DE2436510C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines gegenüber einer Skala beweglichen Bauteils - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines gegenüber einer Skala beweglichen Bauteils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist bereits bekannt aus »Control Engineering«, Vol. 14, Nr. 2. Februar 1967, S. 93 bis 95. Als Abtastsystem ist dort eine Bildaufnahmeröhre vorgesehen, auf deren Schirm ein Maßstab aufgebracht ist. Bei der Abtastung mittels des Elektronenstrahls werden den Skalenstrichen des Maßstabs und den auf denselben projizierten Referenzzeichen entsprechende Impulse erzeugt, und durch Auszählung der bei Abtastung vom einen Skalenende bis zu einem Referenzzeichen auftretenden Impulse wird auf die Lage des Bauteils geschlossen. Der Betrieb einer Bildaufnahmeröhre ist recht aufwendig, und da die Abtastgeschwindigkeit durch Analogsignale und nicht unbedingt linear arbeitende Systeme bestimmt ist, können Variationen der Abtastgeschwindigkeit nur schwer vermieden werden, Deshalb wird bei der bekannten Vorrichtung die rein auf Zeitmessung aufgebaute Unterteilung des Abtastintervalls zur Erhöhung des Auflösungsvermögens in Frage gestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der eingangs genannten Vorrichtung zu Vereinfachen und zugleich die Meßgenauigkeit und -Sicherheit zu erhöhen. Dieses Ziel wird aufgrund der Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 erreicht Da also nun die Abtastung digital erfolgt, können die Abtastfrequenz und damit die Abtastgeschwindigkeit und Schließlich das erwähnte Abtastintervall mit einfachen Mitteln konstantgehalten werden. Da ferner der Ort der Abtastung stets digital bestimmt ist und elektroniscn festlegbar ist, kann von irgendeiner Stelle der Skala an gemessen werden, was die Vorrichtung und die Messung weiterhin vereinfacht

Es ist zwar auch bekannt, eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen elektronisch abzutasten, auf die die Skala eines beweglichen Maschinenelementes abgebildet ist (US 37 48 043). In diesem Falle entspricht ^odoch das Auflösungsvermögen der Skala derjenigen der durch die Reihe von lichtempfindlichen Elementen gebildeten Skala, und die Messung erfolgt nach einem Noniusprinzip, d. h„ zehn Skalenteile werden auf neun lichtempfindliche Elemente abgebildet Da hier eine ganz andere Anordnung und Meßmethode bezüglich der Interpolation vorliegt, war keine Anregung zur erfindungsgemäßen Lösung gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand einer beispielsweisen Zeichnung erläutert. Es zHgt

F i g. 1 eine optische Vorrichtung, die es gestattet, die Referenzzeichen auf die Halbleitervorrichtung zu projizieren.

Fig. 2 im einzelnen die Projektion der Referenzzeichen auf die Halbleitervorrichtung,

F i g. 3 ein Schema für die Analyse und Verarbeitung der Messung,

Fig.4 verschiedene, an verschiedenen Punkten des Schemas von F i g. 2 gemessene Impulsfolgen und

Fig. 5 mittels einer vergrößerten Darstellung der Abtastvorrichtung wie die gewünschte Genauigkeit erhalten wird.

In Fig. 1 erkennt man das Bau.i'l bzw. Stück 1, welches die Referenzzeichen 2 trägt, von welchen nur einige beleuchtet sind. Durch ein nicht näher bezeichnetes optisches System 3 werden zwei Zeichen 2 vergrößert auf die Halbleitervorrichtung 4 projiziert, welche die Skala bildet. Der Block 5 symbolisiert die elektronsiche Sch.illung zur Dechiffrierung der Messung und wird unten beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Halbleitervorrichtung 4 mit ihrem Fenster 6, hinter welchem in einer Linie lichtempfindliche Elemente 7 (Fotodioden, Fototransistoren usw.) angeordnet sind. Die auf diese Fläche der Vorrichtung 4 projizierten zwei Striche 2' ve^rdecken und verdunkeln einen Teil der lichtempfindlichen Elemente 7. Zwischen diesen zwei Strichen 2' befinden sich eine gewisse Anzahl Elemente 7. welche von der Vergrößerung des optischen Systems 3 abhängt. Es sei angenommen, daß diese Vergrößerung derart ist, daß sich zwischen den zwei projizierten Strichen 2' hundert Elemente befinden. Wenn also der Abstand zwischen zwei Referenzzeichen 2 auf dem Stück 1 ein Millimeter beträgt, so entspricht der Abstand zwischen zwei Elementen 7 auf der Vorrichtung 4 einem Hündertstelmillimeten

Das Schema von Fig.3 zeigt wie die Position eines Striches 2' auf der Vorrichtung 4 bestimmt wird, das heißt die genaue Position des Stückes 1.

