + 1)/2 · L₃ (19),
wird eine Bedingung, wenn das Quartärsignal ψ den Wert 2π annimmt, nämlich
ein maximaler Bereich L max einer absoluten Positions-Anzeige durch die fol
gende Gleichung (20) angegeben:
x(L max) = L₁ · L₂ · L₃/[2(P₁ · L₃ - P₂ · L₁)]
= [N(N + 1) L₃]/6
= (N/3) · L₁₂ = (N + 3)/3 · L₁₁
= (N + 2) (N + 3)/6 · L₁
= (N + 1)) (N + 2) (N + 3)/6 · P (20).
= [N(N + 1) L₃]/6
= (N/3) · L₁₂ = (N + 3)/3 · L₁₁
= (N + 2) (N + 3)/6 · L₁
= (N + 1)) (N + 2) (N + 3)/6 · P (20).
Daher wird eine absolute Position x Q eines zu erreichenden
Punktes, z. B. eines Punktes Q aus dem Wert des Quartärsignals c innerhalb
seines Bereiches von 0 bis 2π, das heißt, eines Bereiches der Verschiebung
x von 0 bis L max = (N + 3)/3 × L₁₁ mit Hilfe der folgenden Gleichung (21)
erhalten, wie in der Fig. 1 gezeigt ist.
x Q = L₁₁ + (N- 2)/2 x L₁ + (N- 2) · P + (⌀₀/2π) · P
= [(N + 1) (N + 2)]/2 · P + [(N - 2) (N + 1)]/2 · P
+ (N - 2) · P + (⌀₀/2π) · P (21).
= [(N + 1) (N + 2)]/2 · P + [(N - 2) (N + 1)]/2 · P
+ (N - 2) · P + (⌀₀/2π) · P (21).
Wenn der Gitterabstand P in der (ersten) Bezugsspur 12 bzw. 32
z. B. 60 µm und die in gleicher Weise teilende Zahl 60 betragen, dann werden
mit Hilfe der Gleichungen (5), (6) und (7) die Gitterabstände P₁ = 61 µm,
P₂ = 62 µm und P₃ = 63 µm erzielt. So ergibt sich aus der Gleichung (1)
die Noniuslänge L₁ = 3660 µm bzw. aus der Gleichung (18) die Noniuslänge
L₁₁ = 113460 µm. Die Länge des maximalen Meßbereiches L max wird in diesem
Fall nach der Gleichung (20) errechnet, und es wird L max = 2382,66 mm erhal
ten; auf diese Weise hat eine auf eine absolute Position beruhende Art eines
linearen Verschiebungs-Detektors eine Meßlänge von gleich oder mehr als 2 m.
In diesem Fall wird die Lage des willkürlichen Punktes x Q, wenn ⌀₀ = π ist,
aus der Gleichung (21), wie folgt, bestimmt:
x Q = L₁₁ + [(N - 2)/2] · L₁ + (N - 2)P + (⌀₀/2f) P
= 223080 + (⌀₀/2π) × 60
= 223.110 µm.
= 223080 + (⌀₀/2π) × 60
= 223.110 µm.
Wenn der Gitterabstand P an der (ersten) Bezugsspur 12 bzw. 32
42 µm beträgt und die in gleicher Weise teilende Zahl N = 42 ist, dann sind
die Gitterabstände P₁ = 43 µm, P₂ = 44 µm und P₃ = 45 µm. Somit wird aus der
Gleichung (1) die Noniuslänge L₁ = 1806 µm und aus der Gleichung (18) wird
die Noniuslänge L₁₁ = 39732 µm erhalten. Die Länge des maximalen Meßberei
ches von L max = 595,98 mm wird mit Hilfe der Gleichung (20) errechnet, womit
eine auf einer absoluten Position beruhende Art eines linearen Verschie
bungs-Detektors mit einer Länge des Meßbereiches von annähernd 600 mm erhal
ten wird. Da der Gitterabstand vermindert ist, wird im Vergleich mit dem
bekannten Fall die Meßgenauigkeit verbessert. Wenn ⌀₀ = π ist, wird aus der
Gleichung (21) die Lage des willkürlichen Punktes x Q, wie folgt, bestimmt:
x Q = 77.532 + (⌀₀/2π) × 42
= 77553 µm.
