Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtelektrisches Längen- und Winkelmessgerät.
Solche Geräte dienen der Messung der linearen Position eines Objektes, beispielsweise eines Maschinenteiles im Verhältnis zu einem anderen Maschinenteil, und werden bisher insbesondere in automatisch arbeitenden Fertigungsmaschinen eingesetzt.
Bekannte lichtelektrische Längenmessgeräte machen sich das photoelektrische Messprinzip zunutze. Hierzu wird ein Glasmassstab mit einer Gitterteilung, die aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Zwischenräumen mit einem Strich-Lücke-Verhältnis von 1:1 besteht, in Kontakt mit der gleichartigen Teilung einer Abtastplatte gebracht, wobei die Teilstriche etwa parallel zueinander ausgerichtet sind. Verschiebt man diese beiden Teilungsmuster gegeneinander, entstehen, mit Hilfe einer der Abtastplatte zugeordneten Lichtquelle, periodische Helligkeitsschwankungen, die durch photoelektrische Sensoren in entsprechende elektrische Signale umsetzbar sind. Von einem Nullpunkt ausgehend, kann nun anhand der Anzahl der Helligkeitsschwankungen die augenblickliche Position der Abtastplatte entlang dem Glasmassstab errechnet werden.
Nachteilig hieran ist, dass beim Einschalten des Gerätes die Position nicht ohne lineare Suchbewegungen sofort feststellbar ist, da das Gerät ja von einem Nullpunkt aus erst die Helligkeitsschwankungen abzählen muss. Um diesem Nachteil zu begegnen, wurde schliesslich ein Positionsspeicher vorgesehen. Wenn aber, absichtlich oder unabsichtlich, bei ausgeschaltetem Längenmessgerät die Position verändert wird, führt das unweigerlich zu Fehlmessungen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Längen- und Winkelmessgerät zu schaffen, mit welchem sichergestellt ist, dass beim Einschalten sofort und fehlerfrei die richtige Position gemessen wird, und welches insbesondere dort, wo kleine Messbereiche vorkommen, vielfältig verwendbar ist.
Das erfindungsgemässe Längenmessgerät entspricht dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
Dieses Gerät ist insbesondere für solche Anwendungsbereiche gedacht, wo kleine lineare Bewegungen von wenigen Zentimetern und die entsprechenden Positionen mit höchstmöglicher Präzision festgestellt werden müssen.
Gemäss den Ansprüchen 2 und 3 wird in dem Gerät vorzugsweise ein Bildsensor bzw. ein linearer CCD-Bildsensor verwendet.
Bildsensore werden beispielsweise in Fernsehkameras verwendet und bestehen aus einer Fläche von lichtempfindlichen Elementen, d.h. aus einer Mehrzahl von reihenweise angeordneten lichtempfindlichen Elementen. Lineare CCD-Bildsensore wurden für Telefaxgeräte entwickelt und gelangen dort zusammen mit einem Linsensystem zur Anwendung. Sie bestehen im wesentlichen aus bild- bzw. lichtempfindlichen Elementen, welche in einer einzigen Reihe stehen. Die Lichtenergie, die auf diese Elemente trifft, wird proportional zur Lichtintensität in elektrische Signale umgewandelt. Hierbei geht es darum, durch die linienweise Abtastung der zu übertragenden Schriftstücke oder Zeichnungen, die auf diesen Linien befindlichen hellen Punkte, d.h. das Papier, und die dunklen Punkte, d.h. die Schrift, in elektrische Signale umgesetzt durch die Telefonleitung zu übermitteln.
Beim Empfangsgerät werden dann die hellen und die dunklen Punkte im selben Verhältnis wieder durch eine Druckeinrichtung zu Papier gebracht.
