DE1698280B2 - Vorrichtung zur bestimmung und steuerung der lageaenderung eines objektes gegenueber einem bezugssystem - Google Patents

Description

nen Phasen, einer mehrphasigen Stromquelle gespeist ist es wesentlich, daß die Harmonischen weitgehend

Jverden, pie Au.sgangssjgnale dieser Luftspalte werden zu einem mehrphasigen Signal zusammengesetzt, das ebenso wie bei der optisch wirkenden Vorrichtung bezüglich der Stromquelle phasenverschoben ist.

Um bei Verneinungen, die auf der Basis sich verschiebender Interferenzstreifen arbeiten, eine genügend große Genauigkeit zu erzielen, muß man bei den bekannten Verfahren Gitter mit einer entsprechend engen Strichteilung, mindestens etwa in der Größenordnung von einigen ΙΟ» je Millimeter verwenden, die jedoch insofern Schwierigkeiten bereiten, als für eine weitgehend erschütterungsfreie Aufstellung bzw. Montage dieser Gitter sowie eine exakte

unterdrückt werden, was dadurch erreicht werden kann, daß eine etwa l^fl/o der Gesamtfläche einer Emfelzone entsprechende Flache ftn auf der vorgenannien Diagonale symmetrisch gelegenen Stellen abgedeckt ist. Die Schwingungsform der amplitudenmoduiierten Wechselstromsignale einer einzelnen Fotozelle kann auf diese Weise einer reinen Sinuswelje angenähert werden. Schließlich kann zur weiteren o Unterdrückung von Harmonischen das Bezugssignal an einem der Empfänger abgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vielseitig verwendet und auch mittels magnetischer Gitter be-

Jung g ne exakt trieben werden. Tm letzteren Fall werden die Luftparallelführung des bewegten Gitters und die Einhai- 15 spalte von einer gewöhnlichen einphasigen Strom tung einer konstanten Umgebungstemperatur Sorge quelle erregt und die Ausgang signale dieser Luftgetragen werden muß. So ergibt beispie'-.weise bei spähe verschiedenen Punkten des Phasenschieberzwei gekreuzten Gittern mit einer Teilung von 40 Stri- netzwerkes zugeführt um auf diese Weise ein phasen-Chen je Zentimeter und einem Interferenzstreifen- moduliertes zusammengesetztes Signd zu erzeugen, abstand von etwa 2,5 cm eine Abweichung von 20 Mit «iner optisch wirksamen Vorrichtung werden 5 · ΙΟ"³ mm von einer exakten Parallelverschiebung deshalb besonders günstige Voraussetzungen geschafjruf eine Strecke von 10 cm einen Fehler von 10⁰O.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

eine Meßvorrichtung der vorgenannten Art zu schaf- -

fen, die mit verhältnismäßig groben Gittern mit einer 25 mehrerer Lichtquellen auftreten, deren Lichtausbeute Tciiung von einigen Strichen je Millimeter arbeite* infolge ihrer unterschiedlichen Alterung verschieden und trotzdem eine ausreichende Meßgenauiakeit von groß sein kann.

beispielsweise ± 2 · 10"⁴ mm aufweist. " Als Lichtquelle kann jede Energiequelle verwendet

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch werden, die elektromagnetische Strahlen aussendet, gelost, daß Blenden oder mit entsprechend geometri- 30 die auf fotoelektrischem Wege in elektrische Signa e scher Formgebung in die Ebene der Interferenzstrei- umgewandelt werden. Eine brauchbare Lichtquelle fen eingebrachte fotoelektrische oder Magnetfeld-Empfänger und mit diesen mehrere viereckig, rechteckig oder ,.arallelogrammförmig ausgebildete Meßzonen zum Ausblenden eines Teils des Interferenz- 35
strcifenfeldes vorgesehen sind, mit der Maßgabe, daß
die Interferenzstreifen parallel zu einer Diagonalen
der Meßzonen verlaufen und die Längen zweier parallel oder konzentrisch zueinander verlaufender Kander Meßzonen ein Drittel des entlang diesen 40

fen, da eine solche Vorrichtung die Verwendung einer einzigen Lichtquelle zuläßt, wodurch diejenigen Nachteile vermieden werden, db bei Verwendung

ist beispielsweise eine Gallium-Arsenid-Zelle, die infrarote Strahlung erzeugt, die mit Frequenzen von ungefähr 10⁷ Hz moduliert werden kann.

In der Zeichnung sind in schematischer Weise Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt

Fig. \ eine Vorrichtung mit einer emzigen Lichtquelle und einer Mehrzahl von Fotozellen.

F i g. 2 die Anordnung der Fotozellen bezüglich der Interferenzstreifen,

Fig. 3 und 4 erläuternde Diagramme, die sich auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beziehen,

Fig. 5 eine bezüglich der Form der Elementar

Kanten gemessenen Abstandes zwischen zwei benachbarten Interferenzstreiftn betragen, und daß den
Meßzonen eine entsprechende Anzahl von fotoelektrischen oder Magnetfeld-Empfängern zugeordnet ist. . .f.. j, ---

deren Ausgänge je über Hne eine der Lage des Inter- 45 Zonen abgewandelte Anordnung mit drei Fotozellen ferenzstreifenfeldes bezüglich der jeweiligen Meßzone und senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden entsprechende Phasenverschiebung bewirkende Phasenschiebereinheit und einen Übertr iger geschaltet
sind, dem ein Phasenmeßgerät zur Auswertung der
eingegebenen Vektorsumme nachgeschaltet ist. 50

