-
Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und der Richtung der Bewegung
eines Gegenstandes relativ zu einem festen Bezugssystem Die Erfindung betrifft eine
Meßvorrichtung zum Bestimmen der Größe und der Richtung der Bewegung eines Gegenstandes
relativ zu einem festen Bezugssystem, wobei ein aufgezeichnetes, periodisch sich
wiederholendes Wellenbildmuster mit dem zu bewegenden Gegenstand oder dem festen
Bezugssystem verbunden ist, mit zwei an zwei in bezug auf das Bezugssystem oder
den Gegenstand feststehenden Positionen gegeneinander phasenverschoben angeordneten
Abtasteinrichtungen, die während der Bewegung des Gegenstandes ein elektrisches
Abbild des Wellenbildmusters erzeugen.
-
Es ist bekannt, hierzu das feststehende Bezugssystem mit einem senkrecht
zur Bewegungsrichtung verlaufende Striche aufweisenden optischen Gitter zu versehen,
das von einem mit dem bewegten Gegenstand verbundenen, gleichartigen Gitter überdeckt
ist, dessen Striche einen sehr kleinen Winkel mit den Strichen des feststehenden
Gitters bilden.
-
Das beim Bewegen des sekundären Gitters entstehende, sich etwa senkrecht
zur Meßbewegung bewegende zyklische Sekundärgitterbild abwechselnder Lichtdurchlässigkeit
und Lichtundurchlässigkeit wird von zwei Lichtbündeln durchstrahlt, die im Abstand
eines Bruchteils der halben Gitterkonstante des sekundären Gitters angeordnet sind
und die nach dem Durchdringen des sekundären Gitterbildes auf zwei Photozellen treffen,
deren Signale über getrennte Leitungen elektronischen Schaltstufen zugeführt werden,
die aus der relativen Phasenlage der beiden Signalfolgen die Richtung und aus der
Zahl der während eines Bewegungsvorganges des sekundären Gitters erzeugten Impulszyklen
die Größe der Bewegung des Gegenstandes ermitteln.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die zur Impulserzeugung dienenden
optisch dargestellten Sekundärbilder durch einen mit dem Bezugssystem oder dem zu
bewegenden Gegenstand fest verbundenen Aufzeichnungsträger zu ersetzen, auf dem
ein periodisch sich wiederholendes Wellenbildmuster in geeigneter Weise registriert
ist.
-
Es ist bereits ein Verfahren zum Messen von Strecken und zum Teilen
von Kreisen vorgeschlagen worden, bei dem zur Verkleinerung von Teilintervallen
vorgeschlagen worden ist, mehrere Teilungen phasenverschoben anzubringen. Es ist
jedoch nicht offenbart worden, auf welche Weise zur Ableitung einer Anzeigegröße
zur Bestimmung der Richtung der Bewegung die Anzeigeorgane angeordnet werden müssen
und auf welche Weise die erhaltenen Signale verarbeitet werden. Dieses Verfahren
wäre daher nur
mit Hilfe zusätzlicher, nicht bekanntgewordener Einrichtungen verwirklichbar.
-
Es ist zwar weiterhin bekanntgeworden, zum Messen der Änderung der
Winkelgeschwindigkeit zweier rotierender Wellen jede Welle mit einer magnetisierbaren
Scheibe zu versehen, auf der jeweils eine Wechselspannung aufgezeichnet ist. Beide
Scheiben werden von je einem Abtastkopf abgetastet und das Abtastergebnis von einem
Verstärker zu einer Kathodenstrahlröhre geleitet, auf deren Leuchtschirm aus der
Phasenverschiebung der beiden abgetasteten Sinuskurven die Abweichung der beiden
Winkelgeschwindigkeiten festgestellt werden kann. Dieses Verfahren eignet sich jedoch
nur zu Vergleichsmessungen, nicht zum genauen Bestimmen der absoluten Größe der
Bewegung eines Gegenstandes relativ zu einem festen Bezugssystem.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß in vorteilhafter
Weise dadurch gelöst, daß die Abtasteinrichtungen in bezug auf das Wellenbildmuster
um den Bruchteil einer halben Wellenlänge des Wellenbildmusters gegeneinander phasenverschoben
sind.