Ein Pulsgenerator 8 erzeugt Impulse mit einer Frequenz von beispielsweise 10⁵ Hz, welche an ein UND-Tor 19 gelangen. Der Ausgang des Tores 19 ist an

einen Teiler 9 geschaltet, welcher die Frequenz durch zehn teilt um die Vorrichtung 4 Ober ihren Eingang 4a zu veranlassen, die lichtempfindlichen Elemente 7 abzutasten. Die Abtastfrequenz der Elemente 7 ist also zehnmal kleiner als die Pulsfrequenz am Ausgang des Generators 8. Der Ausgang des Tores 19 speist auch einen der Eingänge eines anderen UND-Tores 21, während der Ausgang des Teilers 9 auch einen programmierbaren Zähler 17 speist, welcher an eine Flip-Flop-Schaltung 18 zwei Arten von Impulsen abgeben kann, je nach seinem vorgewählten Zustand: entweder einen am Anfang des Zyklus und einen bei zwei Dritteln des Zyklus oder einen Impuls beim Drittel der Abtastung und einen anderen gerade vor dem Ende der Abtastung. Der Grund wird unten ersichtlich η werden. Der Ausgang der Vorrichtung 4, das heißt das Resultat der Abtastung gelangt an einen Verstärker 10, dessen Ausgang auf eine Umhüllungskurven-Detektoren-Schaltung 11 geschaltet ist Diese Umhüllungskurve gelangt dann an einen Schmitt-Trigger 12, dessen Ausgang über einen inverici i3 an einen der Eingänge eines UND-Tores 14 geschaltet ist. Der Ausgang des Tores 14jpeist eine Flip-Flop-Schaltung 15, deren Ausgang Q mit einem der Eingänge eines UND-Tores 22 verbunden ist Andererseits gibt der Ausgang 4£> der Vorrichtung am Ende jedes Abtastzyklus einen Impuls F ab, wobei dieser Impuls Fdazu dient, den Zähler 17, das Flip-Flop 18 und das Flip-Flop 15 durch ihre jeweiligen Eingänge RESET (R) auf die Nullstellung zu bringen. Dieser Impuls F dient auch dazu, die monostabile Schaltung 16 umzukippen, deren Ausgang über einen Inverter 20 den zweiten Eingang des Tores 19 steuert. Der Ausgang Q des Flip-Flop 18 steuert die zweiten Eingänge der Tore 14 und 21, während der Ausgang des letzteren an den zweiten Eingang des Tores 22 geschaltet ist.

Im folgenden wird die Schaltung der F i g. 3 mit Hilfe der Diagramme der F i g. 4 erläutert werden:

Die Impulse H am Ausgang des Tores 19 werden während einer gewissen Zeit r. die durch die monostabile Schaltung 16 bestimmt wird, unterbrochen, wobei die monostabile Schaltung 16 durch der. Impuls F am Schluß jedes Zyklus ausgelöst wird. Am Ausgang des Verstärkers 10 entspricht die Höhe jedes Impulses B dem Zustand eines Elementes 7. Befindet sich dieses in 4s einer hellen Zone, wird es bzw. der Verstärker 10 einen Impuls normier Höhe abgeben; befindet es sich in einer durch einen Strich 2' verdunkelten Zone, wird ein Impuls abgegeben, dessen Höhe eine Funktion der Verdunkelung ist (Zone AJ. Der Detektor 11 ermittelt w die Impulsumhüllende E der Impulse B, welche das genaue Bild des Beleuchtungsgrades der Vorrichtung 4 wiedergibt. Der Schmitt-Trigger 12 wandelt, bei K, den Impuls um und gibt den Ort des Striches 2' auf der Vorrichtung 4 als Impuls K' mit steilen Flanken an, v, welcher, durch das Tor 13 invertiert, das Diagramm C und den Impuls K' ergibt. Wenn der Zähler 17 auf solche Weise programmiert ist, daß er einen Impuls am Anfang und bei zwei Dritteln des Zyklus abgibt, wird er den Ausgang Q des Flip-Flop 18 zweimal umkippen, dieser ho Ausgang wird also durch die Tore 14 und 21 den ersten Teil der Abtastung wählen (Diagramm Q). Die Impulse H können das Tor 21 nur während dieses ersten Teils durchqueren. Andererseits wird der Ausgang Q, der am Ende des Zyklus durch den Impuls F auf den Eingang RESET (15 R) des Flip-Flop 15 in den Zustand »1« Versetzt worden War, bfci Ankunft des Impulses K' neuerdings in den Zustand »0« zurückfallen. Am Ausgang Sdes Tores 22 treten daher nur Impulse Hauf, die sich zwischen dem Anfang des Abiastzyklus unri dem ersten Strich 2' befinden. Dieses Resultat kann anschließend nach Belieben ausgewertet werden.