= 77553 µm.
Die Gleichungen (1), (2) und (3) beruhen auf einem einzigen
angewendeten Prinzip, wenn die Gitterabstandsänderung Δ P konstant ist. Wenn
jedoch unterschiedliche Gitterabstands-Änderungswerte Δ P, αΔ P und βΔ P in
einem verallgemeinerten Fall eingesetzt werden, ist es ausreichend, den
folgenden Gleichungen (22), (23) und (24) nachzukommen, die kompliziertere
Berechnungen erfordern können:
L₁ = (N + 1)P = N(P + Δ P) (22),
L₂ = (N + 2) (P + Δ P) = (N + 1)(P + αΔ P) (23),
L₃ = (N + 3)(P + αΔ P) = (N + 2)(P + bΔ P) (24).
L₂ = (N + 2) (P + Δ P) = (N + 1)(P + αΔ P) (23),
L₃ = (N + 3)(P + αΔ P) = (N + 2)(P + bΔ P) (24).
Die Anzahl der Spuren ist ebenfalls nicht auf 4 beschränkt, sie kann 3, 5
und mehr sein. Falls z. B. die Spurenzahl mit 3 festgesetzt ist, kann die
absolute Position dem Tertiärsignal μ₁ entnommen werden, das die Phasendif
ferenz zwischen den Sekundärsignalen Φ₁ und Φ₂ ist.
Gemäß der vorliegenden, oben erläuterten Erfindung kann eine
absolute Position auf der Grundlage analoger Signale abgefühlt werden, ohne
daß wie im Fall der codierenden Detektorart beim Auftreten eines Anzeige
fehlers ein beträchtlicher Meßfehler eingeht. Die vorliegende Erfindung
macht es möglich, Zwischenräume in den Gittern auf mehreren Spuren auszu
gleichen, damit die Konstruktion insbesondere in dem Fall eines optischen
Verschiebungs-Detektors durch eine gemeinsame Anwendung einer Lichtquelle
und einer Anzeigeskala vereinfacht werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist für optische Verschiebungs-Detektoren
deswegen geeignet, weil sie Zwischenräume in den Gittern auf den
jeweiligen Spuren auszugleichen imstande ist. Das Anzeigeverfahren ist je
doch nicht auf die optische Art Verschiebungs-Detektoren begrenzt, und die
vorliegende Erfindung ist auf andere lineare oder Drehcodierer, z. B. solche
mit einer magnetischen bzw. elektromagnetischen Induktionsbauweise oder
mit einer kapazitiven Bauart usw. anwendbar.
