DE1266001B - Vorrichtung zur Erhoehung der Messgenauigkeit bei optisch-elektrischen Messeinrichtungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-1/15

C34150IXb/42d
20. Oktober 1964
11. April 1968

Es sind optisch-elektrische Meßeinrichtungen zum Ermitteln von Größe und Richtung eines relativen Bewegungsweges zweier zueinander beweglicher Bauteile bekannt, wobei das eine Bauteil mit einem optischen Strichmaßstab und das andere mit einer optischen Abtastvorrichtung verbunden ist. Bei den bekannten Meßeinrichtungen dieser Art umfaßt der Strichmaßstab parallele, lichtundurchlässige Striche je gleicher Breite, die voneinander durch gleich breite, lichtdurchlässige Fensterstreifen getrennt sind. Die Abtastvorrichtung umfaßt eine Durchleuchtungsvorrichtung, einen Ausschnitt eines Strichmaßstabes und eine Gruppe von mehreren Fotozellen. Der Strichmaßstabausschnitt der Abtastvorrichtung unterscheidet sich bezüglich der Strichteilung und/oder der örtlichen Orientierung der Striche geringfügig vom beweglichen Strichmaßstab. Bei der Durchleuchtung der sich überdeckenden Strichmaßstababschnitte entsteht ein Hell-Dunkel-Streifen-Moireebild, welches bei der Bewegung des Strichmaßstabes wandert und damit in jeder Fotozelle einen Fotozellenstrom entstehen läßt, dessen Stärke annähernd sinusförmig schwankt. Während sich der Strichmaßstab relativ zur Abtastvorrichtung um eine volle Strichmaßstabeinheit E, d.h. um eine volle Strichbreite und eine volle Fensterbreite, verschiebt, schwankt der Fotozellenstrom jeder Fotozelle um eine volle Sinusperiode. Die Abstände der Fotozellen sind dabei so gewählt, daß die Phasendifferenzen der Fotozellenströme benachbarter Fotozellen einander gleich sind. Es sind Meßvorrichtungen dieser Art mit drei und auch solche mit vier Fotozellen bekannt,

so daß also Fotostromsysteme mit 90° = -j- und

solche mit 120° = y Phasendifferenz entstehen. Es ist auch bekannt, aus nach der erläuterten Art gewonnenen Systemen von schwankenden Fotozellenströmen Drehstromsysteme oder Drehspannungssysteme mit je vier bzw. drei reinen Wechselströmen oder Wechselspannungen gleicher Amplituden zu erzeugen, die je gegeneinander gleiche Phasendifferenzen von 90 bzw. 120° haben. Dies geschieht mit Hilfe von Differenzschaltungen, die je eine der Zahl der Fotozellen entsprechende Zahl von Eingängen und Ausgängen aufweisen und dazu bestimmt sind, die gemeinsamen Anteile der Fotozellenströme zu unterdrücken .und die differentiellen Anteile zu verstärken. Bei Verschiebungen des Strichgittermaßstabes in der einen Richtung folgen sich dabei die an den Ausgängen der Differenzschaltung erzeugten Wechselströme bzw. Wechselspannungen in einer bestimmten Reihenfolge Vorrichtung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei optisch-elektrischen Meßeinrichtungen

Anmelder:

Contraves A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Rathmann

und Dipl.-Ing. R. Mertens, Patentanwälte,
6000 Frankfurt, Neue Mainzer Str. 40-42

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Elektro-Ing. Dr. Theo Stutz,
Zollikerberg (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 4. Dezember 1963 (14 895),
vom 22. September 1964 (12 285)

und bei Umkehrung der Bewegungsrichtung des Strichgittermaßstabes in der umgekehrten Reihenfolge. Bei bekannten Meßvorrichtungen zur Messung von Winkelverschiebungen zwischen relativ zueinander verdrehbaren Bauteilen wird z. B. eine runde Glasscheibe verwendet, die am Umfang einen regelmäßig geteilten Strichgitterring mit 50000 Strichen aufweist, so daß die den Fotozellenströmen der Fotozellen überlagerten Wechselströme pro 26 Bogensekunden eine volle Sinusschwankung ausführen.

