DE2203418B2

DE2203418B2 - Stellungsgeber

Info

Publication number: DE2203418B2
Application number: DE2203418A
Authority: DE
Inventors: Norman R. Sanford; Juris Vikmanis
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-25
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2203418A1; FR2124824A5; CA936964A; GB1368204A; US3713139A

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellungsgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Steüungsgeber ist in der AT 2 48 717

beschrieben. Bei ihm ist der Inhalt der zweiten Anzeigefelder eindeutig und unveränderlich der Feinstellung der Strichgitter gegeneinander zugeordnet, d.h. der Phasenlage innerhalb eines Periodizitätsintervalls. Dtf-ch die vorliegende Erfindung soll ein Stellungsgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß die zweiten Anzeigefelder auf einen gewünschten Ausgangswert gesetzt werden können.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1

berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im Kennzeichen des

Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen. Bei dem erfindungsgemäßen Stellungsgeber wird die

is Phasenlage des durch die Strichgitteranordnung erzeugten Streifenmusters innerhalb des raumfesten Periodizitätsintervalls in ein entsprechendes digitales Signal umgesetzt Dieses digitale Signal läßt sich dann in . . einer Rechenschaltung modifizieren, welche einen Speicher für den jeweiligen, zum Erhalten des gewünschten Ausgangswertes der zweiten Anzeigefelder erforderlichen Korrekturwert und einen Addierkreis zum Hinzufügen des Korrekturwertes zum momentanen digitalen Ausgangssignal der dem Phasen teiler nachgeschalteten Kodierschaltung aufweist Da mit der gewünschte Ausgangswert für die zweiten Anzeigefelder direkt an der Eingabeeinheit eingestellt werden kann, ist der Subtrahierkreis vorgesehen, der aus dem eingestellten gewünschten Ausgangswert für die zweiten Anzeigefelder und aus dem der Ausgangsstellung der Strichgitteranordnung entsprechenden iiiüi'neiiiänci'i Aüsgäiigssigilai der Kodierschaitung den Korrekturwert berechnet Man kann bei dem erfindungsgemäßen Steiiungsge ber also den gewünschten Ausgangswert für die zweiten Anzeigefelder einfach an der Eingabeeinheit eingeben uiiu braucht SiCn UiTi die iTiüilieniäfie FeinSieiiütlg der Gitter innerhalb eines Periodizitätsintervalls nicht zu kümmern. Man kann also auf einfache Weise den

Nullpunkt für eine Stellungsmessung auch durch das

ganze Periodizitätsintervall verschieben, ohne an der

Strichgitteranordnung irgendwelche Justierarbeiten

vorzunehmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt Fig. IA und Fig. IB einen Stellungsgeber mit

so voreinstellbarem Ausgangswert für die der Feinstellung zugeordneten Anzeigefelder, und

F i g. 2 eine graphische Darstellung der am Ausgang eines Phasenteilers des Stellungsgebers erhaltenen Signale.

Ein in den F i g. 1A und 1B dargestellter Stellungsgeber 10 weist ein feststehendes, reflektierendes Strichgitter 11, welches auf dem Support einer Maschine angebracht werden kann, und ein zweites Strichgitter 12 auf, welches auf einem Meßkopf 13 fixiert ist Dieser ist bezüglich des Strichgitters 11 präzise geführt

Das Strichgitter U ist mit einer äußeren, reflektierenden Fläche versehen, auf welcher mehrere Gitterlinien 14 parallel zueinander und unter gleichem Abstand vorgesehen sind. Das Strichgitter 12 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material und ist in gleicher Weise mit mehreren Gitterlinien 15 an der Außenfläche versehen, d.h. an der Fläche, welche dem Strichgitter 11 gegenüberliegt Auch die Gitterünien 15 sind parallel

und unter gleichem Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Gitterlinien 15 dem Abstand zwischen den Gitterlinien 14 des Strichgitters 11 entspricht Der Zwischenraum zwischen den Gitterlinien 15 ist durchsichtig, so daß Licht ohne weiteres hindurchtreten kann. Die Gitterlinien 15 des Strichgitters 12 erzeugen zusammen mit den Gitterlinien 14 des Strichgitters 11 ein periodisches Moire-Streifenmuster.