Das genaue Wesen dieser Erfindung sowie ihre Ziele und Vorteile
gehen ohne weiteres aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung hervor,
die sich auf die Zeichnungen bezieht, in denen gleiche Bezugs
zeichen dieselben oder ähnliche Teile in allen Figuren bezeichnen:
Fig. 1 ist eine Auftragung, die das Meßprinzip zeigt, das von
einem Verschiebungs-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt
wird;
Fig. 2 ist ein Grundriß der Fläche einer Hauptskala, die bei
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 ist ein Grundriß der Fläche einer Strichskala bei dieser
Ausführungsform;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Beispiele von Primärsignalen die
ser Ausführungsform zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das Beispiele für Sekundärsignale bei
dieser Ausführungsform angibt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das Beispiele für Tertiär- und Quartär
signale bei dieser Ausführungsform aufzweigt;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die die gesamte Konstruk
tion eines Verschiebungs-Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
darstellt;
Fig. 8 ist ein Grundriß für ein Beispiel, bei der obigen Aus
führungsform Gitter der Anzeigeskala anzuordnen;
Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer in der
Ausführungsform benutzten, eine absolute Verschiebung abfühlenden Schaltung;
Fig. 10 ist ein Flußbild, das die Arbeitsweise der Ausführungs
form anschaulich macht;
Fig. 11 ist ein Flußbild, das eine Methode zum Errechnen einer
absoluten Position mit Hilfe eines zentralen Prozessors angibt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sei anschlie
ßend ein linearer, optischer, auf Transmissionen beruhender Verschiebungs-
Detektor ausführlich beschrieben, der eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
Wie in der Fig. 7 veranschaulicht ist, ist diese Ausführungsform
mit einer z. B. von einer lichtemittierenden Diode 50 gebildeten Licht
quelle und mit einer Kollimatorlinse 52 versehen, die der Beleuchtung die
nendes Licht, das von einem als Lichtquelle wirksamen Abschnitt 50 A der
Diode 50 radial durch ein Glasfenster 50 B emittiert wird, in paral
lele Strahlen umlenkt.
Die von der Kollimatorlinse 52 umgelenkten, parallelen Strahlen
fallen auf die Einstellskala 30 mit Teilstrichen, z. B. auf diejenige, die
in der Fig. 3 dargestellt ist. Wie in der Fig. 8 Einzelheiten bezüglich
der Anordnung von Fenstern der Einstellskala 30 zeigen, weist die Einstell
skala 30 paarweise in ihrer Bewegungsrichtung in einem Abstand d₁, d₂, d₃
bzw. d₄ voneinander angebrachte Gitter 42 A, 42 B; 44 A, 44 B; 46 A, 46 B; 48 A,
48 B auf. Die Abstände d₁ bis d₄ sind derart festgesetzt, daß zwischen jedem
Gitterpaar eine Phasendifferenz von 90° entsteht, wie beispielsweise durch
die folgenden Gleichungen (25), (26), (27) und (28) wiedergegeben wird, in
denen m₁, m₂, m₃ und m₄ ganze Zahlen bedeuten:
d₁ = m₁P + (1/4)P (25),
d₂ = m₂P₁ + (1/4)P₁ (26),
d₃ = m₃P₂ + (1/4)P₂ (27),
d₄ = m₄P₃ + (1/4)P₃ (28).
d₂ = m₂P₁ + (1/4)P₁ (26),
d₃ = m₃P₂ + (1/4)P₂ (27),
d₄ = m₄P₃ + (1/4)P₃ (28).
Bei dieser Ausführungsform sind die Gitterpaare der Einstell
skala 30 mit einer zwischen ihnen vorgegebenen Phasendifferenz von 90° ver
sehen, damit bei einer Relativbewegung der Hauptskala 10 und der Einstell
skala 30 aus den vier Spuren mit einer Phasendifferenz von 90° acht Signale
erhalten werden, um innerhalb des Bereiches von 0° bis 90° eine Division mit
einer Interpolation auszuführen oder innerhalb des Interpolationsbereiches
eine wahlweise Unterscheidung zu treffen.
Das der Beleuchtung dienende Licht, das durch die Einstellskala
30 hindurchgefallen ist, fällt auf die Hauptskala 10 mit den Teilstrichen,
wie z. B diejenigen in der Fig. 2. Wie oben beschrieben, sind auf der
Hauptskala 10 die vier Spuren 12, 14, 16 und 18 ausgebildet.
Das der Beleuchtung dienende Licht, das durch die Hauptskala 10
hindurchgefallen ist, wird, z. B. auf vier Paare (nämlich insgesamt acht)
Lichtempfangselemente 60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B gelenkt, die
jeweils entsprechend den Gitterpaaren 42 A, 42 B; 44 A, 44 B; 46 A, 46 B; 48 A,
48 B der Einstellskala 30 den Spuren angepaßt sind. Daher werden zwei Sinus
wellen, deren Phasen sich um 90° voneinander unterscheiden, aus jeder Spur
erhalten, wenn sich die Einstellskala 30 und die Hauptskala 10 relativ zu
einander bewegen.