Wenn die Zuordnung je einer Fotozelle zu jeder Finzel/One Schwierigkeiten bereitet, so können die Einzelznnen auch voneinander getrennt und so angeordnet sein, daß sie sich in ihrer Gesamtheit über _r

mehrere Perioden des Interferenzstreifenmusters er- 55 denes Bezugsgitter3 und ein beispielsweise mit einem strecken. Werkzeugträger verbundenes Anzeigegitter 4, sind in

Eine besonders hohe Meßgenauigkeit wird gemäß geringem Abstand übereinander angeordnet. Die beider Erfindung dadurch erzielt, daß die Anordnung den Gitter werden von dem von der Lichtquelle 1 der Gitter und der einzelnen Meßzonen so getroffen erzeugten, mittels- eines Kollimators 5 parallel gerichwird, daß die Intcrfesenzstreifen parallel zur Dia- 60 tetert Licht getroffen, wodurch ein periodisches Mugonale der Einzelzonen verlaufen, was durch Ver- ster von Interferenzstreifen erzeugt wird. Die Lage Wendung zweier unterschiedlich geteilter und um dieser Interferenzstreifen hängt von der gegenseitigen einen kleinen Winkel gegeneinander geneigter Gitter Lage der Gitter ab und ist infolgedessen ein Maß für oder durch eine entsprechende Anordnung der einzel- die gegenseitige Lage der beiden die Gitter tragenden nen Meßzoneh erzielt wird. 65 Körper. Die Interferenzstreifen werden von einer

Für eine möglichst getreue Wiedergabe der Ver·» abgeglichenen Reihe 6 von fünf Fotozellen A, B, C, D Schiebung der Interferenzstreifen durch eine entspre- und E vermessen, die längs einer Geraden angeordnet eilende Phasenwinkeländerung des Ausgangssignals sind, weiche in der durch einen Doppelpfeil 20 in

Iniorfcrenzstreifen,

Fig. 6 bis 9 weitere abgewandelte Ausführungs-

formen.

Bei dem in Fig. I dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Lichtquelle I von einer cinpha<-i >.;n 400-Hz-Stroin ,uelle 2 gespeist, die mit dieser Frequenz pulsierendes Licht aussendet. Zwei Strichcitter, ein beispielsweise mit einem Maschinenbett verbun-

F ig.-2 angezeigten Richtung der zu vermessenden Bewegung verläuft* Das Licht, das jeweils aus einer von fünf rechteckigen Elemeritarzönen einer Interfefenzstreiferiperiode stammt, wird mit Hilfe eines Satzes von in gleichen Abständen voneinander angeordneten, ein Bezugsfeid in Form eines Fensters bildenden Sammellinsen 7 auf die Fotozellen konzentriert.

Jeder Fotozelle wird Licht von der Lichtquelle 1 über eine entsprechende Elementarzone zugeführt. wobei die gesamte auf die Fotozellen fallende Lichtmenge im wesentlichen konstant bleibt, und zwar unabhängig von der Lage des Interferenzstreifenmusters bezüglich des Bezugsfeldes. Die relativen Lichtmengen, die auf die einzelnen Fotozellen fallen. ändern sich jedoch entsprechend der Lage des Interferenzstreifenmusters. Die Ausgangssignale der einzelnen Fotozellen haben somit entsprechend dem auf die einzelne Fotozelle fallenden Anteil des Lichtes verschieden große Amplituden und bilden gleichphasige Wechselstromkomponenten mit der Frequenz der Lichtquelle 1. Um die Verschiebung der Interferenzstreifen in proportionale Verschiebungen des elektrischen Phasenwinkels umzuwandeln, sind die Ausgänge der Fotozellen A bis E mit verschiedenen Elementen 8 eines Phasenschiebernetzwerkes 9 gekoppelt, dem über einen Übertrager 14 und einen Verstärker 11 ein zusammengesetztes Ausgangssignal entnommen wird. An Stelle des Verstärkers 11, oder auch zusätzlich zu diesem, können zur Verstärkung der Ausgänge der einzelnen Fotozellen Verstärker 10 vorgesehen sein. Die Ausgänge der Fotozellen können über Potentiometer 12 kurzgeschlossen sein, um die Einzelempfindlichkeiten der Fotozellen gegeneinander abzugleichen. Außerdem können mittels Kondensatoren 13 Gleichstromkomponenten der Ausgangssignale der Fotozellen unterdrückt werden. Jedes der Elemente 8 umfaßt einen Widerstand IS. der in Reihe mit einem Kondensator 16 geschaltet ist, und ist so ausgebildet, daß es die Phase des ihm von einer zugehörigen Fotozelle gelieferten Signals um einen Phasenwinkel verschiebt, der genau der Winkellage der zugehörigen Elementarzone entspricht, von der diese Fotozelle beleuchtet wird. Wenn man annimmt, daß diese Elementarzonen gleich groß und ... in gleichen Abständen voneinander sind, so sind die ~^! Teilsignale der fünf Fotozellen, nachdem sie die entsprechenden Elemente 8 durchlaufen haben, durch fünf Vektoren 18a bis 18e (Fig. 3) darstellbar: das Ausgangssignal der Fotozelle A wird direkt einer Klemme 17 zugeführt und auf diese Weise nicht phasenverschoben. Die Längen der Vektoren 18 a bis 18 e entsprechen den betreffenden Amplituden der Fotozellen für diejenige Lage des Interferenzstreifenmusters, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Die einzelnen Signale setzen sich, wie in F i g. 4 dargestellt, zusammen und bilden ein Ausgangssignal, das durch einen Vektor 19 mit einem Phasenwinkel 22 dargestellt werden kann. Der Wert dieses Phasenwinkels ist ein Maß für die Lage des Streifens maximaler Helligkeit 21. wie er als gestrichelte Linie in Fig. 2 dargestellt ist, und zwar in Einheiten seines Abstandes von der Mitte der Elementarzone, die der Fotozelle A zugeordnet ist. Eine Bewegung des Interferenzstreifenmusters über das Bezugsfeld über eine ganze Periode des Streifenmusters ruft eine Drehung des Vektors 19 über 360° hervor. Das sich ergebende Aussan.?ssign^al wird einem Phasenmeßgerät 23 zugeführt, um so eine genaue Anzeige öder eifie entsprechende mechanische Bewegung hefvöfzüflifen> welche ein Maß für die augenblickliche Läge des Iriterferenzstreifenm'Usters, d. \\_t also für die Läge des Bezügsgitters 3 bezüglich des Anzeigegitters 4 ist;

