Einrichtung zur Ermittlung der relativen Lage zwischen zwei Teilen in einem Gerät, insbesondere für einen Kinotheodoliten
Es ist an sich bekannt, die Lage von Teilungsträgern durch Abzählen der Anzahl der zwischen der Ablesestelle und der Null- bzw. Bezugsmarke liegenden Teilungsmarkierungen festzustellen, wobei sich solche Einrichtungen vornehmlich zur Ermittlung der Lage und gegebenenfalls zur Steuerung eines mit einem Teilungsträger versehenen Maschinenteils oder dergleichen eingeführt haben. Die Teilungsmarken werden hierzu zumeist durch relativ gegen den Teilungsträger bewegte Einrichtungen photoelektrisch gezählt und cim Falle magnetischer Teilungsträger durch entsprechende elektromagnetische Einrichtungen abgetastet.
Es ist nun bei derartigen Einrichtungen evident, dass diese von sich aus nicht zu entscheiden vermögen, aus welcher Richtung sich die Teilungsmarkierungen den Abtastvorrichtungen nähern, so dass also bei einer Vorzeichenumkehr der Relativbewegung der gegeneinander bewegten Einrichtungsbestandteile zunächst sämtliche Teilungsmarken mit dem gleichen Vorzeichen erfasst werden.
Es sind deshalb auch bereits Zähleinrichtungen vorgeschlagen worden, die die bewegungsrichtige Zählung der Teilungsmarken zulassen. Hierzu wurde im wesentlichen empfohlen, die Form der Teilungsmarken so auszubilden, dass ihr Vorbeigang an einer Zählvorrichtung einen elektrischen Impuls auslöst, dessen Flankensteilheit sich beim Wechsel des Vorzeichens der Relativbewegung ändert. Wenngleich derartige Einrichtungen die richtungsrichtige Zählung der Teilungsmarken erlauben, so sind diese jedoch nur in den Fällen betriebssicher verwendbar, bei denen die Bewegungen weitgehend gleichförmig verlaufen; denn es ist einzusehen, dass die Form der Zählimpulse von der Relativgeschwindigkeit der Marken gegen die Abtastvorrichtungen abhängt und somit vielfach nicht konstant ist.
Praktisch ist dieser Fall tatsächlich häufig der bedeutsamere. Bei Zielverfolgungsgeräten, beispielsweise nach Art eines Kinotheodolits, erfolgen die Bewegungen häufig zögernd, schleichend und mit abrupt wechselndem Vorzeichen, so dass also der erläuterte Weg nicht mit Erfolg zur Anzeige und, oder Registrierung der Höhen- und Seitenwinkeiwerte dieses Instrumentes herangezogen werden kann.
Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zu schaffen, welche die geschilderten Nachteile nicht aufweist und dennoch die richtungsrichtige Zählung der Teilungsmarken gestattet. Erfindungsgemäss ist eine Einrichtung zur Ermittlung der relativen Lage zwischen zwei Teilen in einem Gerät, insbesondere einem um seine Achse beweglichen, auf einem Träger aufgebrachten Teilkreis für Zielverfolgungsinstrumente nach Art eines Kinotheodolits und einem Ableseindex, bei welcher Einrichtung die Anzahl der an einer Ablesestelle entlang gelaufenen Teilungsmarkierungen eines Teilungsträgers ein Mass für diese relative Lage ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur elektrischen, magnetischen oder optischelektrischen Abtastung aller oder eines Teiles der Teilungsmarkierungen des Teilungsträgers derart,
dass am Ausgang der Abtastvorrichtung den Teilungsmarken zugeordnete elektrische Impulse entstehen, durch Mittel zum Erzeugen einer zur zu messenden Relativbewegung zusätzlichen Relativbewegung zwischen der Abtast vornichtung und dem Teilungsträger, durch einen Impulsgeber zur Erzeugung einer mit der zusätzlichen Relativbewegung synchronisierten elektrischen Impulsfolge und durch Mittel zum ständigen oder abschnittweisen Vergleich der von der Abtastvornichtung und vom Impulsgeber erzeugten Impulsfolgen.