Es wurde festgestellt, daß der Abstand zwischen zwei Elementen 7 einem Hundertstelmillimeter entspricht, obwohl er in Wirklichkeit nicht diese Strecke darstellt, wobei diese Vergrößerung durch die Projektion von zwei Teilstrichen auf die Vorrichtung 4 erreicht wird. Die Pulsfrequenz H ist jedoch zehnmal größer als die Abtastfrequenz (Impulse R), welche zeitlich Hundertstelmillimetern entspricht Deshalb sind die Impulse H Tausendstelmillimetern zugeordnet Anders gesagt, man wandelt eine geometrische Länge in eine Zeidauer um, welche man anschließend dank genauen Frequenzbeziehungen nach Beilegen unterteilen kann. Wenn man die Impulse Ham Ausgang S des Tores 22 zählt erhält man eine gewisse Anzahl von Tausendstelmillimetern. Verrückt rran nun das Stück 1 etwas und zählt neuerdings die Impulse H, ergibt die ^r\Tferenz zwischen beiden Resultaten auf einen Taus-ndstclmillimctcr genau das Maß der Verschiebung des Stückes 1. Die erste Messung oder die erste Zählung der Impulse H ist eine Art Nullpunktsfestlegung, von dem aus die Verschiebung des Stückes 1 sehr exakt gemessen werden kann.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Fenster 6 breiter ist als der projizierte Abstand von zwei Teilstrichen, denn es muß immer mindestens ein Strich auf die Vorrichtung 4 projiziert sein. Wäre das Fenster 6 kleiner als der projizierte Abstand zwischen zwei Strichen, könnte es vorkommen, da J beide Teilstriche außerhalb des Fensters fallen würden Andererseits wird nur ein Strich für die Messung gebraucht: dazu definiert der programmierbare Zähler 17 (Fig. 3) mittels des Flip-Flop 18 zwei Bereiche des Abtastzyklus. wobei sich der eine vom Anfang bis zu zwei Dritteln des Zvkkis erstreckt (Impuls Q. F i g. 4) und der andere beim Drittel des Zyklus beginnt um knapp vor seinem Ende /11 enden (Impuls Q', Fig.4). Jeder dieser Bereiche h.n eine klei-.ere Ausdehnung als der Abstand de beiden projizierten Teilstriche, so daß keiner der Bereiche zugleich zwei Teilstriche beinhalten kann. Auf diese Weise kann man für die Messung nur einen Referenz-Strich 2' gebrauchen. In der F i g. 4, in den Diagrammen B, E und C erkennt man die Stelle L. respektive den Impuls L'am Ausgang des Inverters 13, der aber keinen Einfluß auf das Flip-Flop 15 hat, da der Ausgang des FIip-Flop18dasTor 14 schon geschlossen hat.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet nur die Position des Stückes für Abstände festzustellen, welche kleiner als der Abstand zwischen zwei Referenzstrichen sind, η diesem Beispiel daher nur Abstände von Tausendstel-, Hundertstel- und Zehntelmillimeter. Für größere Längen "lüßte man also zuers: mit einer anderen Vorrichtung zum Beispiel die Anzahl Zentimeter und die Anzahl Millimeter feststellen, bevor die erfindungsgemäße Vorrichtung wirksam werden kann.