Die Verwendung besonderer Linsen, um das Licht der beleuchteten Elementarzonen des Interferenzstreifenmusters auf die Fotozelle zu konzentrieren, kann dadurch vermieden werden, daß die Größe einer jeden Fotozelle so vergrößert wird, daß sie die ihr zugeteilte Fläche des Fensters bedeckt, von dem sie ihr Licht erhält, und daß die Fotozellen vorzugsweise nahe den beiden Gittern angeordnet werden.

Die beiden Gitter, die das Streifenmuster erzeugen, können nach dem Nonius-Prinzip oder nach dem Prinzip der gekreuzten Gitter mit gleichen Gitterabständen arbeiten, und die Interferenz^treifen können senkrecht oder unter einem spitzen Winkel zu der zu vermessenden Bewegung der Interferenzstreifen verlaufen, und zwar entsprechend dem Verfahren, das für die Unterdrückung räumlicher Harmonischer verwendet wirf⁵. In den Lichtweg kann zwischen die Lichtquelle und die Fotozelle eine Blende eingefügt werden, die geeignete Öffnungen zur Verkleinerung der Fläche des Fensters aufweist, das von jeder Fotozelle vermessen wird; es kann aber auch ohne die Verwendung einer Blende gearbeitet werden, so daß im wesentlichen alles Licht vom Interferenzstreifenmuster auf die Fotozellen fällt, je nach Art der verwendeten Interferenzstreifen und der Einrichtung zur Unterdrückung räumlicher Harmonischer.

Es können drei, vier oder mehr Fotozellen \ erwendet werden; ihre Anzahl muß in der Praxis in Abhängigkeit davon bestimmt werden, inwieweit räumliche Harmonische in der Schwingungsform der Licht-Intensitätsmodulation gemäß der Bewegung des Interferenzstreifenmusters unterdrückt werden sollen. Beispielsweise kann eine gerade Anzahl von Fotozellen, beispielsweise sechs, verwendet werden, die mit zwei Schaltungen mit je drei Elementen gekoppelt werden, welche im Gegentakt arbeiten, um eine geradzahlige räumliche Harmonische zu eliminieren. Nach Belieben kann eine größere Anzahl von Fotozellen verwendet werden, um den Anteil räumlicher Harmonischer in den modulierten, zusammengesetzten Ausgangssignalen herabzusetzen, da, selbst wenn die Wechselstromkomponente des Ausgangssignals einer jeden Fotozelle rein sinusförmig ist, die Schwingungsform der Amplitudenmodulation infolge der Bewegung der Interferenzstreifen beträchtlich von einer reinen Sinuswelle abweicht und so räumliche Harmonische hereinbringen kann. Die Harmonischen werden bis auf einen Bruchteil herabgesetzt, der, verglichen mit anderen möglichen Fehlerquellen der Vorrichtung, klein ist. Dies kann durch Vergrößerung der Zahl^von Fotozellen, denen jeweils eine Elementarzone der Interferenzstreifenperiode zugeordnet ist, wesentlich unterstützt werden. Wenn mehrere gleich verzerrte amplitudenmodulierte Signale vektoriell zusammengesetzt werden, so ist der Gehalt der phasenmodulierten Resultierenden an Harmonischen um einen Faktor vermindert, der größer als die Zahl der Sisnalkomponenten ist.

So kann z. B. der größte Fehler des Phasenwinkels der Resultierenden durch Vergrößerung dei Anzahl der Komponentensignale, d. h. also der Fotozellen,. um das Fünffache um einen Faktor von etwa neun

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verkleinert werden; dieser Prozeß kann aber Hoch wesentliche Verbesserungen durch folgende Mäßweiter getrieben' werderu Zu den erwähnten Vor- nähmen erzielt! Zunächst Wird keine Schlitzbieride teilen könimt aber noch ein weiterer bedeutender verwendet.· Die beleuchtete Zone des Streifenmusters, Vorteil hinzu, der darin besteht, daß es infolge des die von den Fötöiiöllen vermessen wirdj ist vielmehr ZUsammensetzens der Signale mit Hilfe Girier derart 5 in drei genau gleiche, viereckige Elcmentarzöneri •infachen Schaltung möglich ist, die Anzahl der eingeteilt, deren jeder eine Fotozelle zugeordnet ist totozellen und ihrer zugehörigen Schaltungsteile und die sich längs einer Geraden erstrecken, die •hne unangemessene Steigerung der Kosten zu er- parallel zu der Richtung der zu messenden Verschielöhen. " bung der Streifen ist. Außerdem bedecken diese

