Anordnung mit mehreren Fotozellen
Gegenstand vorliegender :Erfindung ist eine Anordnung mit mehreren Fotozellen zur Umwandlung eines wandernden Moiree;Streifen-Bildes, das sich aus der geW meinsamen Lichtbeaufschlagung von zwei relativ zueinander beweglichen optischen Strichgitter-Masstäben einer photo elektrischen Längen- oder Winkel-Messvorrichtung ergibt, in sin mehrphasiges System von zueinander in bestimmter gegenseitiger Phasenverschiebung mit unter sich gleichen Amplituden schwankenden Fotozellenströmen.
Derartige Fotozellenanordnungen finden Verwendung in fotoelektrisclien WinkeIu oder Längenmess Einrichtungen.
Beispiele solcher Einrichtungen sind in den CH Patentschriften Nr. 407 569 und 426 285 dargestellt.
In diesen Patentschriften werden auch Beispiele für die elektrische Auswertung des in.der Fotozellenanordnung entstehenden mehrphasigen Systems von Fotozellenstörmen beschrieben. Es wird aus diesen älteren CH-Patentschrif.ten klar, dass die weitere elektronische Auswertung des gewonnenen mehrphasigen Systems von Fotozellenströmen auf der Voraussetzung fusst, dass die Schwankungsamplituden aller Fotozellen strdme gleich gross sind und dass ihre gegenseitigen Phasenverschiebungen gleich gross, z. B. 1200 sind.
Gemäss dem bei der Anmeldung der genannten CH-Patentschriften bekannten Stand der Technik bestehen die darin beschriebenen Fotozellenanordnungen aus je drei oder vier streifenförmigen, nebeneinander angeordneten Fotozellen. Demgemäss liegen die Bezugspunkte der Fotozellen distanziert nebeneinander, was den Nachteil ergibt, dass unvermeidbare örtliche Verschmutzungen der sich überlagernden Strichgitter sich ungleich auf .die einzelnen Fotozellen auswirken, die ebenfalls zueinander Verschiedenheiten aufweisen, so dass sich entsprechende Störeinflüsse ungleich auf die erzeugten Fotozellenströme auswirken.
Ausserdem ist es schwierig, mehrere einzelne Fotozellen mechanisch mit genügender Genauigkeit so anzuordnen, dass sie längs einer Periode dk Meei Streifens in genau gleichen Abständen verteilt sind und - bei Winkelmessvorrichtungen - eine zweite diametral angeordnete Fotozellenanordnung ebenso genau anzuordnen. Für Längen- und Winkelmessvorrichtungen mit sehr fein geteilten Strichgittern (z. B. 50 000 Teilstriche auf Geberscheibe von 20 cm °) genügen die bekannten Fotozellenanordnungen nicht.
Durch die neuartige Fotozellenanordnung gemäss vorliegender Erfindung wird ein wesentlicher Fortschritt dadurch erreicht, dass ein praktisch quadratisches Fotozellenfeld auf einem Träger durch praktisch parallel zu einer Diagonale dieses Fotozellenfeldes verlaufen und in praktisch gleichen Abständen angeordnete Trennstreifen in mindestens sechs Fotozellenstreifen unterzeilt ist, die paarweise derart elektrisch zu mindestens drei Fotozellen verbunden sind, dass deren resultierende Flächenschwerpunkte mit dem Flächenschwerpunkt des ganzen Fotozellenfeldes zusammenfallen.
Diese Unterteilung der quadratischen Fotozellenschicht ergibt ausserdem den Vorteil, dass auch die resultierenden Flächenträgheitsmomente der verbundenen Fotozellenstreifen auf die zu den Quadratseiten parallelen Mittelachsen einander gleich sind.
Die quer zu den Fotozellenstreifen der so ausgebildeten Fotozellenanordnung verlaufende Querdiagonale des quadratischen Fotozellenfeldes soll zur Anwendung der Fotozellenanordnung doppelt so gross sein, wie die mittlere Distanz zwischen zwei benachbarten Dunkelstreifen, bzw. Hell-Streifen des auszuwertenden Moire Streifen-Bildes, und die Fotozellenstreifen sollen parallel zu den Hell-Dunkel-Streifen des MoIre-Streifen- Bildes orientiert sein, damit sich die ganze Fotozellenanordnung über zwei Hell-Dunkel-Perioden des Moi rée-Streifen-Bildes erstreckt.