Der Meßhopf 13 ist mit einer Lichtquelle 16 und mit einer Kollimatorlinse 17 ausgestattet; Lichtquelle und Linse richten zusammen, Licht durch das Strichgitter 12 auf das Strichgitter 11. Wenn das Strichgitter 12 das Strichgitter 11 so überdeckt, daß die Gitterlinien 15 um einen kleinen Winkel bezüglich der Gitterlinien 14 verkippt sind, entsteht ein Moire-Streifenmuster. Wenn das Strichgitter 12 in Längsrichtung des Strichgitters 11 bewegt wird, verlagert sich das Moire-Streifenmuster kontinuierlich in seitlicher Richtung, wobei uie Richtung der Verlagerung von der Bewegungsrichtung des Strichgitters 12 abhängt Das Streifenmuster stellt eine periodische Verteilung der Lichtintensität in der Richtung der Bewegung dar, wobei die Anzahl der Perioden vom Winkel zwischen den beiden Gittern abhängt, während sie die Lichtintensität im Periodizitätsintervall in etwa sinusförmig ändert Der korrekte Winkel zwischen den Gitterlinien 14 und 15 ist derjenige, welcher zu jedem Zeitpunkt nur einen HeIl- und einen Dunkelstreifen im Meßbereich des Meßkopfcs 13 ergibt

Das Strichgitter 12 ist verstellbar am Meßkopf 13 befestigt, so daß die Gitteriinien 15 einstellbar sind; entsprechend ist der Winkel zwischen den Gitteriinien i4 und 15 einstellbar. Der Meßkopf 13 ist mit vier fotoelektrischen Wandlern 21,22,23 und 24 ausgestattet Diese sind so angeordnet, daß sie an vier Punkten auf das sich bewegende Streifenmuster gerichtet sind. Die Ausgangsspannungen der fotoelektrischen Wandler 21—24 sind proportional zur Lichtintensität an ihrem Ort Die Ausgangsspannungen ändern sich bei Verschieben des Strichgitters 12 im wesentlichen sinusförmig und sind infolge der Plazierung der fotoelektrischen Wandler 21—24 gegeneinander phasenverschoben und haben eine Phasenlage von 0°, 90°, !80° bzw. 270°, wie dies an der durch Bezugsnummer 25 in Fig. IA bezeichneten Stelle angedeutet ist

Die vier Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandler 21 —24 werden unter Verwendung zweier Differenzverstärker 26 und 27 paarweise zusammengefaßt Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandler 21 und 23 (Phasenlage 0° bzw. 180°) werden am Differenzverstärker 26 angelegt, während die Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandler 22 und 24 (Phasenlage 90° bzw. 270°) am Differenzverstärker 27 angelegt werden. Man verhindert so weitgehend Fehler infolge geringer Ungenauigkeiten in der Gitterteilung. Auch eingestreute elektrische Störsignale werden eliminiert, da Differenzverstärker mit einer hohen Gleichtaktsignalunterdrückung arbeiten. Aus den Ausgangssignalen der Differenzverstärker wird die Strecke bestimmt, um welche das Strichgitter 12 von einem Bezugspunkt auf dem Strichgitter U bewegt wurde. Diese Ausgangssignale dienen auch zur Bestimmung der Bewegungsrichtung.

Der Stellungsgeber 10 ist mit einem elektrischen Interpolator 30 versehen, welcher in Fig. IA durch gestrichelte Linien wiedergegeben ist. Der Interpolator 30 erhält die sinusförmigen Ausgangssignale der Differenzverstärker 26 und 27, Der Interpolator 30 abreitet mit einem aus Widerständen aufgebauten Phasenteiler 31, welcher zehn sinusförmige Signale mit der bei 32 dargestellten Wellenform erzeugt Die zehn Signale sind um 36° zueinander versetzt und stehen auf mit 0°, 36^e, 72°, 108° etc. bis 324° bezeichneten Leitungen. Jedes der sinusförmigen Signale wird an einen Nulldurchgangsdetektor 33, ζ B. einen Schmitt-Trigger angelegt Man erhält so aus den sinusförmigen ίο Eingangssignalen rechteckmodulierte Signale, welche schematisch bei 34 und genauer in Fig.2 dargestellt sind.

Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung werden die Ausgangssignale des Interpolators 30 mit der Phasenlage 0", 36°, 72°, 108° bzw. 144° kurz durch die Buchstaben A, B, Q D bzw. E bezeichnet Ähnlich sind die Ausgangssignale mit der Phasenlage 180°, 216°, 252°, 288° bzw. 324° mit den Buchstaben X Ή, C I) bzw. £ bezeichnet

Die Ausgangssignale des Interpolators werden an eine Steuerschaltung 35 (F i g. IB) angelegt Diese dient zur Impulsformung und zum Ermitteln der Bewegungsrichtung. Die Ausgänge der Steuerschaltung 35 sind über Leitungen 36 und 37 mit einem Auf/Abzähler 40 verbunden. Wenn das Strichgitter 12 bezüglich des Strichgitters 11 in der einen Richtung bewegt wird, liegt das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers 21 (Phasenlage 0°) vor dem sinusförmigen Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers 22 (Phasenlage 90°). Die bei einer solchen Bewegung in der Steuerschaltung 35 erzeugten Impulse 41 gelangen über die Leitung 36 auf die Aufwärtszähiklemme des Auf/Abzählers 40. Erfolgt die Bewegung des Streichgitters 12 in entgegengesetzter Richtung, so liegt das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers 21 hinter dem Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers 22. Die hierbei in der Steuerschaltung 35 erzeugten Impulse 42 gelangen über die Leitung 37 auf die Abwärtszählklemme des Auf/Abwärtszählers 40.

Der Auf/Abzähler 40 ist mit einer digitalen Anzeigeeinheit 43 verbunden. Erste Anzeigefelder 44 der Anzeigeeinheit 43 sind für die Anzeige der Grobstellung vorgesehen. Bei Verwendung von Strichgittern U und 12 mit vierzig Strichen pro Millimeter wird eine Auflösung der Grobstellung von ±0,025 mm ohne weiteres erzielt

In den meisten Anwendungsfällen eines Stellungsgebers, so an Werkzeugmaschinen oder in Meßgeräten ist aber eine höhere Auflösung erforderlich. Bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel sind zur Anzeige der Feinstellung zweite, hintere Anzeigefelder 45 der Anzeigeeinheit 43 vorgesehen, welche in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Interpolators 30 gesetzt werden. Letztere hängen nur von der Stellung des Strichgitters 12 in einem Periodizitätsintervall ab. Die Feinstellung wird also auch dann noch richtig angezeigt, wenn die Stromversorgung des Stellungsgebers abgeschaltet wird. Die Grobstellung geht dagegen beim Abschalten der Stromversorgung mit dem Inhalt des Auf/Abzählers 40 verloren.

Eine binäre Kodierschaltung 46 setzt jede der möglichen Ausgangssignalkombinationen des Interpolators 30 in ein zugeordnetes binäres Signal um. Sind beispielsweise die Ausgangssignale A, B, C, D und falle hochpegelig, so wird dieser Kombination gemäß dem in F i g. 2 gezeigten Kodierschema die Zahl + 3 zugeordnet; vgl. die schraffierte Fläche 47 von Fig.2. Einer Kombination, bei welcher die Ausgangssignale A. B. C

D und Έ alle hochpegelig sind, wird dagegen die Zahl +1 zugeordnet usw. Diese Zahlen könnten direkt auf den Anzeigefeldern 45 der Anzeigeeinheit 43 dargestellt werden. Zur Voreinstellung der Anzeigefelder 45 ist aber eine entsprechende Schaltung 50 zwischen den Anzeigefeldern 45 der Anzeigeeinheit 43 und der Kodierschaitung 46 angeordnet

Die Schaltung 50 weist einen Schaltkreis 51 auf, welcher das 2er Komplement des Ausgangssignals der Kodierschaitung 46 bereitstellt, welches die entsprechende negative Zahl darstellt

Die Voreinstellung einer gewünschten Zahl auf den Anzeigefeldern 45 erfolgt Ober eine Einstellradanordnuiig 52 ir.ii zugehörigen elektrischen Bauteilen. Diese gibt ein präzises, digitales Voreinstellsignal 53 ab.