Die Strichgitterperiode E wäre bei einem gestreckten Strichmaßstab gleicher Feinheit der Teilung 13,2 μ. Wesentlich feinere Unterteilungen von Strichmaßstäben bzw. Strichgitterringen sind nur mit sehr großem Mehraufwand realisierbar.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei optisch-elektrischen Meßeinrichtungen zum Ermitteln der Größe und Richtung zweier zueinander beweglicher Bauteile, von denen das eine mit einem optischen Strichmaßstab und das andere mit einer optischen Abtasteinrichtung verbunden ist und worin an die mehrere Fotozellen aufweisende, optische Abtasteinrichtung eine Differenzschaltung mit einer der Anzahl der Fotozellen entsprechenden Anzahl von Eingängen und Ausgängen angeschlossen ist.

Das Ziel der Erfindung liegt darin, aus dem in bekannter Weise am Ausgang der Differenzschaltung

809 538.221

geeigneter Vorwärts- und Rückwärtszählwerke die ermittelten Inkrementwerte vorzeichengerecht addieren, gegebenenfalls unter vorangehender Umwandlung in ein System mit zwei Binärsignalen mit Hilfe einer geeigneten logischen Zwischenschaltung.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit von optisch-elektrischen Meßeinrichtungen schematisch dargestellt.

Die Stufe M zeigt in vereinfachter Darstellungsweise eine bekannte optisch-elektrische Meßvorrichtung, bestehend aus einem in Richtung des Pfeiles X verschiebbaren Strichmaßstab 1 und aus einer feststehenden optisch-elektrischen Abtasteinrichtung be-

erzeugbaren drei- oder vierphasigen Wechselstromoder Wechselspannungssystem von Analoggrößen ein System von z. B. 5 oder 10 Binärsignalen abzuleiten, welches die Möglichkeit schafft, pro Einheitsperiode E jeder Wechselstrom- bzw. Wechselspannungskomponente an den Ausgängen der Differenzschaltung statt nur drei oder vier Zwischenwerte deren zehn oder zwanzig apparativ eindeutig unterscheidbar zu machen. An sich wäre es möglich, ein drei- oder vierphasiges System von Wechselströmen oder Wechselspannungen direkt in ein drei- oder vierphasiges Binärsignalsystem umzuwandeln, um darin sechs oder acht Zwischenwerte apparativ unterscheidbar zu machen. Die Erfindung strebt aber

eine feinere Unterteilung der Ableseperioden an, 15 kannter Art. Letztere umfaßt einen Abschnitt 2 eines ohne die Zahl der Fotozellen entsprechend vergrößern weiteren Strichmaßstabes, dessen Teilung entweder zu müssen. geringfügig verschieden ist von derjenigen des Strich-

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß von den maßstabes 1 oder dessen Striche etwas schräg zu Ausgängen der Differenzschaltung zu einer vor- denjenigen des Strichmaßstabes 1 orientiert sind. Zur bestimmten Anzahl von Polaritätsdiskriminatoren, 20 Beleuchtung der übereinanderliegenden Strichmaldie eine gewünschte, zur Unterteilung des Meßsignals stäbe 1 und 2 dient eine Beleuchtungsvorrichtung mit geeignete Anzahl von Binärsignalen mit gleichen einer Lampe 30 und einer Kondensorlinse 31. Ia gegenseitigen Phasenverschiebungen erzeugen, Wider- praktisch allen Fällen wird .man die Beleuehtungsstände in der Weise geschaltet sind, daß jeweils zwi- einrichtung unter statt über den beiden Strichmaß* sehen zwei Ausgängen der Differenzschaltung zur 25 stäben 1, 2 anordnen, um diese zu durchleuchten. In Bildung einer linearen Kombination von zwei Aus- beiden Fällen entsteht ein Moireebild mit Hellgangsgrößen der Differenzschaltung zwei in Reihe Dunkel-Streifen, die wandern, wenn der Strichmaßgeschaltete Widerstände liegen, die mit ihrem ge- stab 1 in Richtung des Pfeiles X verschoben wird. Zur meinsamen Verbindungspunkt am Eingang des be- Umwandlung der daraus resultierenden örtlichen treffenden, zugeordneten Polaritätsdiskriminators an- 30 Helligkeitsschwankungen dienen nach der Zeichnung geschlossen sind und daß dabei an jedem Polaritäts- drei Fotozellen 41,42,43, die in gleichen zum Moireediskriminator eine Wechselspannungsgröße der Form