-
Die von den Abtasteinrichtungen gelieferten Signale werden elektronischen
Schaltstufen zugeführt, die aus der relativen Phasenlage der Signalfolgen die Richtung
und aus der Zahl der während eines Bewegungsvorganges
erzeugten
Perioden des Wellenbildmusters die Größe der Bewegung des Gegenstandes ermitteln.
-
Das periodisch sich wiederholende Wellenbildmuster ist auf einem
magnetischen Aufzeichnungsträger registriert, und als Abtasteinrichtungen können
zwei an den entsprechenden Positionen angeordnete magnetische Aufnahmevorrichtungen
dienen.
-
Das periodisch sich wiederholende Wellenbildmuster kann aber auch
ein mechanisches Wellenbildmuster sein, wobei die im Abstand eines Bruchteils einer
halben Wellenlänge des Wellenbildmusters angeordneten Abtastorgane Taststifte aufweisen,
deren jeweilige Abfühlstellung durch das Wellenbildmuster bestimmt wird. Die Ausgangsimpulse
werden durch elektronische Schaltmittel entsprechend der Stellung des zugehörigen
Taststiftes geliefert. Das periodisch sich wiederholende Wellenbildmuster kann aber
auch eine entsprechend geformte optische Blende (Wellenraster) sein, die von zwei
Lichtbündeln durchstrahlt wird, die im Abstand eines Bruchteils der halben Wellenlänge
des Wellenbildmusters angeordnet sind und die nach dem Durchdringen der optischen
Blende auf zwei Photozellen treffen, deren Signale elektronischen Schaltstufen zugeführt
werden, die in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Beleuchtung der Photozellen Ausgangsimpulse
erzeugen.
-
Im einzelnen zeigt F i g. 1 das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine die Wirkungsweise des in F i
g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels veranschaulichende Darstellung, Fig. 3 das
Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig.4 eine Abwandlung der Vorrichtung der Fig. 3, F i g. 5 eine schematische Darstellung
eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 6 und 7 eine.Abwandlung der Vorrichtung der Fig. 5.
-
Die Erfindung soll- an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben
werden, wie es zum Bestimmen der Größe und der Richtung einer geradlinigen Bewegung
eines ersten Gegenstandes, z. B. des Tisches einer Fräsmaschine, relativ zu einem
zweiten Gegenstand, z. B. zu dem festen Bett der Fräsmaschine, verwendet werden
kann.
-
Die Platte mit der Aufzeichnung eines periodischen Wellensystems
(Registrierplatte) ist mit einer sinusförmigen Wiedergabe auf magnetischem Registriermaterial,
beispielsweise auf einem an dem ersten Gegenstand angebrachten magnetischen Band,
versehen.
-
In diesem Falle können die beiden an zwei festen Punkten befindlichen
Anzeigeorgane ein tÇbertragungssystem mit einem ringförmigen Kern 120 (Fig. 1) aus
leicht sättigbarem Werkstoff sein, der mit einer Wicklung 121 versehen ist, die
von einer Wechselstromquelle 122 mit beispielsweise 20 kHz/sec über einen kombinierten
Belastungs- und Begrenzungswiderstand 123 gespeist werden kann. Die Spannung dieser
Stromquelle reicht nicht aus, um das Band nennenswert durch den auf diese Weise
in dem Kern 120 erzeugten Magnetfluß zu beeinflussen.
-
Der Kern 120 ist mit einem schmalen Luftspalt 124
versehen und an dem
zweiten Gegenstand angebracht, so daß sich dieser Spalt in der Nähe der Aufzeichnung
auf dem Band befindet, das daneben bei 125 dargestellt ist.
-
In den von der Stromquelle 122 ausgehenden Leitungen liegen eine
nur die zweiten harmonischen Komponenten des Erregerstromes hindurchlassende Filterstufe
126 sowie eine Frequenzverdoppelungsstufe 127, die eine Ausgangsspannung erzeugt,
die die doppelte Frequenz der Grundfrequenz besitzt und in fester Phasenbeziehung
zu ihr steht.
