DE1260168B

DE1260168B - Vorrichtung zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage eines beweglichen Bauteils gegenueber einer festen Anordnung unter Verwendung eines Lichtbuendels

Info

Publication number: DE1260168B
Application number: DEN26051A
Authority: DE
Inventors: Scato Albarda
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-01-11
Filing date: 1965-01-08
Publication date: 1968-02-01
Also published as: SE313445B; AT255781B; FR1420131A; GB1084701A; US3384754A; CH432861A; DK120001B; NL6400161A

Description

Vorrichtung zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage eines beweglichen Bauteils gegenüber einer festen Anordnung unter Verwendung eines Lichtbündels Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage eines beweglichen, insbesondere umlaufenden Bauteils gegenüber einer festen Anordnung unter Verwendung eines auf einen dem beweglichen Bauteil fest zugeordneten Körper gerichteten Lichtbündels, welches anschließend wenigstens eine Fotozelle bestrahlt, die ein elektrisches Signal liefert.
Eine solche Vorrichtung wird in der Werkzeugtechnik vielfach verwendet, wo häufig die Aufgabe vorliegt, daß die Lage eines Werkzeugs, z. B. des Schlittens einer Drehbank, gegenüber einem festen Gegenstand, z. B. dem zu bearbeitenden Werkstück, bestimmt werden muß. Auf der Antriebswelle des Schlittens ist zu diesem Zweck eine vorzugsweise mit radialen Schlitzen versehene Scheibe befestigt. Ein quer zur Scheibe geworfenes Lichtbündel wird dann entweder unterbrochen oder durch einen der Schlitze durchgelassen, worauf es auf eine Fotozelle auftrifft.
Die Fotozelle, welche vorzugsweise in die Eingangsstufe eines Verstärkers aufgenommen ist, liefert eine Impulszahl, die von der Zahl der das Lichtbündel kreuzenden Schlitze und demnach von der Lage der Welle abhängt.
Es ist weiterhin bekannt, zwei Lichtwege mit einer Fotozelle für jeden Lichtweg zu verwenden. Die Unterbrechung eines Lichtweges wird vor oder nach der Unterbrechung des andern Lichtwegs aufgehoben.
Vorzugsweise erfolgt der Durchgang eines Lichtbündels eine Viertelperiode vor oder nach dem Durchgang des anderen Lichtbündels. Unter Periode wird dabei die Zeit verstanden, welche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen eines Bündels verläuft. Bei einer umlaufenden Scheibe bedeutet dies, daß in der Scheibe zwei Lochmuster angebracht sind, wobei das eine Muster eine Teilung hat, die in der Drehrichtung um (m t 1/4) Teilungen des anderen Musters verschoben ist. Es werden dann zwei Signalreihen erhalten, von denen jedes Signal einer Reihe gegenüber dem vorangehenden bzw. nächstfolgenden Signal der anderen Reihe einen Phasenunterschied von 900 aufweist. Die Signalreihen können nach Umwandlung einer Zählschaltung zugeführt werden, welche die Impulse addiert (z. B. bei Umlauf der Scheibe im Uhrzeigersinn) oder subtrahiert (bei Umlauf der Scheibe entgegen dem Uhrzeigersinn).
Bekannt ist auch eine Anordnung mit zwei hintereinander angeordneten Rastern. Eines dieser Raster reflektiert das Licht. Ein erheblicher Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die Fotozellen zwischen der Lichtquelle und den Rastern angeordnet sind, weshalb die von der Lichtquelle herrührenden Lichtstrahlen zum Teil von der Hinterseite dieser Zellen absorbiert und die von dem Raster reflektierten Strahlen als Ganzes von den Fotozellen nicht aufgefangen werden, da ein Teil durch die Öffnungen verlorengeht. Unterschiedlich dieser bekannten Vorrichtung gegenüber ist bei der Vorrichtung nach der Erfindung, 1. daß ein an sich bekannter lichtreflektierender, mit dem zu überwachenden beweglichen Element gekoppelter, regelmäßiger Vielflächner im Lichtweg zwischen zwei Rastern angeordnet ist, 2. daß diese beiden Raster zueinander unbeweglich sind und 3. daß das Bild des ersten Rasters mit der Ebene des zweiten Rasters im wesentlichen zusammenfällt.
