DE1093099B - Verfahren und Anordnung zur Messung von Strecken und Winkeln - Google Patents

Description

• Verfahren und Anordnung zur Messung von Strecken und Winkeln Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen von Strecken und Winkeln sowie Steuern der Bewegung von Maschinen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, mit Hilfe von Feinmaßstäben, bei der durch optische Mittel Hell-Dunkel-Schaltungen erzeugt werden, die die Grundlage von Impulsen zur Zählung der bei der Messung zuräckgel egten Streckenelemente bilden.
• Zur Messung von Strecken gibt es eine große Anzahl bekannter Verfahren. Die älteren Verfahren benutzen im allgemeinen die Verschiebung einer Skala gegen eine Markierung, wobei der Meßwert meist subjektiv abgelesen wird. Bei diesen Methoden sind besonders störend die Teilungsfehler der Skala, die mit Hilfe von Korrekturtafeln umständlich ausgeglichen werden müssen. Ferner können zufällige Fehler durch den persönlichen Einfluß des Beobachters, Anderungen der Skalenbeleuchtung u. a. auftreten.
• In neuerer Zeit sind Verfahren bekanntgeworden, lei denen die Messung von Strecken durch Verwendung von Gittern oder Feinmaßstäben erfolgt. Bei diesen Verfahren ist die Anordnung so gewählt, daß ein bewegliches Gitter gegen ein ortsfestes Gitter gleicher Teilung oder gegen einen festen Spalt verschoben wird. Wenn die Gitter so dicht voreinander angeordnet sind, daß sie sich fast berühren, dann wird je nach der Stellung der Teilstriche der beiden Gitter zueinander Licht durch das Gittersystem hindurchtreten können oder abgeblendet werden; man erhält bei Bewegung eine optische Hell-Dunkel-Schaltung. Dadurch wird die zu messende Strecke in kleine Streckenelemente unterteilt, deren Länge einem Strichabstand entspricht. Durch Auszählung der Anzahl der Streckenelemente, die der zurückgelegten Strecke entsprechen, kann eine Aussage über die Länge der zu messenden Strecke gemacht werden. Man ist dabei bestrebt, die Streckenelemente durch Wahl eines kleinen Abstandes der Striche bzw. Spalte (Teilungskonstante) möglichst klein zu halten.
• Ein bekanntes Verfahren verwendet z. B. feine Beugungsgitter, die nicht ganz parallel gestellt sind. Es entsteht dadurch eine Moiré-Interferenzerscheinang deren Hell-Dunkel-Streifen sich senkrecht zur Gitterbewegungsrichtung verschieben. Die Moiré-Erscheinung neigt bei diesem Verfahren zu »Sprüngen«, bedingt durch periodische Teilungsfehler und geringe Fiihrungsunregelmäß igkeiten.
• Alle Gitterverfahren wirken sich jedoch nachteilig aus. Zur Erzielung kleiner Streckenelemente ist man bestrebt, die Teilungskonstante klein zu halten, was wiederum einen geringen Abstand der Gitter voneinander erfordert. Dieser geringe Abstand führt leicht zu Beschädigungen und Verschleißerscheinungen. Will man die Beschädigungen der Gitterteilungen vermei- den, so ist man gezwungen, größere Gitterkonstanten zu wählen.
• Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung des sehr geringen Abstandes zwischen den Gittern besteht darin, daß man zwischen dem ortsfesten Gitter oder Spalt und dem beweglichen Gitter eine Optik anordnet und den Spalt bzw. die Gitterstriche auf dem beweglichen Gitter in einem großen Abstand voneinander abbildet. Eine solche Anordnung muß konstruktiv wesentlich stabiler ausgeführt werden, da die Lage der maßgebenden Elemente zueilnander sonst unsicher wird. Außerdem ist dabei eine exakte Korrektion der optischen Abbildungsfehler notwendig, was nur mit hochwertigen optischen Systemen möglich ist.