Das Phasenverschiebernetzwerk enthält der Zahl id Elementarzonen genau eine ganze Periode des der einzelnen Signale der Fotozellen entsprechende Streifenmusters, und die Neigung der Interferenzfchaltungsteile, "vorzugsweise jeweils einen Schal- streifen ist derart, daß diese parallel zu einer Dialungsteil für jede Fotozelle, deren jeder so bemessen gonalen einer jeden der viereckigen Elementarzonen kt, "daß er die Phase des ihm zugeführten Signals ist. und zwar unabhängig davon, ob diese Elementarem einen derartigen Phasenwinkel verschiebt, daß 15 zonen Rechtecke oder Parallelogramme sind (F i g. 2 •in sternförmiges Vektor-Diagramm gebildet werden und 5). Dadurch kann der größtmögliche Anteil an kann, wie es ϊη Fig. 3 dargestellt ist, bei dem die räumlichen Harmonischen an dem Intensitätsverlauf Winkelbeziehung zwischen den Vektoren den Lagen des Streifenmusters in einem beliebigen Teil seines der Elementarzonen im Bezugsfeld des Interferenz- Bereiches auf weniger als 0,4° η herabgesetzt werden. Itreifenmusters entspricht, von denen die Signale aus- 20 Werden außerdem insbesondere an einander gegen- |ehen. Eine derartige Schaltung wird für ein ein- überliegenden Ecken kleine Bereiche von der Blende phasiges Ausgangssignal benötigt. Wird jedoch ein abgedeckt, die an der zu den Interferenzstreifen parmehrphasigesr z. B. ein dreiphasiges Ausgangssignal allelen Diagonale liegen und ungefähr -'3⁰O der verlang., so können die Signale parallel an drei Fläche einer jeden der drei viereckigen Elementartleiche Schaltungen angelegt werden, in denen die 25 zonen ausmachen, so kann der größte Anteil weiter Phasenverschiebungen von einer zur anderen Schal- auf weniger als 0,2°Ό herabgesetzt werden. Drittens tung passend abgeändert werden, um ein abgegliche- kann der gesamte Anteil der Modulations-Harmones Dreiphasen-Ausgangssignal zu erzeugen. Im all- nischen im zusammengesetzten Ausgangssignal noch gemeinen hängt deshalb die Anzahl der Elemente in weiter auf 0.02° 0 dadurch herabgesetzt werden, daß einer jeden Schaltung von der Anzahl der verwen- 30 man seine Phase nicht mit der Stromquelle für die deten Fotozellen ab. und die Anzahl der Schaltungen Lichtquelle vergleicht, woraus eine Herabsetzung um ist von de: Anzahl der benötigten Phasen des Aus- einen Faktor von ungefähr »4« resultieren würde, gansssianals abhängig. " sondern mit einem dei Signale der drei Fotozellen

Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, die Dieser niedere Anteil an Harmonischen macht den

räumlichen Harmonischen zu reduzieren, um sicher- 35 Fehler infolge Abweichens des Intensitätsverlaufe'

zustellen, daß der Intensitätsverlauf des Streifen- der Interferenzstreifen von einer exakten Sinuswelle

musters so aut wie möglich einem Sinus-Gesetz folgt. vernachlässigbar gegenüber anderen unvermeidlicher,

Im Falle eng gestellter Gitter, d. h. also bei Gittern Fehlerquellen, die eine jede solche Einrichtung auf-

mit etwa 4(Toder mehr Strichen mm. kann dies zum weist.

Teil dadurch erzielt werden, daß die Gitter einander 40 Wahlweise kann aber ein npherungsweise sinus-

jehr nahe gebracht und der Abstand zwischen ihnen förmiger Verlauf der Intensität der Interferenzstreifer

in bekannter Weise so eingestellt wird, daß der größte in noch etwas einfacherer Weise dadurch erziel;

Teil des durchgelassenen" Lichtes in die nullte und werden, daß ein Kollimator zwischen der Licht-

erste Ordnung der gebeugten Wellen fällt. Die dann quelle 1 und den Gittern 3 und 4 angeordnet und ir

Übrigbleibenden Harmonischen können dadurch ver- 45 diesem eine Blende vorgesehen wird, die kreisförmige

mindert werden, daß. wie bereits beschrieben, die Öffnungen hat, deren Durchmesser etwas größer al<

Anzahl der Fotozellen und der damit verbundenen ein Drittel der Streifenmusterperiode ist und die sr

Elemente der Schaltung erhöht wird. angeordnet sind, daß das durch sie hindurchtretende

Besondere Vorteile^ ergeben sich, wenn grobe Licht jeweils auf die dieser Öffnung zugeordnete

Gitter, das sind solche mit ungefähr vier oder weniger 50 Fotozelle fällt.