Der Einstellradanordnung 52 ist ein Schaltkreis 54 nachgeschaltet, der das 10er-Komplement des Voreinstellsignals bildet, wenn dieses eine negative Zahl darstellt Dies ist deshalb erforderlich, weil die Ausgangssignale der Kodierschaltung 46, wie aus F i g. 2 ersichtlich, nicht symmetrisch zum Nullpunkt, d. h. bezüglich der Enden eines Periodizitätsintervalls sind, über das IGer-KompIement werden voreinzustellende negative Zahlen der positiven Zahlenfolgen gemäß F i g. 2 angepraßt

Ein Addierkreis 55 ist eingangsseitig mit dem Schaltkreis 54 und dem Schaltkreis 51 verbunden und bildet so die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Kodierschaltung 46 und dem Voreinstellsignal. Das so erhaltene Korrektursignal wird in einem Speicher 56 gespeichert Ein Signal 57 aktiviert jeweils den Speicher 56 zum Einlesen eines neuen Korrektursignals. Das Korrektursignal stellt bestimmungsgemäß die Zahl dar, welche zu dem bei der Ausgangsstellung der Stnchgitter erhaltenen Ausgangssignal der Kodierschaltung 46 addiert die jeweilige gewünschte Voreinstellung der Anzeigefelder 45 ergibt Der Speicher 56 stellt das einmal ermittelte Korrektursignal so lange bereit bis eine neue Voreinstellung durch die Einstellradanordnung 52 vorgenommen wird und ein Signal 57 das Übernehmen eines neuen Korrektursignals in den Speicher veranlaßt

Um die Arbeitsweise der zur Voreinstellung dienenden Schaltung 50 zu veranschaulichen sei zum Beispiel angenommen, daß eine Voreinstellung der Anzeigefelder 45 auf die Zahl +5 gewünscht wird, während das angetroffene Ausgangssignal der Kodierschaltung 46 +3 ist Dann erhält der eine Eingang des Addierkreises 55 die Zahl +5, sein zweiter Eingang die Zahl —3 dargestellt als 2er-Komplement der Zahl +3. +5 + (-3) ergibt +2, und dieser Korrekturwert wird am Ausgang des Addierkreises 55 erhalten und in den Speicher 56 übernommen.

Ein weiterer Addierkreis 61 addiert den Korrekturwert im Speicher 56 zum Ausgangssignal der Kodier-

schaltung 46, welches ihm über eine Leitung 62 zugestellt wird. Das Ausgangssignal des Addierkreises 61 steht auf einer Leitung 64. Das Signal auf der Leitung 64 kann aber auch größer als 9 oder negativ werden. Um dem Rechnung zu tragen, ist ein Subtrahierkreis S5 vorgesehen, der die Zahl 10 von einem Signal größer als

9 subtrahiert während ein Addierkreis 66 vorgesehen

ist um die Zahl 10 zu einem negativen Signal

hinzuzuaddieren.