• Alle bisher bekanntgewordenen Verfahren benötigen zur Erzeugung der Lichtimpulse zusätzlich zum weglichen Gitter oder Feinmaßstab ein zweites Gitter oder einen Spalt. Bei diesen Verfahren ist das kleinste durch die Hell-Dunkel-Schalturlg unmittelbar angezeigte Streckenelement gleich der Teilungskonstante des Fei nmaß stabes.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Mängel zu seitigen und ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Strecken durch optische Hell-Dunkel-Schaltung zu schaffen, die mit nur einem Feinmaßstab arbeitet und bei der das kleinste unmittelbar angezeigte Streckenelement kleiner als die Teilungskonstante des Feinmaßstabes ist und der Feinmaßstab einmal transparent ist und durchleuchtet wird und zum anderen nicht transparent angeordnet ist und be leuchtet wird.
• Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein mit dem zu bewegenden Teil der Anordnung, beispielsweise hleßstößel oder Schlitten, fest verbundener Feinmaßstab mittels Durchlicht- oder Auflichtbeleuchtung zum leurhtenden Objekt wird. Dieses Objekt wird durch ein geeignetes Abbildungssystem in gleicher Größe wieder an irgendeiner Stelle auf dem Feinmaßstab parallaxfrei abgebildet. Bei Koinzidenz der hellen Stellen des Bildes mit den hellen Stellen des Feinmaßstabes ergibt sich ein Hellwert, bei Koinzidenz der hellen Stellen des Bildes mit den dunklen Stellen des Feinmaßstabes ergibt sich ein Dunkelwert.
• Bei Verschiebung des Feinmaßstabes bewegt sich sein Bild in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit und bewirkt demzufolge »zwei« Koinzidenzstel lungen (Hell-Dunkel-Wert) bei der Verschiebung um »eine« Teilungskonstante, das bedeutet zwei unmittelbar angezeigte Streckenelemente pro Teilungskonstante des Feinmaßstabes. Die Hell-Dunkel-Werte werden durch eine Fotozelle aufgenommen, in elektrische Impulse verwandelt und als Impulse gezählt.
• Die angegebene Lösung ist sowohl für Längs- wie auch für Kreisteilungen verwendbar.
• Obwohl die so für die Messung zur Verfügung stehenden Streckenelemente im Verhältnis zur Teilungskonstante halb so groß sind wie bei den bekannten Verfahren, ist in vielen Fällen eine noch wesentlich feinere Unterteilung erforderlich. Diese Unterteilung kann bei dem neuen Verfahren besonders einfach dadurch erreicht werden, daß im abbildenden Strahlengang ein geeignetes optisches Element, beispielsweise Prisma oder Spiegel, verschoben oder gekippt wird, biis wiederum Koinzidenz erreicht ist. Auf diese Art wird ein bei der Messung einer Strecke noch verbleibender Bruchteil eines Streckenelementes erfaßt. Die Verschiebung oder Kippung des optischen Elementes wird nach Vergrößerung beispielsweise durch eine Hebelübersetzung wiederum nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzip gemessen. Dadurch wird gegenüber den bisher bekannten Verfahren erreicht, daß bei gleicher Teilungskonstante sich die Anzeigegenauigkeit der Anordnung verdoppelt, eine Beschädigung des Feinmaßstabes durch einen engbenachbarten Vergleichsmaßstab vermieden wird, die Anforderungen an die Führungsgenauigkeit des Maßstabes in bezug auf Geradführung und Verdrehung wesentlich geringer sind und in den Strahlengängen der erfindungsgemäßen Anordnung immer ein optisches Element vorhanden ist, daß sich vorteilhaft zur Nachführung des Bildes und damit zur Ermittlung von Bruchteilen eines Streckenelementes eignet.
• Wie dies im einzelnen gedacht ist und welche Vorteile sich aus den besonderen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben, wird an Hand der Zeichnungen an verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
• Bild 1 zeigt eine Anordnung, bei der eine transparente Feinteilung durchleuchtet wird; Bild 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine nicht transparente Feinteilung durch die Lichtquelle be leuchtet wird; Bild 3 zeigt eine Anordnung zur Messung von Winkeln mittels einer Feinkreisteilung, und Bild 4 zeigt die meßbare Verschiebung oder Kippung eines optischen Eletnentes.
• Die Feinteilung 1 in Bild 1 wird bei der Messung in Richtung A bewegt. Das Licht tritt in Pfeilrichtung B durch die Teilung und fällt auf einen Hohlspiegel 2.