Gitterstrichen pro Millimeter, verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungs-

Jedoch muß dann der Abstand zwischen den Gittern gemäßen Einrichtung kann, um eine möglichst weit-

verhältnismäßig groß sein, um in der erwähnten gehend sinusförmige räumliche Wellenform zu er-

Weise Interferenzstreifen durch Beugung zu erhalten, zielen, eines der Gitter auf fotografischem Wege her-

Eo daß es voraezosen wird, die Streifen durch einen 55 gestellt sein, so daß abwechselnd lichtundurchlässige

einfachen Blenden-Effekt zu erzeugen. Das Ergebnis und durchlässige Zonen vorgesehen sind, derer

ist, daß die räumliche Wellenform, das ist die Inten- Durchlaßvermogen sich längs des Gitters sinusförmig

Sitätscharakteristik der Streifen, dazu neigt, dreieckig ändert. Ähnlich kann im Falle magnetischer Gittei

fcu werden, bedinat durch ein starkes Ansteigen des die Polarität des angezeigten Liniensystems, welches

Anteils räumlicher Harmonischer. Maßnahmen zur 60 das Gitter bildet, so ausgebildet sein, daß sie einerr

Verminderung dieser Harmonischen und ihrer Effekte -Sinus-Gesetz folgt.

gewinnen deshalb aroße Bedeutung. Eine derartige Das Prinzip der erfindungsgemäßen Einrichtum

Veiminderang kann dadurch erzieirwerden, daß die läßt sich andererseits auch auf den Fall anwenden

beleuchtete Zone des Streifenmusters, die von jeweils bei dem mehrere von verschiedenen Phasen einei

einer Fotozelle vermessen wird, rechteckig ist und 65 mehrphasigen Stromquelle gespeiste Lichtqueller

die Interferenzstreifen so geneigt sind, daß sie par- vorgesehen sind, denen eine einzige Fotozelle zu-

allel zu den Diagonalen dieser Rechtecke verlaufen. geordnet ist, die das Licht von jeder der Lichtqueller

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden weitere erhalt. Eine derartige fcinrichtung ist in F i g. 6 dar-

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ίο

gestellt. Sie hat drei Lichtquellen 25, 26 und 27, die von einer Stromquelle 28 gespeist werden und zwei Gitter 29 und 30 beleuchten. Eine einzige Fotozelle 3i erhält das durch drei Elementarzonen eines Interfefeiizstreifenmüsters hindurchgehende Licht, wobei diese Elementarzonen von einem Kollimator-System mit drei Sammellinsen 32 gebildet werden. Das Ausgangssignal der Fotozelle 31 hat drei Phasen, deren Amplituden der Lichtstärke des durch die Sammellinsen 32 hindurchgehenden Lichtes proportional sind. d. h. von der Lage des Interferenzstreifenmusters abhängen. Die Komponenten verschiedener Pha5,e werden durch ein Phasenschiebernetzwerk 33 getrennt, an das das einphasige Ausgangssignal der Fotozelle 31 angelegt wird und das eiti dreiphasiges Ausgangssignal abgibt, dessen Phase gegenüber derjenigen der Stromquelle 28 um einen Phasenwinkel verschoben ist, der der Verschiebung des Interferenzstreifenmusters proportional ist. Wie im vorstenend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Elemente der Schaltung zur Phasenverschiebung jeweils so ausgelegt, daß sie eine Phasenverschiebung hervorrufen, die der Winkellage der entsprechenden Elementar tone des Interferenzstreifenmusters bezüglich einer Periode de? Interferenzstreifenmusters entspricht.

Fine andere Ausftihrungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem magnetischen Interferenzstreifenmuster ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Einrichtung entspricht weitgehend der optisch wirkenden Einrichtung gemäß Fig. 1. jedoch sind die Fotozellen durch magnetische Luftspalte od. dgl. oder magnetische Abtaster A bis E ersetzt, die von einer einphasigen 400-Hz-Stromquelle 2 gespeist werden und Einzel-Ausgangssignale abgeben, deren jedes dem magnetischen FIi>R einer Elementarzone des Interferenzstreifenmusters entspricht. Die Einrichtung wirkt genau in analoger Weise wie die optische Einrichtung gemäß Fig. 1, und die übrigen Bauelemente der Einrichtung sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.

Im vorstehenden ist der Gesichtspunkt des Messens des Betrags einer Relativbewegung durch Vermessung eines elektrischen Phasenwinkels hervorgehoben. Es muß jedoch beachtet werden, daß während einer jeden Relativbewegung zwischen den relativ zueinander verschiebbaren Körpern und infolgedessen zwischen den Gittern sich die Frequenz des Ausgangssignals der Einrichtung gegenüber ihrer Normal- oder Bezugsfrequenz um einen Betrag verschiebt, der proportional zu der Geschwindigkeit einer solchen Relativbewegung ist. Mit anderen Worten, das normale Ausgangssignal, welches als Trägersignal betrachtet werden kann, wird frequenzmoduliert, und zwar gemäß der Geschwindigkeit, mit der die Interferenzstreifen vor den Fotozellen vorbeiwandem. Diese Modulationsfrequenz kann als Maßstab für die Geschwindigkeit der Relativbewegung herangezogen werden, und sie kann insbesondere dazu benutzt werden, ein Steuersignal zur Auslösung eines Steuervorganges in Abhängigkeit von dieser "Bewegung hervorzurufen. Es ist natürlich wichtig, daß die Frequenz der Stromquelle oder die Trägerfrequenz wesentlich größer als die durch die Bewegung der Interferenzstreifen hervorgerufene Modu-' lationsfrequenz ist, um die Frequenzkomponenten des Ausganges innerhalb eines schmalen Bandes zu halten und so die Verwendung von Verstärkern mit erwünschte Signale leicht eliminieren zu können. Beispielsweise wird eine Modulationsfrequenz von 500 Hz erzeugt, wenn Gitter mit 40 Gitterstrichen pro Millimeter relativ zueinander mit etwa 75 cm pro Minute bewegt werden. In diesem Fall ergibt eine Trägerfrequenz von ungefähr 50 oder 100 kHz Signale mit einer verhältnismäßig kleinen Bandbreite.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch dazu

verwendet werden, verhältnismäßig große Verschie-

bungen dadurch mit großer Genauigkeit zu messen, daß man eine Anzahl von Gitterpaaren mit verschiedener Gitterkonstante verwendet. Beispielsweise werden in der in Fig. 8 gezeigten Einrichtung drei Gitterpaare verwendet, nämlich ein erstes Paar 40.