Für die Messung von Längsverschiebungen eines geraden Strichgitter-Masstabes relativ zu einer feststehendenAblesestelle, an welcher ein identisch geteilter gerader Strichgitterausschnitt sowie eine Durchleuch tuws- oder BeleuchtungsbVarrichtung und die Fotozel lenanordnung angeordnet sind, kann man durch entsprechende Veränderung des kleinen Verdrehungswinkels des feststehenden. geraden Strichgitterausschnittes zum geraden Strichgitter-Masstab die Distanz zwischen benachbarten Moirée-Streifen passend verändern.
Bei Winkelmessvorrichtungen verwendet man mit Vorteil zwei identische Winkelgeberscheiben mit je einem Strichgitterring, deren Zentren gegenüber nun wählbare kleine Beträge in wählbarer Richtung verschiebbar sind, um die Orientierung und die Distanzen der Moire-Streifen der Fotozellenanordnung anzupassen (siehe auch CAH-Patent Nr. 466 593).
Es ist dabei zu beachten, dass bei solchen ringförmigen Strichgitterteilungen die MoireeStreifen nicht genau gerade verlaufen, sondern eigentlich die Form appolonischer Kreise haben.
Sofern die Durchmesser der beiden überlagerten Strichgitterringe relativ zu den Dimensionen des quadratischen Fotozellenfeldes genügend gross sind, kann man die Hell-Dunkel-Streifen der ausgewerteten Ausschnitte des Moirée-Streifen-Bildes als parallel und gerade betrachten. Zur genauen Berücksichtigung der Krümmung appolonisch gekrümmter Moirée-Streifen wäre es allerdings notwendig, eine konforme Abbildung des genannten quadratischen Fotozellenfeldes mit sieben Teillinien durch Kreisinvension am Teilkreis vorzusehen, um die Verhältnisse der euklidischen Parallelengeometrie in die nicht euklidische Kreisgeometrie zu transformieren. Dabei wird gleichzeitig erreicht, dass auch die für den Näherungsfall mit parallelen Moirée-Streifen vorauszusetzende homogene Lichtverteilung in entsprechender Weise inhomogen wird.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine halbschematische Darstellung einer Winkelmesseinrichtung, wobei deren mechanische Teile im Axialschnitt durch die beiden Strichgitterscheiben und die Ablesevorrichtungen gezeichnet sind.
Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung zwischen den Hell-Dunkelstreifen der Moi rée-Bilder im Bereich der Ablesevorrichtungen der Einrichtungen nach den Fig. 1 und 2.
Fig. 4 eine gegenüber den Fig. 1 und 2 und den tatsächlichen Verhältnissen wesentlich vergrösserte Darstellung der Fotozellenflächen einer Ablesevorrichtung nach den Fig. 1 und 2 mit zugehörigen elektroni- schen Auswertevorrichtungen.
Fig. 5 eine konforme Abbildung des Fotozellenqua drates von Fig. 4 in kreisgeometrischer Darstellung.
In der Einrichtung nach den Fig.-4 ist mit 1 eine Geberscheibe bezeichnet, die an ihrem Umfang mit einem Strichgitterring 10 versehen ist, der aus radial gerichteten undurchsichtigen Strichen besteht, die von einander durch gleich breite, durchsichtige Zwischen felder getrennt sind. In Fig. 2 ist zur Illustration lediglich ein kurzer Ausschnitt aus einem derartigen Strich gitterring dargestellt. Er kann z. B. bei einem mittleren Durchmesser von ca. 20,5 cm auf dem Umfang 50 000
Striche aufweisen, was einer Aufteilung in Perioden von ca. 26 Bogensekunden entspricht. Die Geber scheibe 1 ist mit einer zentralen Drehwelle 11 versehen, die in einem Lager 12 um die Drehachse drehbar gelagert ist. Mit Z, ist das genaue Zentrum des Strichgitterringes bezeichnet, das unvermeidbar etwas exzentrisch zur wahren Drehachse der Scheibe 1 liegt.
Eine zweite Scheibe 2, die mindestens hinsichtlich der Teilung ihres Strichgitterringes 20 identisch zur Scheibe 1 ausgebildet ist, vorzugsweise genau wie die Scheibe 1 als Kopie einer Mutterscheibe ausgebildet ist, dient als feststehende Ablesescheibe für zwei sich diametral ge genüberiiegende foto elektrische Winkelablesevorrichtungen 3, deren Aufbau später erläutert wird. Die Scheibe 2 ist auf einem im Betrieb feststehenden Träger 22 so abgestützt, der aber zur Montage und Justierung in zwei Koordinatenrichtungen stufenlos verstellbar ist, beispielsweise mittels feingängiger Stellschrauben.