Wie in der Fig. 9 gezeigt ist, sind die von den Lichtempfangs
elementen 60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B abgegebenen Signale über
je einen Vorverstärker 70 A, 70 B; 72 A, 72 B; 74 A, 74 B; 76 A, 76 B geleitete
Eingangssignale einer eine absolute Verschiebung anzeigenden Schaltung 80.
Diese Schaltung 80 wird von einem Prüf- und Haltekreis 82, einem Multiplexer
84, einem Analog/Digital-Umsetzer 86, einem zentralen Prozessor 88 und zu
sammengefaßten Steuer-/Datenleitungen 90 gebildet. In den Prozessor 88
werden Konstanten einschließlich des oben erwähnten Gitterabstandes P und
der in gleicher Weise teilenden Zahl N eingesetzt.
Ferner sind ein Berührungssensor 92 zur Anzeige der Meßzeiten
und zur Ausgabe eines Signals außerhalb der eine absolute Verschiebung an
zeigenden Schaltung 80 und ein visueller Relativbewegungs-Anzeiger 94 zur
direkten Sichtbarmachung eines vom zentralen Prozessor 88 erzielten Rechen
ergebnisses, nämlich eines auf einer absoluten Position beruhenden Meßwertes
oder ein Steuergerät 94 vorgesehen, um das Maß der Einführung eines Werkzeu
ges in Abhängigkeit von diesem Meßwert zu beeinflussen.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform sei unten unter Bezug
nahme auf die Fig. 10 hinsichtlich eines Falles beschrieben, bei dem die
Hauptskala 10 und die Einstellskala 30 an einer Werkzeugmaschine oder dgl.
angebracht sind und relativ zueinander bewegt werden.
Wenn in einem Arbeitsschritt 100 ein Auslösesignal vom Berüh
rungssensor 92 herangeführt wird, um einen Anfangspunkt der Messung festzu
legen, gibt der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 102 an den
Prüf- und Haltekreis 92 einen Haltebefehl über die zusammengefaßten Steuer-/
Datenleitungen 90 aus. In einem Arbeitsschritt 104 hält der Prüf- und Halte
kreis 82 Lichtempfangssignale, nämlich analoge elektrische Signale fest,
die von den Ausgangsklemmen der Vorverstärker 70 A, 70 B; 72 A, 72 B; 74 A, 74 B;
76 A, 76 B zugeleitet werden. Unter dem Befehl des zentralen Prozessors 88
nimmt in einem Arbeitsschritt 106 der Multiplexer 84 die Lichtempfangssigna
le an, die in einem Arbeitsschritt 108 von dem Analog/Digital-Umsetzer 86
in digitale Signale umgewandelt und anschließend in den zentralen Prozessor
88 eingegeben werden. Unter Benutzung der oben erwähnten Gleichungen (8) bis
(17) errechnet der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 110 die
Primärsignale (also die Phasen) ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃, die Sekundärsignale Φ₁,
Φ₂ und Φ₃, die Tertiärsignale μ₁ und μ₂ und das Quartärsignal ψ sowie die
Phase (⌀₀/2π) × P in dem ersten Gitter 22, womit die absolute Position des
Anfangspunktes der Messung ausgelesen wird.
In einem Arbeitsschritt 112 werden die Hauptskala 10 und/oder
die Einstellskala 30 zu einem Endpunkt der Messung, nämlich zu einem Ziel
punkt verschoben. Danach wird in Arbeitsschritten 200 bis 210 eine Bearbei
tung fortgeführt, die der durch die Arbeitsschritte 100 bis 110 festgelegten
Bearbeitung ähnlich ist, womit die absolute Position des Endpunktes der Mes
sung ausgelesen wird.