Es soll hier betont werden, dass die Erfindung nicht auf die Abtastung bzw. Abzählung der heute allgemein geläufigen gläsernen Teilungsträger beschränkt ist, sondern dass sie vielmehr auch mit Erfolg zur Abtastung jeder beliebigen Teilung, beispielsweise also auch zur Abtastung von sogenannten magnetischen Teilungen, bei denen die Teilungsintervalle durch Materialien unterschiedlicher magnetischer Permeabilität gegeben sind, angewendet werden kann.
Die Erfindung soll an Hand eines einfachen, in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es sei angenommen, dass die verschiedenen Höhenwinkelwerte eines Kinotheodolits richtungsrichtig an Hand einer Kreisteilung zählend verfolgt, das heisst gemessen oder registriert werden sollen, wobei es zunächst gleichgültig ist, auf welchem Wege die Registrierung erfolgt. Es soll weiter angenommen werden, dass die Anzahl der Teilungsmarkierungen, die der Winkelverstellung entsprechen, als ein direktes Mass für den Winkel angesehen wird.
Im Schaubild nach Fig. 1 sind die Teilungsmarkierungen eines Teilungsträgers, beispielsweise eines gläsernen Höhenteilkreises eines Instrumentes, als dunkle Striche auf hellem Grund angebracht. Die Teilung des Teilungsträgers 1 möge so fein sein, dass die mit ihm erfassbaren Bewegungen kleiner als die zulässige Messtoleranz sind.
Die Teilungsträger 1 ist mittels einer Nabe 2 auf der horizontal verlaufenden Achse 3 des Kinotheodolits gelagert und mit der Achse der Höhenwinkelanzeigescheibe des Instrumentes verbunden. Der Kreisteilung des Teilungsträgers 1 ist eine Vergleichsteilung 4 zugeordnet, die ortsfest in bezug auf die Teilung des Teilungsträgers 1 gelagert ist. Die Teilungen beider Teilungsträger werden durch eine ständig gegen beide Teilungsträger bewegte Abtastvorrichtung 5 so abgetastet, dass an den Ausgängen der Abtastvorrichtung 5 elektrische Impulse zur Verfügung stehen, die den Teilungsmarkierungen beider Teilungsträger zugeordnet sind. Hierzu wird die Abtastvorrichtung 5 durch Drehung einer Welle 6, beispielsweise unter Verwendung eines Gleichstrommotors, ständig gedreht.
In der Fig. 2 ist die gesamte Anordnung etwas ergänzt noch einmal im Schnitt und kleinerem Massstab dargestellt. Es bezeichnen 1 und 4 die Teilungsträger mit den einander zugeordneten Kreisteilungen, 3 die horizontale Achse des Kinotheodolits, die mit der Nabe 3' des Teilungsträgers 1 fest verbunden ist.
Durch die hohle Achse 3 ist die Welle 6 hindurchgeführt, welche die Abtastvorrichtung 5 ständig gegen beide Kreisteilungen der Teilungsträger 1 und 4 bewegt. Der Teilkreis 4 ruht mit seiner Nabe 4' an einem ortsfest verbleibenden Gerätebestandteil 7. Die Welle 6 ist durch den Teilungsträger 4 hindurchgreifend gelagert und trägt an ihrem Ende eine Vorrichtung 8, an deren Ausgängen 9 und 10 die von den Abtastvorrichtungen 5' und 5" der Vorrichtung 5 erzeugten Impulse zur Verfügung stehen.
Die Abtastvorrichtung 5 besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 10, die die Teilungsmarkierungen der Teilungsträger 1 und 4 in der Umgebung einer Teilungsmarkierung dieser Teilungsträger homogen ausleuchtet, und zwei lichtempfindlichen Elementen 11 und 12, die beim Vorbeigang entsprechender Teilungsmarkierungen der Teilungsträger 1 und 4 die elektrischen Zählimpulse erzeugen. Die Darstellung ist wie ersichtlich nur schematisch zu verstehen. Die Welle 6 wird durch einen Motor 13 angetrieben.