• Durch diesen Hohlspiegel erfolgt die Abbildung des Objektpunktes C der Teilung als Bildpunkt D in glei- ober Größe wiederum auf der Teilung 1. Bei entsprechender Stellung vom Bildpunkt D zur Teilung tritt das Licht durch den Feinmaßstab hindurch und wird durch eine Fotozelle 3 aufgefangen. An Stelle des Hohlspiegels kann auch z. B. eine Kombination von Planspiegel und Linse verwendet werden.
• Die Feinteilung 4 in Bild 2 wird bei der Messung ebenfalls in Richtung A bewegt. Die Abbildung des Objektpunktes C der Teilung durch den Hohlspiegel 2 zum Bildpunkt D auf der Teilung erfolgt in gleicher Weise wie im Beispiel 1. In diesem Fall ist jedoch die Anordnung einer lichtabdeckenden Trennwand 6 zwischen dem von der Lichtquelle 5 ausgestrahlten Objekt und dem Bild notwendig. Bei entsprechender Stellung des Bildpunktes D wird das Licht zur Fotozelle reflektiert.
• An Stelle eines Hohlspiegels können zur Abbildung der Feinteilung auf dem Maßstab beispielsweise auch Planspiegetl oder Prismen mit zwischengeschalteten Linsen verwendet werden.
• Die Teilung in Bild 3 wird bei der Messung um ihren Mittelpunkt M gedreht. Das Licht tritt in Pfeilrichtung B durch die Teilung und wird durch einen Planspiegel oder ein Prisma 8 parallel zur Teilungsebene abgelenkt. Die abbildende Optik besteht aus zwei Teil systemen 9, zwischen denen ein bildumkehrendes Glied 10 angeordnet ist. Die Abbildung des Objektpunktes C erfolgt nach abermaliger Umlenkung durch einen zweiten Planspiegel oder ein zweites Prisma 8 als Bildpunkt D wiederum auf der Teilung 7.
• Bei entsprechender Stellung vom Bildpunkt D zur Teilung tritt das Licht durch die Feinkreisteilung hindurch und wird durch die Fotozelle 3 aufgefangen.
• Um mit der Meßanordnung noch Bruchteile eines Streckenelementes messen zu können, sind für die drei angegebenen Ausführungsbeispiele Vorrichtungen vorgesehen, die die meßbare Verschiebung oder Kippung eines optischen Elementes gestatten. In Bild 4 ist beispielsweise für diesen Zweck an dem Ausführungsbeispiel nach Bild 1 ein um das Gelenk 12 drehbarer tibersetzungshebel 11 angeordnet, mit dem der Hohlspiegel 2 verschoben werden kann. Am langen Hebelarm befindet sich der Feinmaßstab 13, dessen Verschiebung auf die gleiche Art, wie im Bild 1 dargestellt, gemessen werden kann.

Claims (6)

1. PATENTANSPRUCHE: 1. Verfahren zum Messen von Strecken und Winkeln und/oder Steuern der Bewegung von Masehnen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, mit Hilfe von Feinmaßstäben, bei dem durch optische Mittel Hell-Dunkel-Schaltungen erzeugt werden, die die Grundlage von Impulsen zur Zählung der bei der Messung zurückgelegten Streckenelemente bilden, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziger Feinmaßstab für Längen oder Winkelmessungen verwendet wird, dessen Teilung durch geeignete optische Mittel, beispielsweise Hohlspiegel, in gleicher Größe parallaxfrei wiederum auf der Teilung abgebildet wird.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinmaßstab transparent ausgebildet ist und durchleuchtet wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinmaßstab nicht transparent ausgebildet ist und beleuchtet wird, wobei die hellen Stellen des Feinmaßstabes diffus leuchten.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 zur Messung von Winkeln, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abbiildungen der Teilung mit Versetzungen um mehr als den Geslichtsfeldwinkel der Optik ein bildumkehrendes optisches Element Verwendung findet.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 zur Ermittlung von Bruchteilen eines Streckenelementes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung angebracht ist, mit der ein oder mehrere Elemente der abbildenden Optik meßbar verschoben oder gekippt werden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung einer Kippung oder Verschiebung des bzw. der optischen Elemente durch beispielsweise eine zwischengeschaltete Übersetzung vergrößert und angezeigt wird.