dessen Gitter als Beugungsgitter arbeiten und Interferenzstreifen erzeugen, bei denen eine Periode des Interferenzstreifenmusters einer Verschiebung von 2.5 ■ 10"* mm entspricht, und ein zweites und drittes Gitterpaar 41 bzw. 42, deren Gitter nach dem

zo Blendenprinzip arbeiten und Interferenzstreifenmuster hervorrufen, bei denen eine Periode einer Verschiebung von 0,25 mm bzw. von 25 mm entspricht. Jedem Paar von Gittern ist ein besonderes System v( · Fotozellen 43, 44. 45 zugeordnet, deren

Ausgangssignale einer entsprechenden Schaltung zur Phasenverschiebung 46 bzw. 47 oder 48 und dann einem Anzeige-Synchronmotor 49 bzw. 50 oder 51 oder anderen auf die Phase ansprechenden Empfängern zugeführt werden, um eine der Phasenvvinkeländerung entsprechende mechanische Bewegung od. dgl. zu erzeugen. Die gemessene Gesamtverschiebung kann von drei Skalen, einer Grob-, Mittel- und Fein-Skala, abgelesen werden, deren jede eine von den Empfängern abgegebene Größe anzeigi

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Vermessung großer Verschiebungen mit großer Genauigkeit, bei der besondere Streifenmuster verschiedenen Maßeinheiten entsprechen, soll nun im Zusammenhang mit der Fig.⁰

erläutert werden.

Licht von einer Lichtquelle oder von Lichtquellen 52, 53, das mit einer Frequenz von ungefähr 100 kHz schwankt, geht durch ein System von Gittern hindurch und erzeugt Interferenzstreifen. Das Gittersystem hat ein Paar von Bezugsgittern 55, 56, die an einem Maschinenbett befestigt sind und deren erstes beispielsweise 1000 Gitterstriche pro Zoll und deren zweites beispielsweise 990 Gitterstriche pro Zoll aufweist. Ferner ist ein erstes und ein zweites Anzeigegitter 57 bzw. 58 vorgesehen, das erste beispielsweise mit 1001 und das zweite beispielsweise mit 991 Gitterstrichen pro Zoll, und beide sind an einem Werkzeugträger befestigt und bewegen sich mit diesem nahe den Bezugsgittern. Wenn sich der

Werkzeugträger mit einer Geschwindigkeit von 30 Zoll pro Minute bewegt, so bewegen sich die Initrferenzstreifen bezüglich eines Bezugspunktes am ersten Anzeigegitter 57 mit einer Geschwindigkeit von 500 Streifen pro Sekunde und bezüglich eines

Bezugspunktes am zweiten Anzeigegitter 58 mit 495 Streifen pro Sekunde, wobei eine Periode des Interferenzstreifenmusters in jedem Fall bei diesem Beispiel 1 Zoll beträgt. Jedes Interferenzstreifensystem wird von einem Satz von Fotozellen 59 bzw. 60 vermessen, und die Ausgangssignale eines jeden Satzes von Fotozellen werden mit 500 bzw. 495 Hz moduliert, nachdem sie Schaltungen zur Phasenverschiebung -ul bzw. 62 aufgegeben wurden. Die

modulierten Sigtiale des ersten Systems werden einem Empfänger 63, wie er schon beschrieben worden ist, zugeführt, der die augenblickliche Lage des Werkzeugträgers bezüglich zweier vorgegebener Lagen, die dem Gitterstficri-Abstaiid des ersten Bezugsfitters, d.h. also einem Abstand von 10" ■' Zoll entsprechen, anzeigt. Die vom zweiten System abgegebenen modulierten Signale werden an einen Empfänger 64 angelegt, der in entsprechender Weise die augenblickliche Lage des Werkzeugträgers über einen dem Gitterstrichabstand des zweiten Bezugsgitters entsprechenden Abstand anzeigt. Die Differenz z-vischen diesen beiden Sätzen modulierter Signale stellt ein Maß für dte augenblickliche Lage des Werkzeugträgers in Einheiten eines Abstandes dar, der dem Kehrwert der Differenz von 1000 minus 990, d.h. also einem zehntel Zoll, entspricht.