Die Funktion der Einrichtung ist die folgende:
Es werde zunächst angenommen, dass die abzulesende Teilung des Teilungsträgers 1 mit ihrer Nullmarke eine Stellung einnimmt, die einem Ableseindex 14 entspricht. Die Abtastvorrichtung 5 wird nun durch den Motor 13 relativ gegen die Teilungen an den Teilungsträgern 1 und 4 mit nicht zu geringer Geschwindigkeit verdreht. Die Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung 5 muss nicht notwendig konstant sein.
Die Vorrichtung 5 tastet nun alle Teilungsmarken beider Teilungen bei ihrem Umlauf um die Achse 6 nacheinander ab, wobei an jedem der beiden lichtempfindlichen Elemente 11 und 12 eine gleiche Anzahl von Zählimpulsen auftritt. Die Differenz der an den Ausgängen 9 und 10 der Abtastvorrichtungen zur Verfügung stehenden Impulsfolgen ist also Null.
Wird der Teilungsträger 1 nun entsprechend den verschiedenen Höhenwinkeln des Kinotheodolits verdreht, so werden an der Abtastvorrichtung 11 entsprechend der Bewegung des Teilungsträgers 1 mehr Impulse erzeugt als an der Abtastvorrichtung 12.
Die Differenz beider Zahlen repräsentiert den Wert der Verdrehung des Teilungsträgers 1.
In der Fig. 3 ist eine einfache Vorrichtung zur Ermittlung dieser Differenz schematisch dargestellt.
Es bezeichnen 9 und 10 die Ausgangsklemmen der Vorrichtung 8, an denen die Zählimpulse zur Verfügung stehen. Die den Teilungsträgern 1 und 4 zugeordneten Impulsfolgen werden je einem Schrittschaltwerk 15 und 16 zugeführt, die einzeln eine Welle 17 bzw. 18 drehen und die ihrerseits auf das mechanische Differential 19 einwirken. Die Differenz der Drehung der Wellen 17 und 18 wird vom Differential 19 auf ein beispielsweise mechanisches Zählwerk 20 übertragen und gegebenenfalls durch eine Registriereinrichtung 21 dokumentiert.
Es ist einzusehen, dass dieser mechanische Weg nicht der einzig mögliche zur Erfassung der Differenz ist, vielmehr lässt sich die Erfindung mit praktischen Vorteilen auch auf dem Wege über elektronische Einrichtungen, beispielsweise also über ein elektronisches Differential, verwirklichen. In jedem Fall jedoch ist es auf dem beschriebenen Wege möglich, die Kreisteilung des Teilungsträgers 1 richtungsrichtig abzuzählen, wobei es an sich gleichgültig ist, ob die Differenzbildung zwischen den Impuls anzahlen der Vorrichtung 11 und 12 laufend oder abschnittweise erfolgt. Für Kinotheodolite beispielsweise kann man sich mit der abschnittweisen Differenzbildung be gnügen, da die mit dem Kinotheodolit vorgenommenen Zielbildregistrierungen auch abschnittweise erfolgen.
Hierzu kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass die Impuls anzahlen der Vorrichtungen 11 und 12 gesondert gezählt und erst in dem Augenblick voneinander subtrahiert werden, in dem man sich für die Differenz interessiert. Um die Kapazität der Zählwerke nicht zu überlasten, kann die Differenzbildung auch periodisch erfolgen.
Es sei hier bemerkt, dass die Abtastung der Kreisteilung des Teilungsträgers 1 nicht davon abhängig ist, mit welcher Geschwindigkeit sich die Abtastvorrichtung 5 gegen die Teilungsträger bewegt, auch muss die Bewegung durchaus nicht gleichförmig sein, sondern es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass die Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung 5 grösser oder mindestens gleich der schnellsten Bewegung des Teilkreises auf dem Teilungsträger 1 ist. Zweckmässig wählt man die Geschwindigkeit der Vorrichtung 5 höher, um die eingangs erwähnte schleichende Impulsgebung zu vermeiden.