₀ = P₁- U_bl + P₂-U₁

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bild passenden Abständen so angeordnet sind, daß die Wechselstromanteile der erzeugten Fotozellenströme bzw. -spannungen υ_Λ, U₁₁₂, U₀₃ zueinander um gleiche Phasenwinkel von je 120° bzw. um ein Drittel von Strichmaßstabperioden E phasenverschoben sind. Diese drei Fotozellenströme bzw. -spannungen L·?^, U_a2, U_a3 werden an die drei Eingänge einer Differenzschaltung D Kder Stufe JV angelegt, welche in bekannter

(P₁, P₂ = Koeffizienten) mit vorbestimmter Phasenlage zwischen den Phasen der beiden Komponenten (U_bl, U_b2) auftritt.

Die Erfindung nutzt dabei in der Stufe der Erzeugung von Wechselspannungsgrößen mit wählbaren 40 Weise dazu bestimmt und ausgebildet ist, die gemein-Phasenlagen zwischen zwei verfügbaren Wechsel- samen Gleichstromanteile der Fotozellenströme zu Spannungsgrößen mit gleichen Amplituden durch unterdrücken und die differentiellen Wechselstrom-Addition wählbarer Anteile dieser verfügbaren Wech- komponenten zu verstärken, derart, daß ein reines, selspannungsgrößen ein Prinzip aus, das an sich dreiphasiges Drehspannungssystem mit drei Wechselbekannt ist. Ebenso ist es an sich bekannt, mit Polari- 45 Spannungssignalen t/_M, IZ₆₂* U_b3 mit gleichen Amplitätsdiskriminatoren, z. B. mit bekannten Schmitt- tuden entsteht, deren gegenseitige Phasenverschie-Triggern, Wechselspannungsgrößen in Binärsignale , . _1Ληο, E , . ... _A .- j ■ u ■
umzuformen, deren Polaritäten in den Momenten ^bunS J^{e 12}° ^bzw· T *****&■ Aus diesem dreiphasigen der Nulldurchgänge der den Polaritätsdiskriminatoren Wechselspannungssystem wird nun durch Scottsdie zugeführten Wechselspannungsgrößen wechseln. Hin- 50 Schaltungen in der Stufe 0 ein System von fünf gegen ist eine gemäß der Erfindungskennzeichnung Wechselspannungen U_a, U_c2, U_c3, U^, U_c5 gleicher vorgeschlagene Umwandlung der bei optisch-elek- Amplituden und vorbestimmter, gegenseitiger Phatrischen Meßeinrichtungen bekannten, erläuterten senverschiebungen abgeleitet. Zu diesem Zweck sind Systeme von mehrphasigen Wechselstrommeßsignalen je zwischen zwei Ausgängen der Differenzschaltung an den Ausgängen der Differenzschaltung in ein 55 D V zwei in Reihe geschaltete Widerstände geschaltet, System mit einer Mehrzahl von Binärsignalen nicht an deren gemeinsamen Verbindungspunkt je eine bekannt. Es wird dadurch der große Vorteil erreicht, Spannung U_c entsteht, deren Phasenlage von den daß im erzeugten System von Binärsignalen eine Widerstandswerten und den Phasenlagen der Wechselder doppelten Anzahl von Binärsignalen entsprechende spannungen U_b an den beiden betreffenden Ausgängen Anzahl von Zwischenwerten einer Strichmaßstab- 60 der Differenzschaltung D V abhängen, an welchen die teilung E in einfacher Weise apparativ sicher unter- betreffenden Widerstände angeschlossen sind,
scheidbar werden, ohne daß Schwankungen der
Beleuchtungsstärke, örtliche Verunreinigungen des
Strichmaßstabes und die Alterung der Fotozellen
oder anderer Schaltungsbauelemente die Genauigkeit ⁶5
der Periodenunterteilung beeinträchtigen. 6 E