Schließlich wird in einem Arbeitsschritt 212 z. B. die Differenz
zwischen dem Anfangs- und Endpunkt der Messung, nämlich die Strecke der
Relativbewegung als Meßwert erhalten.
In dem Arbeitsschritt 110 oder 210 erfolgt eine Bearbeitung
in einem Arbeitsgang, der z. B. in der Fig. 11 veranschaulicht ist.
Das heißt, wenn in einem Arbeitsschritt 300 aus dem Analog/Digi
tal-Umsetzer 86 die Lichtempfangssignale in digitaler Form, wie folgt, her
angeführt werden:
sin(2π x/P) (=sin ⌀₀),
sin(2π x/P - π/2) [= sin(⌀₀ - 90°)],
sin(2π x/P₁) (= sin ⌀₁),
sin(2π x/P₁ - π/2) [= sin(⌀₁ - 90°)],
sin(2π x/P₂) (= sin ⌀₂),
sin(2π x/P₂ - π/2) [= sin(⌀₂ - 90°)],
sin(2π x/P₃) (= sin ⌀₃),
sin(2π x/P₃ - π/2) [= sin(⌀₃ - 90°)].
sin(2π x/P - π/2) [= sin(⌀₀ - 90°)],
sin(2π x/P₁) (= sin ⌀₁),
sin(2π x/P₁ - π/2) [= sin(⌀₁ - 90°)],
sin(2π x/P₂) (= sin ⌀₂),
sin(2π x/P₂ - π/2) [= sin(⌀₂ - 90°)],
sin(2π x/P₃) (= sin ⌀₃),
sin(2π x/P₃ - π/2) [= sin(⌀₃ - 90°)].
zieht der zentrale Prozessor 88 in einem Arbeitsschritt 302 die Phasenkompo
nenten ⌀₀, ⌀₁, ⌀₂ und ⌀₃ heraus.
In den Schritten 304 bis 308 werden die oben erwähnten Gleichun
gen (12) bis (17) errechnet, um nacheinander die sechs folgenden Funktions
werte zu erhalten, die den Phasendifferenzen entsprechen:
Φ₁ (= ⌀₀ - ⌀₁),
Φ₂ (= ⌀₁ - ⌀₂),
Φ₃ (= ⌀₂ - ⌀₃),
μ₁ (= Φ₁ - Φ₂),
μ₂ (= Φ₂ - Φ₃),
ψ (= μ₁ - μ₂).
Φ₂ (= ⌀₁ - ⌀₂),
Φ₃ (= ⌀₂ - ⌀₃),
μ₁ (= Φ₁ - Φ₂),
μ₂ (= Φ₂ - Φ₃),
ψ (= μ₁ - μ₂).
In einem Arbeitsschritt 310 und den nachfolgenden Arbeitsschrit
ten werden unter Benutzung der oben erwähnten Gleichung (21) Berechnungen
ausgeführt. Das heißt, im Arbeitsschritt 310 wird zuerst der Wert a der fol
genden Gleichung (29), also die Nummer eines Zyklus unter den Zyklen des nie
derrangigen Tertiärsignals μ₁ mit der Periode L₁₁ erhalten, bei der der Wert
des höchstrangigen Quartärsignals ψ liegt:
2π[3/(N + 3)] a ≦ ψ < 2π[3/(N + 3)] (a + 1) (29).
Die folgende Berechnung wird unter Benutzung des so erhaltenen
Wertes a durchgeführt, es wird ein Wert mit Hilfe einer Gleichung (30) er
rechnet, der dem ersten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Glei
chung (21) entspricht:
aL₁₁ = a [ (N + 1) (N + 2)/2]P (30).
Die Werte der Konstanten P und N wurden zuvor in den zentralen
Prozessor 88 eingesetzt.