Unabhängig davon kann die Erfindung nicht nur bei Kreisteilungen anwendbar sein, sondern auch auf lineare Massstäbe ausgedehnt werden; es sind einige Variationsmöglichkeiten über das geschilderte Ausführungsbeispiel hinaus möglich. So können die beiden Teilungsträger 1 und 4 ständig ortsfest verbleiben, wobei die Abtastvorrichtung 5 in zwei Teile zerlegt wird, von denen jeder eine Teilung gesondert abtastet und beide synchron um die Teilung auf den Teilungsträgern 1 und 4 deren Teilungsmarken abtastend umlaufen. Die messende Höhenwinkelbewegung des Kinotheodolits wird dann der Bewegung einer der beiden Abtastvorrichtungen überlagert.
Auch kann das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bzw. sein lineares Analogon lin der Weise umgekehrt werden, dass die Kreisteilungen auf den Teilungsträgern 1 und 4 ständig synchron gegen die Abtastvorrichtung 5 bewegt werden. Die Abtastvorrichtung 5 ist dann wieder in zwei Teile zu zerlegen. Der eine Teil bleibt ortsfest, während der andere Teil entsprechend der zu messenden Verdrehung beweglich ist.
Aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 geht hervor, dass die Teilungen auf den Teilungsträgern 1 und 4 identische Teilungen sein müssen. Es wird deshalb vorgeschlagen, solche Teilungen zu verwenden, die Kopien einer Mutterteilung sind oder die auseinander durch photographische Reproduktion hervorgegangen sind. Man kann sich auch von der eingangs erwähnten Voraussetzung frei machen, dass die verwendeten Teilungen eine möglichst feine Unterteilung aufweisen müssen. Hierzu werden neben der bisher vorgesehenen einen Abtastvorrichtung weitere Ab tastvorrichtungen gegeneinander örtlich versetzt am Teilungsträger vorgesehen, die Impulse erzeugen, die zeitlich untereinander nicht koinzidieren, und zwar derart, dass die Impulse der zusätzlichen Vorrichtun gen den Impulsabstand der durch die erste Vorrich tung erzeugten Impulse weiter unterteilen.
Auch ist die Erfindung nicht an die bisher vorgesehene mechanische Form einer Vergleichsteilung gebunden. Diese kann vielmehr durch einen Impulsgenerator ersetzt werden, der synchron mit der Bewegung der Abtastvorrichtung 5, die die Teilung auf den Teilungsträger 1 abtastet, entsprechende Impulse erzeugt.
Es ist einzusehen, dass die Anwendung der erìn- dungsgemässen Einrichtung nicht auf die Verwendung in Kinotheodoliten und dergleichen beschränkt ist, vielmehr kann sie überall dort mit Erfolg eingesetzt werden, wo es sich entweder um die Anzeige der Lage eines beweglichen Teiles oder aber auch um die Steuerung dieses Elementes handelt.
Device for determining the relative position between two parts in a device, in particular for a cinema theodolite
It is known per se to determine the position of graduation carriers by counting the number of graduation marks lying between the reading point and the zero or reference mark, such devices primarily for determining the position and, if necessary, for controlling a machine part or the like provided with a graduation carrier have introduced. For this purpose, the graduation marks are usually counted photoelectrically by devices moved relatively against the graduation carrier and, in the case of magnetic graduation carriers, scanned by appropriate electromagnetic devices.
With such devices it is evident that they are unable to decide on their own initiative from which direction the graduation marks approach the scanning devices, so that when the sign of the relative movement of the device components moved against each other is reversed, all graduation marks are initially recorded with the same sign.
For this reason, counting devices have already been proposed which allow the graduation marks to be counted with the correct movement. To this end, it was essentially recommended to design the shape of the graduation marks in such a way that their passage past a counting device triggers an electrical pulse whose edge steepness changes when the sign of the relative movement changes. Although such devices allow the correct direction counting of the graduation marks, they can only be used reliably in those cases in which the movements are largely uniform; because it can be seen that the form of the counting pulses depends on the relative speed of the marks against the scanning devices and is therefore often not constant.