Demzufolge ist die eingangs umschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der dem beweglichen Bauteil fest zugeordnete Körper ein an sich bekannter lichtreflektierender regelmäßiger Vielflächner ist, dessen Achse mit der Achse des beweglichen Bauteils ganz oder nahezu zusammenfällt, und daß der Vielflächner in dem Lichtweg zwischen zwei fest nebeneinander und zueinander unbeweglich angeordneten Rastern vorgesehen ist und das Bild des ersten Rasters im wesentlichen mit der Ebene, in welcher das zweite Raster angeordnet ist, zusammenfällt.
Diese Ausführung ermöglicht, daß das rotierende Spiegelpolygon gegenüber dem festen Teil des Aufnehmers vielerlei Bewegungen hinsichtlich der Exzentrizität oder des Nichtzusammenfalles der Achse der Vielfläche mit der Drehachse ausführen kann, dies naturgemäß innerhalb gewisser Grenzen, die aber in der Größenordnung von 0,5 mm liegen und somit für den Maschinenbau in keiner Weise beschränkend wirken.
Dies gibt die Möglichkeit, daß der reflektierende Vielflächner unmittelbar am umlaufenden Maschinenteil befestigt werden darf und nicht im Aufnehmer gelagert zu werden braucht. Abgesehen von direkter Ersparung im Aufbau hat dies zur Folge, daß a) der Aufnehmer gegenüber dem umlaufenden Maschinenteil nicht zentriert zu werden braucht, b) ein zusätzlicher Drehwiderstandudes Maschinenelementes, mit dem der Aufnehmer gekuppelt ist nicht auftritt; wenn dieses Element den Zeiger einer Waage darstellt, ist dies äußerst wichtig.
Der Aufnehmer ist der Teil der Vorrichtung, der das Lichtbündel endgültig abfängt und es in ein elektrisches Signal umwandelt. Weiterhin kann das Spiegelpolygon für ein gegebenes Auflösungsvermögen klein sein gegebenüber einer Lochscheibe. Mit einem Lochscheibenaufnehmer ist kaum eine Lösung möglich, bei der innerhalb des gegebenen Durchmessers (+ 28 mm zulässig) ein ausreichendes Auflösungsvermögen erreicht wird.
Die Ursachen, daß das Spiegelpolygon einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben kann, sind: a) Die reflektierenden Mantelflächen, vergleichbar mit den Langlöchern in der Lochscheibe, liegen hier axial.- In der Lochscheibe bedingt der Innendurchmesser des Schlitzmusters das Auflösungsvermögen. b) Die ganze Oberfläche des Spiegelpolygons ist reflektierend und trägt zur Bilderzeugung bei.
Bemerkt wird noch, daß die Lichtdurchlässigkeit der Lochscheibe maximal 0,5 ist, während in einer älteren Patentanmeldung nachgewiesen wurde, daß ein optimales Bild bei einer Lichtdurchlässigkeit von etwa 0,33 erzielt wird.
Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert; hierin zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 einen quer zum Schnitt nach Fig. 1 verlaufenden Schnitt, F i g. 3 eine Einzelheit der Vorrichtung nach der Erfindungund Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie A-B der Fig. 1 und 2.
In den Fig. 1 und 2 ist mit II die Welle des Querschlittens 10 einer Drehbank bezeichnet. Die Lage des Querschlittens 10 kann der Winkelverdrehung einer Welle II von einer bestimmten Anfangslage aus entnommen werden. Auf der Welle 11 ist dazu nach der Erfindung ein Spiegelpolygon 5 montiert, das von der Lampe 1 beleuchtet wird, die in einem quer zur Welle lt angeordneten feststehenden Gehäuse 7 untergebracht ist. Die aus der Lampe 1 heraustretenden Lichtstrahlen gehen durch die Kon- densorlinsen 2 und beleuchten das in der Brennfläche der Linse 8 angeordnete Raster 3. Die aus den parallelen Spalten des Rasters 3 austretenden divergierenden Lichtstrahlen sind nach dem Durchgang durch die Linse 8 parallel. Diese parallelen Strahlen treffen auf dem Lichtbündel zugekehrte Mantelflächen des Polygons 5. In F i g. 3 sind einige Mantelflächen mit den auftreffenden parallelen Lichtstrahlen dargestellt. Diese Lichtstrahlen werden zurückgeworfen. Die von einer Mantelfläche ausgehenden Lichtstrahlen sind parallel und erzeugen ein Bild in der Brennebene der Linse 8, die mit der Ebene des Rasters 3 zusammenfällt. Die Bilder, welche von den von mehreren Mantelflächen ausgehenden Lichtstrahlen erzeugt werden, liegen in der Brennebene in einem gegenseitigen Abstand d (s. F i g. 3).