Die Bearbeitung geht dann zu einem Arbeitsschritt 312 weiter,
dabei wird der Wert b in der folgenden Gleichung (31), nämlich die Nummer
eines Zyklus unter den Zyklen des niederrangigen Sekundärsignals Φ₁ mit der
Periode (Noniuslänge) von L₁ erhalten, bei der der Wert des höherrangigen
Tertiärsignals μ₁ liegt:
2π[2/(N + 2)] b ≦ m₁ < 2π[2/(N + 2)] (b + 1) (31).
Die folgende Berechnung wird unter Benutzung des so erhaltenen
Wertes b ausgeführt, und es wird ein Wert erhalten, der dem zweiten Term
auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21) entspricht:
bL₁ = b(N + 1)P (32).
Die Bearbeitung geht dann zu einem Arbeitsschritt 314 weiter;
dabei wird der Wert c durch die folgende Gleichung (33), nämlich die Nummer
eines Zyklus unter den Zyklen des niederrangigsten Primärsignals ⌀₀ der Pe
riode (Gitterabstand) P erhalten, bei der der Wert des höherrangigen Sekun
därsignals Φ₁ liegt:
2π[1/(N + 1)]c ≦ Φ₁ < 2π[1/(N + 1)] (c + 1) (33).
Unter Verwendung des so erhaltenen Wertes c wird ein Wert, der
dem dritten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21)
entspricht, nämlich der Wert cP berechnet.
Dann geht die Bearbeitung zu einem Arbeitsschritt 316 weiter,
und es wird aus dem Wert des Primärsignals ⌀₀ ein Wert berechnet, der dem
vierten Term auf der rechten Seite der oben erwähnten Gleichung (21), näm
lich ⌀₀/2π P entspricht.
Die Bearbeitung läuft dann zu einem Arbeitsschritt 318 weiter, und die ab
solute Position wird mit Hilfe der folgenden Gleichung (34) berechnet:
x = aL₁₁ + bL₁ + cP+ (⌀₀/2f )P (34).
Der Grund für die Anwendung der doppeltphasigen Sinussignale
mit einer Phasendifferenz von 90° hinsichtlich jeder Spur liegt bei dieser
Ausführungsform darin, daß insbesondere eine mit einer Interpolation einher
gehende Division innerhalb eines Bereiches des minimalen Gitterabstands-
Bezugssignals ⌀₀ von 0° bis 90° und/oder eine wahlweise Unterscheidung inner
halb dieses Interpolationsbereiches ausgeführt werden, um die Auflösung
weiter zu verbessern. Da die Division mit der Interpolation und/oder die
wahlweise Unterscheidung in einer Position des minimalen Gitterabstandes
besonders notwendig sind, ist es möglich, hinsichtlich der zweiten bis vier
ten Spuren Einphasensignale zu benutzen. Falls die Notwendigkeit für eine
Division mit Interpolation und/oder die wahlweise Unterscheidung hinsichtlich
der ersten Spur entfällt, können bezüglich aller Spuren nur Einphasen
signale vorgesehen werden.
Eine Funktion, mit Hilfe der absoluten Position aus dem Ursprung
die gegenwärtige Position zu berechnen und die damit berechnete Position,
ohne die absolute Position des Anfangspunktes der Messung zu speichern,
visuell wiederzugeben, und/oder eine Funktion, so positive und negative
Richtung zu vertauschen, kann, wenn gewünscht, in Abhängigkeit von einem von
außen herangeführten, äußeren Signal durch den zentralen Prozessor 88
festgesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsform werden die Lichtempfangssignale, die
sich auf den Anfangs- und Endpunkt der Messung beziehen, geprüft und unter
Benutzung der vom Berührungssensor 92 abgegebenen Signale festgehalten,
damit die Messung schnell und leicht durchgeführt werden kann. Es ist aber
auch möglich, den Berührungssensor 92 zu entfernen.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform ist die vorliegende
Erfindung auf einen linearen, optischen Verschiebungs-Detektor mit Licht
durchgang angewendet. Die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind jedoch
nicht auf diese Art Verschiebungs-Detektor beschränkt, sondern die vorlie
gende Erfindung kann auch auf einen mit Lichtreflexionen arbeitenden Ver
schiebungs-Detektor oder einen Drehcodierer angewendet werden. Auch ist das
Anzeigeverfahren nicht auf ein optisches begrenzt, und es leuchtet ein, daß
die vorliegende Erfindung auf einen magnetischen Codierer, der eine magne
tische Skala verwendet, einen mit elektromagnetischer Induktion arbeitenden
Codierer, einen kapazitiv betriebenen Codierer usw. angewendet werden kann.