Während der Bewegung des Werkzeugträgers erzeugen die beiden Modulationsfrequenzen von 500 und 4')5 Hz, wenn sie in einer Mischstufe 65 ge-■lischt werden, eine Schwebungsfrequenz von 5 Hz. die nach der Demodulation mit einem von einer Eichäuelle 66 abgegebenen Eich oder Steuersignal von * Hz verglichen werden kann, um aus dieser Schwebungsfrequenz und dem Steuersignal einen resultierenden Phasenwinkel zu ergeben. Dieser kann mit einem weiteren Empfänger 67 gemessen werden und kt ein Maß für die Lage des Werkzeugträgers bezüg-Mch einer vom Steuersignal geforderten augenblicklichen Lage. Das Steuersignal kann von einem Oszillator oder einem Bandgerät abgegeben werden, das die Bewegungen des Werkzeugträgers steuert. Dasselbe Prinzip kann auch dann angewandt werden, wenn die Lage des Werkzeugträgers bei stillstehendem Werkzeugträger vermessen werden soll, da die von den beiden Gittersystemen herrührenden Signale dieselbe Frequenz von 100 kHz wie die Lichtquelle aufweisen, wohingegen ihre Phasenwinkel ein Maß für die Lage des Werkzeugträgers sind. Das heißt, der Phasenwinkel des Signals des ersten Systems berüglich der Phase der Stromquelle für die Lichtquelle fet ein Maß für die Lage in Bruchteilen eines tausendstel Zolls. Gleichzeitig gibt der Phasenwinkel «wischen den Signalen des ersten und des zweiten Systems die Lage des Werkzeugträgers in Bruchteilen eines zehntel Zolls an. Auf diese Weise kann mit tiilfe zweiter Gitterstrich-Sätze, die üblicherweise auf einem gemeinsamen Glasstreifen als zweiteiliges Bezugsgitter angebracht sein können, ein Differenz-Signal erhalten werden, das einem die Phase anzeigenden Empfänger zugeführt wird, um die Größe des Meßbereiches durch Verkleinerung des Maßstabes um einen Faktor, der im beschriebenen Beispiel 100 beträgt, zu erweitern. Dasselbe Prinzip kann des weiteren dadurch angewandt werden, daß zusätzliche Gittersysteme hinzugefügt werden, die noch geringere Unterschiede im Gitterstrichabstand aufweisen als das erste Bezugsgitter, um weitere Differenzsignale zu erhalten, die rtiit dem ersten System von Signalen in Beziehung stehen, um so den Meßbereich beliebig zu Vergrößern, wobei für jedes System ein passeiidef Empfänger verwendet wird. Um irgendeinen Vorgang, wie beispielsweise einen Arbeitsgang einer Werkzeugmaschine zu steuern, können geeignete Informationen in Form von Schwebungsfrequenzen oder Phasendifferenzen enthaltenden Steuersignalen versvendet werden, die von einem geeigneten Geber, wie beispielsweise einem Tonband, mit einem Satz von Informationen erzeugt weiden können, wobei dieses Tonband mit einer mit der Periode der Lichtquelle bzw. der Lichtquellen gekoppelten Geschwindigkeit abläuft und auf dem Tonband das Steuerprogramm für den zu steuernden Vorgang aufgezeichnet ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der trfindungsgemäßen Einrichtung ist zur Messung von Winkelbewegungen ein Paar koaxialei ringförmiger Gitter vorgesehen, die an zwei gegeneinander \ erdrehbaren Körpern befestigt sind, um die Winkclbeziehung zwischen diesen beiden Körnern /u messen. Die Gitter können scheibenförmig sein oder die Form konzentrischer Kegelstümpfe" aufweisen und mit radial verlaufenden oder mehr oder weniger schief verlaufenden Gitterstrichen versehen sein, wobei das eine Gitter einen etwas geringeren Gitterstrich-Abstand als das andere aufweist um durch die Wirkung als Nonius einen Streifenabstand von Γ 2 Zoll bei einem mittleren Radius zu erzeugen. Eine Periode des Streifenabstandes ict in drei jeweils '/2 Zoll breite Elementarzonen eingeteilt (bei einem mittleren Radius), deren jede in radialer Richtung eine Ausdehnung von 1 Zoll hat. Ein Satz von Gitter"-stnehen ist geringfügig mehr geneigt als der andere, und zwar so, daß die Streifen eine derartige Richtung einnehmen daß eine Linie konstanter Beleuchtungsstarke durch einander gegenüberliegende Ecken einer jeden Elementarzone geht. Eine einzige, mit einem Kollimator versehene Lichtquelle beleuchtet die drei Elementarzonen im wesentlichen gleichmäßig v- einer Seite der beiden Gitter, und das aus diesen austretende Licht wird mittels dreier getrennter Zerstreuungslinsen auf drei Fotozellen konzentriert, die ..mit drei Elementen einer Schaltung zur Phasenverschiebung gekoppelt sind, wie dies bereits beschrieben worden ist, und das zusammengesetzte Ausgangssignal dieser Schaltung wird in einem pnasenempfmdlichen Empfänger mit dem Si<mal einer der Fotozellen verglichen. Die Winkellage oder eine Drehung eines Gitters gegenüber dem anderen wird dann durch diesen Empfänger genau angezeigt oder em entsprechendes Signal abgegeben, und zwar mit großer Genauigkeit in Bruchteilen des radialen Abstandes der Gitterstriche desjenigen Gitters, das als Bezugsgitter gilt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. ] 698 280

   1 2

   diesem radialen Verlauf gegenüber um einen kiel Patentansprüche; _nea Winkelbetrag geneigten' Güterstricheq, djf

   auf einer Kreisscheibe oder dem Mantel eine;

   1, Vorrichtung zur Bestimmung und Steuerung Kegelstumpfes angeordnet sind, vorgesehen sind

   der Lageänderung eines Objekts gegenüber einem 5 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5

   Bezugssystem unter Verwendung zweier einander dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eine!

   benachbarter, mit dem beweglichen Objekt bzw, Bezugssignals einer der Empfängerausgänge direk

   mit dem Bezugssystem verbundener Strichgitter auf den Übertrager geschaltet ist,

   oder magnetischer Gitter, deren Gitterstriche bei 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6

   ungleicher, einen Noniuseffekt ergebender Gitter- io dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung de; konstante parallel zueinander verlaufen oder bei Interferenzstreifenfeldes optische Gitter (3, 4, 29

   gleicher Gitterkonstante einen kleinen Winkel 30, 40, 41, 42, 55, 56, 57, 58) vorgesehen sine

   miteinander bilden und deren Zusammenwirken und die Empfänger (/4 bis E, 31, 43, 44, 45, 59

   ein periodisches System von Interferenzstreifen 60) in bekannter Weise ah fotoelektrische Emp-

   erzeugt, deren Verschiebung von photoelektri- 15 Fänger ausgestaltet sind.