Die Steuerschaltung 35 enthält nicht näher gezeigte

Schaltkreise, welche die Ausgangssignale des Interpolators 30 und das im Speicher 56 gespeicherte Korrektursignal dazuverwenden, um zu bestimmen, auf welcher Seite des Nullpunktes das Strichgitter 12 bezüglich des Strichgitters 11 steht Das Korrektursi gnal im Speicher 56 wird über eine Leitung 56Λ der Steuerschaltung 35 übermittelt

Die Steuerschaltung 35 weist einen Schaltungsteil 35.4 zum Ändern des Vorzeichens auf. Wenn die Relativstellung der Gitter die Nullstellung (Fig.2) passiert wird entweder auf die Bereitstellung von Impulse 41 oder auf die Bereitstellung von Impulsen 42 umgeschaltet So ist gewährleistet, daß der Auf/Abzähler 40 richtig aufwärts oder abwärts zählt Eine steuerbarer Schaltkreis 67 erzeugt dann das 10er-Komplement des am Ausgang des Addierkreises 66 erhaltenen Signals, wenn das vom Schaltungsteil 35Λ über eine Leitung 70 abgegebene Vorzeichensignal negativ ist Der Ausgang des Schaltkreises 67 ist mit einem Dekodierer 73 verbunden, welcher das Signal vom binären System auf das Dezimalsystem umstellt Das dekodierte Signal wird über eine Leitung 74 an die Anzeigefeider 45 der Anzeigeeinheit 43 angelegt und dort als Zahl wiedergegeben. Das Vorzeichensignal auf der Leitung 70 wird über eine Leitung 75 an ein Vorzeichenanzeigefeld 75Λ der Anzeigeeinheit 43 angelegt und als Plus- oder Minus-Zeichen dargestellt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stellungsgeber mit zwei gegeneinander bewegbaren Strichgittern, einer lichtquelle und mehreren photoelektrischen Wandlern, welche das eine Gitter über das andere Gitter abtasten und Ausgangssignale erzeugen, mit einem den Wandlern nachgeschalteten Phäsenteiler, mit einer mit dem Ausgang des letzteren verbundenen Kodierschaltung, mit einem Auf/Abzähler, dessen Zählklemmen mit dem Phasenteiler verbunden sind, und mit einer voreinstellbaren Anzeigeeinheit, die dem Inhalt des Auf/Abzählers zugeordnete erste Anzeigefelder und dem Ausgangssignal der Kodierschaltung zugeordnete zweite Anzeigefelder für die Feineinstellung hat, gekennzeichnet durch eine zwischen der Kocäerschaltung (46) und der Anzeigeeinheit (43) angeordnete Schaltung (50) zum wahlweisen Voreinstellen des Ausgangswertes für die zweiten Anzeigefelder (45), welche aufweist: einen Subtrahierkreis (51, 55), der eingangsseitig mit einer einstellbaren Eingabeeinheit (52) und mit den Ausgängen der Kodierschaltung (46) verbunden ist, einen beim Voreinstellen zum Einlesen des am Ausgang des Subtrahierkreises (51, 55) bereitstehenden Signals aktivierbaren Speicher (56) und einen Addierkreis (61), der eingangsseitig mit dem Speicher (56) und dem Ausgang der Kodierschaltung (46) verbunden ist und ausgangsseitig mit den zweiten Anzeigefeldern (45) verbunden ist

2. Sieliungsgebef nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Subirahierkreis (65), der zwischen den Addierkreis (όί) und die zweiten Anzeigefelder (45) geschaltet ist und von der vom Addierkreis bereitgestellten Zahl die Zahl Zehn abzieht, weiiii die Zäh! größer als Neuil ist

3. Stellungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Addierkreis (66), der zwischen den Addierkreis (61) und die zweiten Anzeigefelder (45) geschaltet ist und zu der vom Addierkreis bereitgestellten Zahl die Zahl Zehn hinzuzählt, wenn die Zahl kleiner als Null ist

4. Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Subtrahierkreis aus einem das Komplement des Ausgangssignals der Kodierschaltung (46) bildenden Kreis (51) und einem weiteren Addierkreis (55) besteht.

5. Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabeeinheit einen Kreis (54) aufweist, der das Komplement des eingegebenen Korrekturwerts berechnet, wenn der Korrekturwert negativ ist

6. Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis

5, mit einer Steuerschaltung für den Auf/Abzähler, deren Eingang mit dem Phasenteiler verbunden ist und die einen Richtungsdiskriminator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Speichers (56) zugleich auch mit einem weiteren Eingang der Steuerschaltung (35, 35A) verbunden ist