Es ist leicht einzusehen, daß -der Abstand d der Beziehung d = 2fein 27 entspricht. Darin stellt n die Zahl der Mantelflächen und f die Brennweite der Linse 8 dar. Für einen hohen Wert von n ist d = 27f. r In Wirklichkeit ist n groß, d. h., der stumpfe Winkel a zwischen aufeinanderfolgenden Mantelflächen beträgt nahezu 1800. Der Abstand d ist daher -klein und demnach auch die Teilung des Rasters 3, welche gleich d gewählt wird. Der Raster 3 und der-Aufnehmer 7 können also geringe Abmessungen haben, was auf den Umstand zurückzuführen ist, daß os gleich nahezu 1800 gewählt werden kann.
Man kann die Teilung des Rasters 3 gewünschtenfalls auch gleich einem ganzen Bruchteil von d wählen.
Dann wird nach Belieben entweder das Auflösungsvermögen vergrößert (bei gleichbleibendem Spiegelpolygon) oder die Zahl der Mantelflächen herabgesetzt (bei gleichbleibendem Auflösungsvermögen).
Weitere Vorteile der Konstruktion sind, daß sowohl Verlagerungen der Welle 11 in axialer Richtung als auch die in einer Richtung quer und parallel zur Welle keinen Einfluß auf die Bilderzeugung haben.
Die zuletztgenannten Verlagerungen ändern nur die Länge des Lichtweges zwischen der Linse 8 und der reflektierenden Fläche 5, während die zuerstgenannten Verlagerungen die Bilder in der Längsrichtung der Schlitze in der Bildebene verschieben.
In der Bildebene befindet sich ein aus zwei Teilen zusammengesetztes Raster. Ein Teil 3 (mit einer Teilung d) hat einen kontinuierlichen Charakter (s. Fig. 4). Der andere Teil 4 (in Fig. 4) hat einen diskontinuierlichen Charakter und besteht aus mehreren Gruppen. Jede Gruppe hat eine Teilung d. Die Teilung der Gruppen beträgt (m + sol4) d. Beim Umlaufen des Spiegelpolygons 5 schiebt sich die Projektion des Teiles 3 über den Teil 4. Unter dem Teil 4 befinden sich vier Fotozellenreihen 16 und 17. Diese Fotozellenreihen liefern in bekannter Weise die elektrischen Signale für einen elektronischen Zähler 20.
In einem Ausführungsbeispiel war f = 57,3 mm, n = 360, die Teilung d = 2 mm und m = 3.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage eines beweglichen, insbesondere umlaufenden Bauteils gegenüber einer festen Anordnung unter Verwendung eines auf einen dem beweglichen Bauteil fest zugeordneten Körper gerichteten Lichtbündels, welches anschließend wenigstens eine Fotozelle bestrahlt, die ein elektrisches Signal liefert, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der dem beweglichen Bauteil fest zugeordnete Körper ein an sich bekannter lichtreflektierender regelmäßiger Vielflächner ist, dessen Achse mit der Achse des beweglichen Bauteils ganz oder nahezu zusammenfällt, und daß der Vielflächner in dem Lichtweg zwischen zwei fest nebeneinander und zueinander unbeweglich angeordneten Rastern vorgesehen ist und das Bild des ersten Rasters im wesentlichen mit der Ebene, in welcher das zweite Raster angeordnet ist, zusammenfällt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg ein Raster liegt, dessen Teilung gleich oder ein ganzer Bruchteil der Teilung des aus einem Schlitz des Rasters von der Vielfläche erzeugten Bildes ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 950 096; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 044 950; schweizerische Patentschrift Nr. 367 651; französische Patentschrift Nr. 1 241 620; britische Patentschrift Nr. 914438.