-
Die von den Stufen 126 und 127 abgegebenen Ausgangsimpulse mit 40
kHz/sec werden einem Phasen-Frequenzgleichrichter 128 zugeleitet, der dazu dient,
von einem Phasenvergleich dieser Ströme und der Amplitude der zweiten harmonischen
Stromkomponente einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der über die Leitung A einer Frequenzgleichrichterstufe
und einem Differentialzähler - wie z. B. den Stufen 35 und 36 der in der älteren
Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele - zugeleitet wird, wobei die
Eingangsenergie diesen Stufen über die Leitung B von dem das Gegenstück zu dem anderen
Übertragungssystem des Phasen-Frequenzgleichrichters 128 darstellenden Phasen-Frequenzgleichrichter
128t zugeleitet wird.
-
Die magnetische Beeinflussung des Kerns 120 wird in der vorgesehenen
Stellung, nämlich gegenüber dem Luftspalt 124, durch die Beschaffenheit der Platte
(des Streifenmusters) bestimmt. Der Ausdruck »Beschaffenheit der Platte« bedeutet
hier Stärke und Sinn der registrierten Magnetisierung.
-
Die Amplitude des registrierten Streifenmusters ist eine solche,
daß, wenn sich das Band relativ zu dem Obertragungssystem bewegt, die Arbeits-Hystereseschleife
130 (Fig. 2), die während jeder Periode der 20-kHz-Erregerspannung durchlaufen wird,
periodisch die dem Werkstoff des Kernes 120 entsprechende Hystereseschleife 131
von einem Ende zum anderen - d. h. von 130 zu 130t und zurück -durchläuft. Die aus
der Krümmung der hauptsächlichsten Magnetlinien resultierende Verzerrung der zweiten
harmonischen Oberschwingung schwankt entsprechend hinsichtlich der Amplitude und
zeigt eine Phasenverschiebung von 1800 relativ zu der Phase der Grundfrequenz dieses
Stromes beim Durchgang durch die Null-Linie. Der Frequenzgleichrichter 128 emittiert
dementsprechend über die Leitung A einen Ausgangsimpuls, der sich mit den änderungen
der Beschaffenheit der Platte gegenüber dem Luftspalt 124 sinusartig ändert.
-
Ein ähnlicher Impuls wird durch den Frequenzgleichrichter 128t über
die Leitung B emittiert, wobei die Ströme in den Leitungen A und B wie vorher um
einen Bruchteil einer halben Wellenlänge des Streifenmusters, vorzugsweise um eine
Viertelwellenlänge, gegeneinander phasenverschoben sind, wie dies durch den Zwischenraum
zwischen den beiden tZbertragungssystemen bedingt ist. Im übrigen ist die Wirkungsweise
der Vorrichtung die gleiche wie vorher.
-
Ein Vorteil der zuletzt beschriebenen Anordnung ist, daß die Vorrichtung
anspricht, selbst wenn die relative Bewegung des ersten Gegenstandes mit Bezug auf
den zweiten Gegenstand Null ist, d. h. wenn das Band mit Bezug auf die Übertagungssysteme
stillsteht.
-
Das registrierte periodische Wellenstreifenmuster kann wahlweise
auch ein mechanisch registriertes
Streifenmuster - etwa ähnlich
den Rillen einer Schallplatte - sein, das von zwei Abtaststiften der entsprechenden
Anzeigeorgane durchlaufen wird.
-
Eine solche Anordnung ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Die
Rille 140 kann nach dem sogenannten »Berg-und-Tala-System oder nach dem sogenannten
»Flanken«-System registriert werden. Sie wird auf oder in dem an dem ersten Gegenstand
befestigten Registrierungsträger 141 angebracht. Die Abtaststifte 142 sind an dem
zweiten Gegenstand angebracht, und zwar in zwei voneinander entfernten Stellungen,
in denen die »Striche des Streifenmusters« um den obengenannten Betrag gegeneinander
phasenverschoben sind. Mit dem Ausdruck »Striche des Streifenmusters« ist hier die
Tiefe der Furche bei einer Registrierung nach dem »Berg-und-Tal«-System oder die
seitliche Entfernung von einer Grundlinie bei dem »Flanken«-System gemeint.