Im erfindungsgemässen Gerät wird nun ein CCD-Bildsensor auf dem völlig anderen Gebiet der Längenmessung bzw. der Winkelmessung eingesetzt. Dieser Sensor muss zu diesem Zweck in geeigneter Weise zusammen mit einer Lichtquelle kombiniert werden. Schliesslich wird eine entsprechende Auswertungseinrichtung benötigt.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel des Gerätes, welches insbesondere für die Längenmessung geeignet ist,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Gerät nach Fig. 1 entlang der Linie I-I,
Fig. 3 zeigt das Blockschema der Auswertungseinrichtung,
Fig. 4 zeigt schematisch das zweite Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, welche insbesondere für die Winkelmessung gedacht ist, und
Fig. 6 zeigt, wie die Messung gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 in zwei Achsen erfolgen kann.
Das Gerät nach Fig. 1 und 2 weist eine Schiene 1 mit U-förmigem Querschnitt auf, welche vorzugsweise aus Metall besteht. An der Innenseite des einen U-Schenkels ist ein linearer CCD-Bildsensor 2 angeordnet, während an der Innenseite des gegenüberliegenden U-Schenkels eine Lichtquelle 3 vorgesehen ist. Entlang der offenen Seite des U-Querschnitts der Schiene 1 ist ein Schlitten 4 verschieblich gelagert. Die Schiene 1 und der Schlitten 4 sind also gegeneinander verschiebbar. An der Unterseite dieses Schlittens 4 ist ein in den U-Querschnitt der Schiene 1 hineinragender Steg 5 aus lichtundurchlässigem Material befestigt. Dieser Steg 5 reicht so nahe wie möglich an den Boden der U-förmigen Schiene 1.
Das Licht der Lichtquelle 3 leuchtet auf den linearen CCD-Bildsensor 2. Wird der Schlitten 4 in den Bereich von Lichtquelle und Sensor verschoben, so deckt der Steg 5 des Schlittens 4 das Licht ab, so dass ein Schatten auf den linearen CCD-Bildsensor 2 geworfen wird. Indem gemessen wird, an welchem Punkt bzw. an welchem lichtempfindlichen Element des CCD-Bildsensors 2 das Licht aufhört und der Schatten beginnt, kann genau die Position des Schlittens 4 im Verhältnis zur Schiene 1 ermittelt werden.
Ein linearer CCD-Bildsensor weist je Zentimeter Länge ungefähr 1350 lichtempfindliche Elemente auf. In der Auswertungseinrichtung lässt sich also ermitteln, bei welchem dieser 1350 Elemente sich der Steg 5 bzw. der Schlitten 4 gerade befindet. Es ist darüberhinaus jedoch technisch möglich, auch innerhalb eines solchen Elements den Messbereich weiter zu unterteilen. Denkbar ist hier eine nochmalige über zweihundertfache Feinunterteilung je Element. Aus diesen Angaben ist ersichtlich, dass das erfindungsgemässe Gerät mit einer aussergewöhnlich grossen Genauigkeit arbeitet und sich deshalb vorzüglich dafür eignet, in Vorrichtungen eingebaut zu werden, in denen es auf sehr hohe Präzision ankommt.
In Fig. 3 ist das Blockschema der Auswertungseinrichtung dargestellt. Das von der Lichtquelle 3 ausgehende Licht wird vom linearen CCD-Bildsensor 2 in elektrische Signale umgewandelt. Bei 6 wird das Messsignal zum Steuersignal bzw. das analoge Signal zum digitalen Signal. Mit 7 ist der Speicher zur Speicherung der Messwerte und mit 8 der Rechner bezeichnet. Durch eine mit einem Zähler 10 verbundene Zeitablaufsteuerung 9 ist sichergestellt, dass der Messvorgang kontinuierlich wiederholt wird. Die jeweilige Position wird also in sehr kurzen Zeitabständen immer wieder neu ausgemessen bzw. errechnet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 trifft der gebündelte Lichtstrahl aus der Lichtquelle 11 auf einen Punkt 12 des Bildsensors 2. Die Lichtquelle 11 ist hier dabei längsverschieblich gelagert. Als Lichtquelle 11 wird vorzugsweise eine einen Laserstrahl erzeugende Lichtquelle verwendet. Die Position der Lichtquelle 11 im Verhältnis zur Reihe lichtempfindlicher Elemente des Bildsensors 2 ist feststellbar durch Messen, an welchem dieser Reihe von Elementen sich der Lichtpunkt 12 befindet.