In practice, this case is actually often the more significant. In target tracking devices, for example in the manner of a cinema theodolit, the movements are often hesitant, creeping and with an abruptly changing sign, so that the route explained cannot be used successfully to display and / or register the elevation and lateral angle values of this instrument.
The present invention was therefore based on the object of creating a device which does not have the disadvantages outlined and yet allows the correct directional counting of the graduation marks. According to the invention, a device for determining the relative position between two parts in a device, in particular a movable circle around its axis, applied to a carrier for target tracking instruments in the manner of a cinema theodolite and a reading index, in which device the number of graduation markings run along a reading point of a graduation carrier is a measure for this relative position, characterized by a device for electrical, magnetic or optical-electrical scanning of all or part of the graduation markings of the graduation carrier in such a way that
that at the output of the scanning device the graduation marks associated with electrical impulses arise, by means for generating an additional relative movement to the relative movement to be measured between the scanning device and the graduation carrier, by a pulse generator for generating an electrical pulse sequence synchronized with the additional relative movement and by means for constant or section-by-section comparison of the pulse trains generated by the scanning device and the pulse generator.
It should be emphasized here that the invention is not limited to the scanning or counting of the glass graduation carriers commonly used today, but rather that it can also be used successfully for scanning any desired graduation, for example also for scanning so-called magnetic gradations in which the intervals given by materials of different magnetic permeability can be used.
The invention is to be explained in more detail using a simple exemplary embodiment shown in the accompanying drawing. It is assumed that the various elevation angle values of a cinema theodolite are tracked counting in the correct direction on the basis of a circle division, that is to say they are to be measured or registered, it initially being irrelevant in which way the registration takes place. It should also be assumed that the number of division marks that correspond to the angular adjustment is viewed as a direct measure of the angle.
In the diagram according to FIG. 1, the graduation markings of a graduation carrier, for example a glass partial vertical circle of an instrument, are applied as dark lines on a light background. The division of the graduation carrier 1 may be so fine that the movements that can be detected with it are smaller than the permissible measurement tolerance.
The graduation carrier 1 is mounted on the horizontally extending axis 3 of the Kinotheodolit by means of a hub 2 and is connected to the axis of the elevation angle display disk of the instrument. The circular division of the graduation carrier 1 is assigned a comparative graduation 4, which is mounted in a stationary manner with respect to the division of the graduation carrier 1. The graduations of both graduation carriers are scanned by a scanning device 5 which is constantly moving against both graduation carriers so that electrical pulses are available at the outputs of the scanning device 5 that are assigned to the graduation markings of both graduation carriers. For this purpose, the scanning device 5 is continuously rotated by rotating a shaft 6, for example using a direct current motor.
In Fig. 2, the entire arrangement is shown somewhat supplemented again in section and on a smaller scale. 1 and 4 designate the graduation carriers with the circular divisions assigned to one another, 3 the horizontal axis of the cinema theodolite, which is firmly connected to the hub 3 'of the graduation carrier 1.
The shaft 6, which constantly moves the scanning device 5 against both circular divisions of the graduation carriers 1 and 4, is passed through the hollow axis 3. The pitch circle 4 rests with its hub 4 'on a stationary remaining device component 7. The shaft 6 is mounted through the graduation carrier 4 and carries at its end a device 8, at the outputs 9 and 10 of which the scanning devices 5' and 5 " the device 5 generated pulses are available.
The scanning device 5 consists essentially of a light source 10, which homogeneously illuminates the graduation marks of the graduation carriers 1 and 4 in the vicinity of a graduation mark of these graduation carriers, and two light-sensitive elements 11 and 12, which generate the electrical counting pulses when corresponding graduation marks of the graduation carriers 1 and 4 pass by produce. As can be seen, the representation is to be understood only schematically. The shaft 6 is driven by a motor 13.
The function of the facility is as follows:
It is initially assumed that the graduation of the graduation carrier 1 to be read assumes a position with its zero mark which corresponds to a reading index 14. The scanning device 5 is now rotated by the motor 13 relative to the divisions on the graduation carriers 1 and 4 at a speed that is not too low. The angular velocity of the device 5 does not necessarily have to be constant.