   sehen oder Magnetfeld-Empfängern registriert, 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis ö als Maß für die Geschwindigkeit bzw. für den dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Betrag der Relativbewegung der beiden Objekte Interferenzstreifenfeldes magnetische Gitter vordient, dadurch gekennzeichnet, daß gesehen sind und die Empfänger in bekanntei Blenden oder mit entsprechend geometrischer 20 Weise als Magnetfeldempfänger ausgestaltet sind Formgebung in die Ebene der Interferenzstreifen
   eingebrachte photoclektrische oder Magnetfeld-Empfänger und mit diesen mehrere viereckig,

   rechteckig oder parallelogrammförmig ausgebildete Meßzonen z: ni Ausblenden eines Teiles des 25

   Interferenzstreifenfeldes vorgesehen sind, mit der Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestim-

   Maßgabe, daß die Interferenzstreifen parallel zu mung und Steuerung der Lageänderung eines Objekeiner Diagonalen der Meßzo.ien ^erlaufen und tes gegenüber einem Bezugssystem unter Verwendie Längen zweier parallel oder konzentrisch zu- dung zweier einander benachbarter, mit dem bewegeinander verlaufender Kanten der Meßzonen ein 30 liehen Objekt bzw. mit dem Bezugssystem verbunde-Drittel des entlang diesen Kanten gemessenen ner Strichgitter oder magnetischer Gitter, deren Abstandes zwischen zwei benachbarten Inter- Gitterstriche bei ungleicher, einen Noniuseffekt erferenzstreifen betragen, und daß den Meßzonen gebender Gitterkonstante parallel zueinander verlaueine entsprechende Anzahl von fotoelektrischen fen oder bei gleicher Gitterkonstante einen kleinen oder Magnetfeld-Empfängern (A bis E. 31. 43. 35 Winkel miteinander bilden und deren Zusammen-44. 45. 59. 60) zugeordnet ist, deren Ausgänge je wirken ein periodisches System von Interferenzstreiübcr eine eine der Lage des Interferenzstreifen- fen erzeugt, deren Verschiebung von fotoelektrischen feldes bezüglich der jeweiligen Meßzone entspre- oder Magnetfeld-Empfängern registriert, als Maß füi chende Phasenverschiebung bewirkende Phasen- d'.s Geschwindigkeit bzw. für den Betrag der Relativschiebereinheit (15. 16) auf einen Übertrager (14) 40 bewegung der beiden Objekte dient. Eine solche Vorgeschaltet sind, dem ein Phasenmeßgerät (21) zur richtung kann beispielsweise zur Bestimmung dei Auswertung der eingegebenen Vektorsumme Relativbewegung eines Werkzeugträgerschlittens in nadigeschaltet ist. der Schlittenführung einer Werkzeugmaschine odei
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch ge- zum Einleiten einer Steuerbewegung in Abhängigkeil kennzeichnet, daß die einzelnen Meßzonen von- 45 von einer derartigen Relativbewegung verwendel einander getrennt und so angeordnet sind, daß sie werden.

   sich in ihrer Gesamtheit über mehrere Perioden Eine bekannte Vorrichtung dieser Art weist drei

   des Interferenzstreifenmusters erstrecken. Lichtquellen auf. die von verschiedenen Phasen einei
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2. mehrphasigen Stromquelle gespeist werden. Da? dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von 50 Licht dieser Lichtquellen durchsetzt zwei Gitter, die gegenüber der Verschiehcricntung der Gitter ge- an gegeneinander verschiebbaren Körpern montier! neigten Intcrfcren/streifcn zwei unterschiedlich _sj_nc|, _und trifft auf eine Reihe von Fotozellen. Merer geteilte, um einen kleinen Winkel gegeneinander Ausgangssignale zu einem mehrphasigen Au* mgs· geneigte Gitter (3, 4) vorgesehen sind. signal zusammengesetzt werden, welches gcgcuübci
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, 55 der elektrischen Stromquelle um einen Winkel phadadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer senverschobeii ist, der proportional zur Verschiebung möglichst sinusförmigen Schwingungsform der der Interferenzstreifen und somit auch der beider Vöit den einzelnen Empfängern (A bis E, 31, 43, Körper gegeneinander ist. Die Phasenverschiebung 44, 45, 59, 60) abgegebenen amplitudenmoduliert kann hierbei dadurch in eine mechanische Bewegung ten Wecliselströfflsigtiüle eine etwa l»/o der Ge- 60 umgewandelt werden, daß der Stator einer mchrphasamtflächc jeder einzelnen Meßzone entsprechende sigen dynamoelektrischen Maschine mit der etektri-Fläche an auf der Diagonale in Streifenrichtung sehen Stromquelle und der Läufer dieser Maschine symmetrisch gelegenen Stellen der Meßzcmen ab- mit dem mehrphasigen Ausgangssignal der Fotozeller gedeckt ist. verbunden wird.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, 65 Eine indere bekannte Ausführungsform weist at üfirtl lrch gekenrizeiclmetj daß zur Messung von Stelle optischer magnetische Gitter auf, um magne-Winkelbewegungen zwoi ringförmige, koaxial an- tische Interferenzstreifen zu erzeugen, auf deren Vergeordnete Gitter mit radial verlaufenden bzw. Schiebung Luftspaite ansprechen, die von verschiede-