Wie in Fig. 5 gezeigt, lässt sich die Ausführung nach Fig. 4 dergestalt abändern, dass die Lichtquelle 11 gegenüber dem Bildsensor 2 ortsfest pendelartig schwenkbar gelagert ist. Dadurch ist der Lichtpunkt 12 über die Reihe von lichtempfindlichen Elementen bewegbar. Je nachdem, wo der Lichtpunkt 12 auftrifft, lässt sich in der Auswertungseinrichtung der Winkel des Lichtstrahles zur Fläche 13 errechnen. Indem also der Winkel, in welchem der Bildsensor 2 und die Lichtquelle 11 zueinander stehen, feststellbar ist, dient diese Ausführung zur exakten Messung von Winkeln.
Durch Verwendung eines flächigen Bildsensors 2 ist es, wie in Fig. 6 angedeutet, darüberhinaus möglich, die Winkelmessung in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen durchzuführen. Bei genau waagrechter Position trifft der dann genau senkrecht ankommende Lichtstrahl auf einen Punkt 12, der sich in der Mitte der Fläche 13 von lichtempfindlichen Elementen des Bildsensors 2 befindet.
Bei Veränderung des Winkels in einer der beiden Achsen wird sich der Lichtpunkt 12 entlang dieser Achse auf der Fläche 13 verschieben. Wird der Winkel gleichzeitig in beiden Achsen verändert, wird sich der Lichtpunkt 12 auf einen dem Zusammenwirken dieser beiden Winkel entsprechenden Punkt der Fläche 13 hinbewegen.
Die Messung der Position des Lichtstrahles in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen ist selbstverständlich auch nach dem längsverschieblichen System nach Fig. 4 möglich.
The present invention relates to a photoelectric length and angle measuring device.
Such devices are used to measure the linear position of an object, for example a machine part in relation to another machine part, and have so far been used in particular in automatically working production machines.
Known photoelectric length measuring devices make use of the photoelectric measuring principle. For this purpose, a glass scale with a grid graduation, which consists of opaque and translucent spaces with a line-gap ratio of 1: 1, is brought into contact with the similar division of a scanning plate, the graduation lines being aligned approximately parallel to one another. If these two division patterns are shifted against each other, periodic brightness fluctuations occur with the aid of a light source assigned to the scanning plate, which fluctuations can be converted into corresponding electrical signals by photoelectric sensors. Starting from a zero point, the current position of the scanning plate along the glass scale can now be calculated on the basis of the number of brightness fluctuations.
The disadvantage of this is that when the device is switched on, the position cannot be determined immediately without linear search movements, since the device must first count the fluctuations in brightness from a zero point. In order to counter this disadvantage, a position memory was finally provided. However, if the position is changed, intentionally or unintentionally, with the length measuring device switched off, this will inevitably lead to incorrect measurements.
The present invention aims to provide a length and angle measuring device with which it is ensured that the correct position is measured immediately and without errors when switched on, and which can be used in a variety of ways, particularly where small measuring ranges occur.
The length measuring device according to the invention corresponds to the characterizing part of patent claim 1.
This device is particularly intended for those areas of application where small linear movements of a few centimeters and the corresponding positions must be determined with the greatest possible precision.
According to claims 2 and 3, an image sensor or a linear CCD image sensor is preferably used in the device.
Image sensors are used, for example, in television cameras and consist of an area of photosensitive elements, i.e. a plurality of photosensitive elements arranged in rows. Linear CCD image sensors were developed for fax machines and are used there together with a lens system. They consist essentially of image- or light-sensitive elements, which are in a single row. The light energy that strikes these elements is converted into electrical signals in proportion to the light intensity. This involves, by scanning the documents or drawings to be transferred line by line, the bright points on these lines, i.e. the paper, and the dark spots, i.e. to transmit the writing, converted into electrical signals through the telephone line.
At the receiving device, the light and dark points are then put back on paper in the same ratio by means of a printing device.