The device 5 now scans all the graduation marks of both gradations one after the other as they revolve around the axis 6, an equal number of counting pulses occurring on each of the two light-sensitive elements 11 and 12. The difference between the pulse sequences available at outputs 9 and 10 of the scanning devices is therefore zero.
If the graduation carrier 1 is now rotated in accordance with the different elevation angles of the cinema theodolite, more pulses are generated on the scanning device 11 than on the scanning device 12 in accordance with the movement of the graduation carrier 1.
The difference between the two numbers represents the value of the rotation of the graduation carrier 1.
A simple device for determining this difference is shown schematically in FIG. 3.
9 and 10 designate the output terminals of the device 8 at which the counting pulses are available. The pulse trains assigned to the graduation carriers 1 and 4 are each fed to an indexing mechanism 15 and 16 which individually rotate a shaft 17 or 18 and which in turn act on the mechanical differential 19. The difference in the rotation of the shafts 17 and 18 is transmitted from the differential 19 to a mechanical counter 20, for example, and is optionally documented by a registration device 21.
It can be seen that this mechanical way is not the only possible way to detect the difference; rather, the invention can also be implemented with practical advantages by way of electronic devices, for example by means of an electronic differential. In any case, however, it is possible in the way described to count the circular graduation of the graduation carrier 1 in the correct direction, it being immaterial whether the difference between the number of pulses of the device 11 and 12 takes place continuously or in sections. For cinema theodolites, for example, one can be satisfied with the segmentation of the difference, since the target image registrations made with the cinema theodolite also take place segment by segment.
To this end, it is possible, for example, to proceed in such a way that the pulse numbers of the devices 11 and 12 are counted separately and only subtracted from one another at the moment when one is interested in the difference. In order not to overload the capacity of the counters, the difference can also be calculated periodically.
It should be noted here that the scanning of the circular graduation of the graduation carrier 1 does not depend on the speed at which the scanning device 5 moves against the graduation carrier, and the movement does not have to be uniform at all, but it only has to be ensured that the angular velocity of the device 5 is greater than or at least equal to the fastest movement of the pitch circle on the graduation carrier 1. The speed of the device 5 is expediently selected to be higher in order to avoid the creeping impulses mentioned at the beginning.
Regardless of this, the invention can not only be used with circular divisions, but can also be extended to linear scales; there are some possible variations beyond the exemplary embodiment described. Thus, the two graduation carriers 1 and 4 can remain stationary at all times, the scanning device 5 being broken down into two parts, each of which scans a graduation separately and both of them rotate synchronously around the graduation on the graduation carriers 1 and 4, their graduation marks. The measuring elevation angle movement of the Kinotheodolit is then superimposed on the movement of one of the two scanning devices.
The exemplary embodiment of FIG. 1 or its linear analog can also be reversed in such a way that the circular divisions on the graduation carriers 1 and 4 are constantly moved synchronously against the scanning device 5. The scanning device 5 is then to be dismantled again into two parts. One part remains stationary, while the other part is movable according to the rotation to be measured.
It can be seen from the exemplary embodiment in FIG. 1 that the divisions on the graduation carriers 1 and 4 must be identical. It is therefore proposed to use such divisions which are copies of a mother division or which have emerged from one another by photographic reproduction. One can also free oneself from the requirement mentioned at the beginning that the divisions used must have the finest possible division. For this purpose, in addition to the previously provided one scanning device, further scanning devices are provided locally offset from one another on the graduation carrier, which generate pulses that do not coincide with one another in time, in such a way that the pulses of the additional devices continue the pulse spacing of the pulses generated by the first device subdivide.
The invention is also not tied to the previously provided mechanical form of a comparative division. Rather, this can be replaced by a pulse generator which generates corresponding pulses synchronously with the movement of the scanning device 5, which scans the graduation on the graduation carrier 1.
It is to be understood that the application of the device according to the invention is not limited to use in cinema theodolites and the like; rather, it can be used with success wherever it is either a matter of displaying the position of a movable part or also of the Control of this element acts.