Die Wahl dei Meßbereiches kann durch eine Auswertun^sschaltung 23 erfolgen, welche gestrichelt in F i g, 4 eingezeichnet ist und die gemäß dem Resultat am Ausgang F und dem Signal am Ausgang des Tores 20, welches den Anfang und das Ende des Zyklus anzeigt, über einen Steuereingang des Zählers 17 den geeigenten Bereich Q oder Q' wählen kann. In diesem Fall kann die Messung in zwei Schritten erfolgen, wobei zuerst eine Messung durchgeführt wird um den Bereich festzustellen und anschließend wird die eigentliche Messung

durchgeführt.

Man kann aber auch durch eine nicht dargestellte externe Vorrichtung dem Zähler 17 Angaben über die ungefähre Stellung des Referenzstriches 2' liefern, auf welchem die Messung durchgeführt werden soll, zum Deispiel mit einer Genauigkeit eines halben Millimeters. Die Fig.5 dient zur Erklärung wie eine Genauigkeit von einem μ erreicht werden kann, während man in der Tat nur eine theoretische, materielle Genauigkeit von einem Hundertstel zur Verfügung hat, das heißt die lichtempfindlichen Elemente 7 mit Abständen eines »vergrößerten« Hundertstel. Diese Figur zeigt in einem sehr stark vergrößerten Maßstab die linke Kante eines Referenzstriches, weicher auf die Elemente 7 projiziert wird, das heißt auf die Elemente 7\, T₂, 7₃,7₄ und 7$. Das Element 7| erhält noch das volle Licht, und da der Übergang vom Licht zum Dunkel sich über mehrere Elemente erstreckt, ergibt sich eine Impulsumhüllende E am Orte K, wie sie in der Fig.5 in ihrem absteigenden Teil dargestellt ist. Die gestrichelte Linie A zeigt an, bei welchem Niveau der Schmitt-Trigger 12 kippen wird, der den Impuls K' liefern wird, welcher ebenfalls dargestellt ist. Daraus folgt, daß der Schmitt-Trigger

genau den Ort definiert, wo sich die »Kante« des Referenzstriches 2' befindet, obwohl diese Kante auf optischem Wege nur auf einige Hundertstelmillimeter genau definiert werden kann.

Es ist klar, daß die Anzahl der Elemente 7 zwischen zwei Referenzstrichen 2' eine andere sein kann als hundert und der Teiler 9 kann ebenfalls einen anderen Teilungsfaktof aufweisen, welches verschiedene Ge^ riauigkeitsgrade erlaubt.

Die Referenzstriche 2 können sich auch auf einem Stück 1, welches zum Beispiel zylindrisch, gerade oder eine andere geeignete Form für die Messung aufweist befinden, es kann sich also um eine Längenmessung oder um eine Winkelmessung handeln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

O Λ ein Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines gegenüber einer Skala beweglichen Bauteils, das mit einem durch Referenzzeichen gebildeten Maßstab konstanter Teilung verbunden ist, bei der die Referenzzeichen optisch vergrößert auf die Skala abgebildet werden, diese Skala ebenfalls eine konstante Teilung aufweist und mit einem elektrooptischen Abtastsystem derart gekoppelt ist, daß durch Abtastung die Zahl von Skalenteilen der Skala bis zu einem abgebildeten Referenzzeichen ermittelbar ist und die Lage der abgebildeten Referenzzeichen zwischen benachbarten Skalenteilen der Skala elektronisch durch Zeitunterteilung des Abtastintervalls interpolierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Abtastsystem gekoppelte Skala aus einer Reihe von lichtempfindlichen Halbleitereit-iTienten (7) besteht, welche Elemente mit einer digitalen Elektronik abtastbar sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator (8) zur Zeitunterteilung Impulse mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der Abtastfrequenz der Halbleiterelemente (7) beträgt, abgibt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein programmierbarer Zähler (17) mittel einer Flip-Flop-Schaltung (18) zwei Meßbereiche (Q, <?';definiert

4. Vorrich'ung gemäß Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsumhüllenden-Detektor (11) an den Ausgang dts Abtastsystems (4) geschaltet ist, und daß ein Jurch den Ausgang des Detektors (11) gesteuerter Trigger (12) die Kante eines auf die von den Halbleiterelementen (17) gebildeten Skala projizierten Referenzzeichens (2') definiert.