In the device according to the invention, a CCD image sensor is now used in the completely different field of length measurement or angle measurement. For this purpose, this sensor must be suitably combined with a light source. Finally, an appropriate evaluation device is required.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail below with reference to the drawing.
1 shows a top view of the first embodiment of the device, which is particularly suitable for length measurement,
Fig. 2 shows a section through the device of Fig. 1 along the line I-I,
3 shows the block diagram of the evaluation device,
4 schematically shows the second embodiment,
FIG. 5 shows a variant of the exemplary embodiment according to FIG. 4, which is intended in particular for the angle measurement, and
FIG. 6 shows how the measurement according to the exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5 can take place in two axes.
1 and 2 has a rail 1 with a U-shaped cross section, which is preferably made of metal. A linear CCD image sensor 2 is arranged on the inside of one U-leg, while a light source 3 is provided on the inside of the opposite U-leg. A slide 4 is slidably mounted along the open side of the U cross section of the rail 1. The rail 1 and the carriage 4 can thus be moved relative to one another. On the underside of this slide 4, a web 5 made of opaque material and projecting into the U-cross section of the rail 1 is fastened. This web 5 extends as close as possible to the bottom of the U-shaped rail 1.
The light from the light source 3 shines on the linear CCD image sensor 2. If the slide 4 is moved into the area of the light source and sensor, the web 5 of the slide 4 covers the light, so that a shadow on the linear CCD image sensor 2 is thrown. By measuring at which point or at which light-sensitive element of the CCD image sensor 2 the light stops and the shadow begins, the position of the slide 4 in relation to the rail 1 can be determined exactly.
A linear CCD image sensor has approximately 1350 light-sensitive elements per centimeter in length. In the evaluation device, it is therefore possible to determine which of these 1350 elements the web 5 or the slide 4 is currently at. However, it is also technically possible to further subdivide the measuring range within such an element. Another two-hundredfold subdivision per element is conceivable here. From this information it can be seen that the device according to the invention operates with an extraordinarily high level of accuracy and is therefore particularly suitable for being installed in devices in which very high precision is important.
3 shows the block diagram of the evaluation device. The light coming from the light source 3 is converted into electrical signals by the linear CCD image sensor 2. At 6, the measurement signal becomes the control signal and the analog signal becomes the digital signal. 7 denotes the memory for storing the measured values and 8 the computer. A time control 9 connected to a counter 10 ensures that the measuring process is repeated continuously. The respective position is therefore measured and recalculated again and again in very short time intervals.
In the second exemplary embodiment according to FIG. 4, the bundled light beam from the light source 11 hits a point 12 of the image sensor 2. The light source 11 is mounted here in a longitudinally displaceable manner. A light source generating a laser beam is preferably used as the light source 11. The position of the light source 11 in relation to the row of light-sensitive elements of the image sensor 2 can be determined by measuring at which row of elements the light point 12 is located.
As shown in FIG. 5, the embodiment according to FIG. 4 can be modified such that the light source 11 is pivotally mounted in a pendulum-like manner relative to the image sensor 2. As a result, the light point 12 can be moved over the row of light-sensitive elements. Depending on where the light point 12 strikes, the angle of the light beam to the surface 13 can be calculated in the evaluation device. Since the angle at which the image sensor 2 and the light source 11 are relative to one another can be determined, this embodiment serves for the exact measurement of angles.
By using a flat image sensor 2, it is also possible, as indicated in FIG. 6, to carry out the angle measurement in two axes perpendicular to one another. When the position is exactly horizontal, the light beam arriving exactly vertically hits a point 12 which is located in the middle of the surface 13 of light-sensitive elements of the image sensor 2.
If the angle changes in one of the two axes, the light spot 12 will shift along this axis on the surface 13. If the angle is changed simultaneously in both axes, the light point 12 will move towards a point on the surface 13 corresponding to the interaction of these two angles.
The measurement of the position of the light beam in two axes perpendicular to one another is of course also possible according to the longitudinally displaceable system according to FIG. 4.