Aus dem erfindungsgemäß erzeugten System von mehreren Binärsignalen lassen sich durch Verwendung

Die in Stufe 0 eingetragenen Widerstandswerte sichern die Bildung von Wechselstromkomponenten

U_c mit den Phasenlagen 0,^ = 108°, ^ = 144°, -J-Q- — ^.._u , -jQ- = 252°, vorausgesetzt, daß die

Phasenlagen der verwendeten Wechselspannungen

U* + U_b3 die Werte 0, f = 120°, ~ = 240°, haben und die Eingangswiderstände der nachgeschalteten Schmitt-Trigger, auf welchen die Verbindungspunkte der Widerstände der Scottschen Schaltung liegen, in ihren Widerstandswerten sehr klein sind. Die genannten Scottschen Schaltungen addieren dabei einstellbare Anteile von je zwei verfügbaren Wechselspannungen U₆₁, U_b2, U_b3 mit gleichen Amplituden, gleicher Fre-

quenz und definierten Phasenlagen 0,120° = y, 240°

nach folgender Additionsgleichung:

= P₁- U_b

P₂ ■ U

_b2

wobei mit P₁, P₂ bestimmte Koeffizienten bezeichnet sind, welche grundsätzlich proportional zu den Kehrwerten der in der Scott-Schaltung verwendeten Widerstände sind. Da die Spannung U_c die Phase 0 haben soll, reduziert sich die entsprechende Scott-Schaltung auf nur einen Widerstand, dem die Spannung U₆₁ (0) zugeführt wird und der an die Eingangsklemme des Schmitt-Triggers ST₁ angeschlossen ist, d. h. der Wert des zweiten Widerstandes, dem z. B. die Spannung U_b2 zugeführt wird, hat den Wert oo, so daß der Wert des zweiten Koeffizienten 0 ist.

In der folgenden Stufe P des gezeichneten Schemas sind fünf Polaritätsdiskriminatoren, z. B. in Form bekannter Schmitt-Trigger, angeordnet, die je dazu bestimmt und ausgebildet sind, an ihren Ausgangsklemmen Binärsignale zu erzeugen, deren Zustände 0 oder L in den Momenten der Nulldurchgänge, d. h. der Polaritätswechsel je einer am Eingang angelegten Wechselspannung wechseln. Die verwendeten Schmitt-Trigger haben je zwei Ausgänge, an denen zueinander inverse, d. h. gegenphasige Binärsignale entstehen. Dem Schmitt-Trigger ST₁ wird die Wechselspannung U_cl mit der Phase 0 zugeführt. An der Ausgangsklemme Plus entsteht ein Binärsignal G, dessen Zustand in der Phase 0 von L auf 0 und in der Phase

180" = ^p von 0 auf L wechselt. An der Klemme

spannung U_c3 mit der Phase 252

7 £ 5 £ "¹E
ein Binärsignal J mit der Phase 72³ = tq jq- ⁼^(Γ·

Die Schmitt-Trigger ST₄. bzw. ST₅ erzeugen aus den ihnen zugeführten Wechselspannungen U_c4 (108° bzw. UrA 144° = -TK-1 an den Plus-Klemmen

. U_cS(l44° =

Binärsignale K mit der Phase 100° =
4£'