-
Jeder Abtaststift wird von einem Pic-up-Kopf 143 getragen, der in
jedem Augenblick einen von der jeweiligen Stellung des Abtaststiftes (wie sie durch
das Streifenmuster bestimmt ist) abhängigen Ausgangsimpuls aussendet. So wird ein
Ausgangsimpuls abgegeben, wenn das Streifenmuster relativ zu dem Abtaststift in
Ruhe ist. Bei einer geeigneten Vorrichtung dieser Art steuert der Abstaststift beispielsweise
den Abstand zwischen Kondensatorplatten und daher die Amplitude eines zur Erregung
dienenden Wechselstromes.
-
Die Impulse der Pic-up-Köpfe 143 werden in Verstärkern 144 verstärkt
und über die Leitungen A und B den in der älteren Patentanmeldung beschriebenen
Frequenzgleichrichter- und Zählerstufen 35 und 36 zugeleitet.
-
Bei einer anderen Ausführungsform (F i g. 4) wird das Streifenmuster
durch zwei getrennte Rillen 145 und 146 gebildet, in denen beziehungsweise die Abtaststifte
147 und 148 geführt werden. Die Abtaststifte können dann nebeneinander angeordnet
sein, wobei die Rillen so zueinander liegen, daß die Striche des Streifenmusters
bei den betreffenden Abtaststiften - wie vorher beschrieben - gegeneinander phasenverschoben
sind.
-
Das registrierte periodische Wellenstreifenmuster kann wahlweise
auch ein optisches Wellenbild sein, das mittels zweier photo-elektrischer Elemente
-beispielsweise Photozellen - in geeigneter Anordnung abgetastet wird. Das optische
Bild kann - wie bei 150 in F i g. 5 dargestellt - einen in seiner Breite wellenförmigen,
durchsichtigen Streifen aufweisen, der von einer nicht dargestellten Lichtquelle
durchleuchtet wird. Die das Streifenmuster 150 abtastenden Lichtstrahlen gelangen
durch den in einer undurchsichtigen Blende 152 angebrachten Schlitz 151 zu einer
der Photozellen und durch den in der Blende 152 angebrachten Schlitz 153 zu der
anderen Photozelle (nicht dargestellt). Die Schlitze 151 und 153 sind so weit voneinander
entfernt, daß der notwendige Abstand zwischen den Wellenbildern des Streifenmusters
bei den obengenannten beiden Stellungen gewahrt ist. Unter dem Ausdruck »Wellenbilder
des Streifenmusters« ist hier die durch die Schlitze 151 und 153 zu den entsprechenden
Photozellen gelangende Lichtmenge verstanden.
-
Die Ausgangsimpulse der Photozellen werden durch die Verstärker 153
verstärkt und zu den Frequenzgleichrichter- und den Zählerstufen 35 bzw. 36 weitergeleitet.
-
Die vorstehend beschriebene Anordnung ähnelt weitgehend derjenigen
der F i g. 3, wobei die mechanisch angebrachte Rille durch das optische Wellenbild
und die Abtaststifte durch Photozellen als Anzeigeorgane ersetzt sind. Es ist auch
eine der F i g. 4 entsprechende Anordnung möglich, wobei das Streifenmuster durch
zwei optisch durchsichtige Streifen gebildet wird, welche durch eine Photozelle
abgetastet werden, wenn die Streifen relativ zueinander in dem gewünschten Maß verschoben
werden.
-
Um Fehlanzeigen zu vermeiden, die auf Unvollkommenheiten der optischen
Streifen oder auf auf ihnen abgelagerten Staub zurückzuführen sind, kann jeder Schlitz
durch eine zu dem Streifen 156 komplementäre Blende 155 gebildet werden (wegen der
Deutlichkeit gesondert daneben dargestellt). Die Blende 155 hat durchsichtige (oder
durchscheinende) Seitenflächen 157 und eine undurchsichtige Mittelfläche 158. Die
Photozelle wird von dem durch die Flächen 159 (F i g. 7) zwischen den undurchsichtigen
Flächen der Blende155 und dem Streifen 156 hindurchgehenden Licht getroffen. Auf
diese Weise erhält man einen Mittelwert, und Fehlerquellen der obengenannten Art
werden vermieden.