Claims (8)
1. Vorrichtung zum Nachweis von Verschiebungen in Form eines Ver
schiebungs-Detektors, enthaltend:
- a) ein erstes Glied (10), das mit mindestens drei periodischen Git tern (22, 24, 26, 28) von gleichem Gitterabstand versehen ist, die mindestens drei Spuren (12, 14, 16, 18) bilden, deren Abstand (P, P₁, P₂, P₃) sich et was von Spur zu Spur ändert,
- b) ein zweites Glied (30), in dem periodische Gitter (42, 44, 46, 48) mit Abständen (P, P₁, P₂, P₃), die den Gittern in den jeweiligen Spuren des ersten Gliedes entsprechen, in jeweiligen Spuren (32, 34, 36, 38) aus gebildet sind,
- c) Hilfsmittel zur Anzeige (60 A, 60 B; 62 A, 62 B; 64 A, 64 B; 66 A, 66 B) hinsichtlich jeder Spur, wobei ein Primärsignal durch eine Wechselwirkung zwischen den Gittern an den einander entsprechenden Spuren gebildet wird, und
- d) Hilfsmittel (80) zur Gewinnung von Sekundärsignalen (Φ₁, Φ₂, Φ₃) durch Errechnen von Phasendifferenzen zwischen den Primärsignalen (⌀₁, ⌀₂, ⌀₃, ⌀₄), wobei die relatie Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Glied in einer absoluten Position auf der Grundlage von mindestens Phasen differenzen zwischen den Sekundärsignalen angezeigt wird.
2. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
die jeweiligen Gitter von unterschiedlichen Spuren Abstände aufweisen, die
sich voneinander durch einen konstanten Wert (Δ P) unterscheiden.
3. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 2 angegeben, bei dem
die Gitter vier Spuren bilden und die Gitterabstände (P₁ bis P₃) der zwei
ten bis vierten Spur jeweils, wie folgt, eingestellt sind:
P₁ = [(N + 1)/N ]P,
P₂ = [(N + 2)/N ]P,
P₃ = [(N + 3)/N ]P,wobei P der Gitterabstand der ersten als Bezugsspur dienenden Spur und N eine in gleicher Weise teilende Zahl (natürliche Zahl) sind.
P₂ = [(N + 2)/N ]P,
P₃ = [(N + 3)/N ]P,wobei P der Gitterabstand der ersten als Bezugsspur dienenden Spur und N eine in gleicher Weise teilende Zahl (natürliche Zahl) sind.
4. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
die jeweiligen Gitter von unterschiedlichen Spuren Abstände aufweisen, die
sich voneinander durch einen unterschiedlichen Wert (Δ P, αΔ P, βΔ P) unter
scheiden.
5. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
die Phasen der Gitter an einem Bezugspunkt (x = 0) miteinander zusammen
fallen.
6. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
die Gitter wenigstens in einer Spur (32) bei minimalem Abstand (P) des zwei
ten Gliedes (30) ein Gitterpaar (42 A, 42 B) enthalten, bei dem zwischen den
beiden Gittern eine Phasendifferenz von 90°C gegeben ist.
7. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
Primärsignale geprüft und unter Benutzung von Signalen aus einem Berührungs
sensor (91) festgehalten werden, der sie an einem Anfangs- und Endpunkt der
Messung abgibt.
8. Verschiebungs-Detektor, wie im Anspruch 1 angegeben, bei dem
die Gitter optische Gitter sind.
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