1Ä
10

der Phase 144= =

10

	N-E	+ 0.	E 1Λ	G	H	J	JC	L
	N-E	+ 1-	IU £ 10	1	0	0	0	0
	N-E	+ 2-	E 10	1	1	0	0	0
	N-E	+ 3-	£ 10	1	1	1	0	0
IO	N-E	+ 4-	£ 10	1	1	1	1	0
	N-E	+ 5·	£ 10	1	1	1	1	1
15	N-E	+ 6·	E To	0	1	1	1	1
	N-E	+ 7·	E 10	0	0	1	1	1
	N-E	+ 8·	£ 10	0	0	0	1	1
20	N-E	+ 9-	E TO	0	0	0	0	1
			0	0	0	0	0

Minus entsteht ein Signal G, das nicht benutzt wird. Dem Schmitt-Trigger ST₂ wird die Wechselspannung U_r2 mit der Phase 216° = ^ zugeführt. An seiner Ausgangsklemme Minus entsteht Binärsignal H gleicher Form und Periode wie das Binärsignal G, aber

mit einer Phasenverschiebung 36° = Tn ⁼ Ύλ f?f · _so

In gleicher Weise wird an der Ausgangsklemme Minus des Schmitt-Triggers ST₃, dem die Wechsel- (N = ganze Zahl).
25

Durch eine bestimmte Zustandskombination des fünfphasigen Binärsignalsystems am Ausgang der Stufe P wird also eindeutig eine bestimmte Zehntelperiode der ursprünglichen Meßsignale bestimmt.

Falls die durch das Meßsystem M gemessene Verschiebung der Bauteile in entgegengesetztem Sinn, also negativ erfolgt, erfolgen auch die Übergänge von einer Zustandskombination in die andere in umgekehrtem Sinn, d. h. in der Reihenfolge von unten nach oben, statt von oben nach unten. Ein derartiges fünfphasiges Binärsignalsystem läßt sich zur Auswertung mit Hilfe einer relativ einfachen logischen Schaltung z. B. in eine binär codierte Dezimaldarstellung umwandeln oder in anderer Form auswerten.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   7 E _r... .

   = -jq zugeführt

   bzw. L mit

   Aus der Gesamtheit der fünf Binärsignale G, H, J, K, L lassen sich pro Strichmaßstabperiode E zehn verschiedene Zustandskombinationen nach folgender Tabelle deutlich unterscheiden:

   Vorrichtung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei optisch-elektrischen Meßeinrichtungen zum Ermitteln von Größe und Richtung eines relativen Bewegungsweges zweier zueinander beweglicher Bauteile, von denen das eine mit einem optischen Strichmaßstab und das andere mit einer optischen Abtasteinrichtung verbunden ist und worin die mehrere Fotozellen aufweisende, optische Abtasteinrichtung an eine Differenzschaltung mit einer der Anzahl der Fotozellen entsprechenden Anzahl von Eingängen und Ausgängen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den Ausgängen der Differenzschaltung (DV) zu einer vorbestimmten Anzahl von Polaritätsdiskriminatoren (ST), die eine gewünschte, zur Unterteilung der Meßsignale geeignete Anzahl Binärsignale (G, H, J, K, L) mit gleichen gegenseitigen Phasenverschiebungen erzeugen, Widerstände in der Weise geschaltet sind, daß jeweils zwischen zwei Ausgängen der Differenzschaltung (DV) zur Bildung einer linearen Kombination (UE) von zwei Ausgangsgrößen (U_b) der Differenzschaltung zwei in Reihe geschaltete Widerstände liegen, die mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt am Eingang des betreffenden, zugeordneten PoIa-

   ritätsdiskriminators (ST) angeschlossen sind, und lage zwischen den Phasen der beiden Komponenten

   daß dabei an jedem Palaritätsdiskriminator eine (U _M, U_b2) auftritt.

   Wechselspannungsgröße der Form

   In Betracht gezogene Druckschriften: U₀ = P₁- U_bl + P₂ ■ U_h2 5 Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 177 353;

   österreichische Patentschrift Nr. 207 127; (Pi, P₂ = Koeffizienten) mit vorbestimmter Phasen- britische Patentschriften Nr. 818 981,914 190.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 538/221 4.68 © Bundesdruckerei Berlin