Es ist nämlich notwendig, dass das Zentrum Z2 des Strichgitterringes 20 der Scheibe 2 relativ zum Zentrum Z2 des Strichgitterringes 10 der Scheibe 1 in vorbestimmtem Mass und in vorbestimmter Richtung verstellt werden kann, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Dies ist notwendig zur Erzeugung eines MoireeBildes passender Form bei der Durchleuchtung beider Scheiben an den Ablesestellen 3.
Gemäss der Situation nach Fig. 2 entsteht bei der dargestellten Versetzung der Ringzentren Z3 und Z2 unter Annahme einer gleichmässigen Durchleuchtung im Überdeckungsbereich der beiden Strichgitterringe 10, 20 der beiden Scheiben 1, 2 ein Moirée-Bild mit Hell-Dunkel-Streifen in der Form appolonischer Kreise durch die beiden Strichgitterzentren Zt, Z2. Die Dunkelstreifen sind in Fig. 2 mit 4 bezeichnet. Zwischen benachbarten Dunkelstreifen ändert sich bei gleichmässiger Beleuchtung die örtliche Helligkeit gemäss dem in Fig. 3 gezeigten Diagramm, also etwa sinusförmig.
Die Abszissenrichtung entspricht einer quer zu benachbarten Moirée-Streifen orientierten Schnittlinie und in der Ordinatenrichtung sind die entsprechenden örtlichen Helligkeiten proportional aufgetragen. Jedes Hellig keitsminimum entspricht einem Dunkelsteifen 4.
Die sich diametral gegenüberstehenden fotoelektrischen Ablesevorrichtungen 3 umfassen, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger montiert, je ein Gehäuse 30, eine Lichtquelle 31 und eine Linsenanordnung 31 auf der Oberseite der beiden Strichgitterscheiben 1 und 2 und auf der Unterseite je eine Fotozellen Viereckfläche 5 gemäss Fig. 4, die Seitenlängen von ca. 7,5 mm hat. Die Fotozellen-Viereckfelder 5 der beiden Ablesevorrichtungen bestehen gemäss Fig. 4 aus sechs gleich breiten, parallel zu einer Diagonale verlaufenden, voneinander elektrisch getrennten Fotozellenstreifen 51a, 52a, 53a, sieb, 52b, 53b, die zusam- men das Viereck bilden, im vorliegenden vereinfachten Fall ein Quadrat.
Die zur Streifenrichtung quer orientierte Diagonalrichtung soll quer zur örtlichen Richtung der MoireeStreifen orientiert sein, d. h. die Moi reeStreifen müssen parallel zur Streifenrichtung sein, und die Länge dieser Quer-Diagonale soll doppelt so gross sein wie eine Periodenlänge P der Helligkeits- schwankung im Moirée-Bild, d. h. doppelt so gross wie die Distanz zwischen zwei benachbarten Dunkelstreifen 4. Um dies zu erreichen, muss bei der Montage und Justierung das Zentrum Z2 der Strichgitterscheibe entsprechend verstellt werden.
Die Fotozellenstreifenpaare 51a, 51b; 52a, 52b;
53a, 53b sind elektrisch zu je einer besonderen Fotozelle verbunden. Über je vier Leiter 54 sind die drei Fotozellen 51 bis 53 bzw. deren gemeinsame Träger fläche 50 an elektronische Auswerte-Einrichtungen 60 gemäss Fig. 4 angeschlossen.
Bei einer Verdrehung der Strichgitterscheibe 1 relativ zur Scheibe 2 entstehen auf den Ausgängen der Fotozellen 51 bis 53 zeitlich schwankende Fotoströme it, i2, i3, die ebenfalls dem Diagramm nach Fig. 3 entsprechen. Ihre Frequenz ist proprotional zur Drehgeschwindigkeit der Scheibe 1.
Es ist aus Fig. 4 leicht ersichtlich, dass die Flächenschwerpunkte der drei verbundenen Fotozellenstreifenpaare mit dem Flächenschwerpunkt 8 des ganzen Viereckfeldes zusammenfallen und dass auch die Trägheitsmomente dieser Streifenpaare in Bezug auf die beiden zu den Quadratseiten parallelen Mittelachsen gleich gross sind. Dies bewirkt, dass alle erzeugten Messgrössen sich stets auf den Schwerpunkt S des Fotozellenvierecks beziehen und dass die Fotozellenströme ii, i2, i3 gegeneinander um vorbestimmte, gleiche Phasenwinkel, gemäss Fig. 4 um je 1200 phasenverschoben sind und gleiche Amplituden U0 haben.
Falls das Fotozellenviereck aus 8 Streifen bestehen würde, ergäben sich vier Ströme mit je 90 Phasenverschiebung bei 12 Streifen 6 Ströme mit je 60 Phasenverschiebung.
Exzentrizitätsfehler der drehbaren Geberscheibe 1 und andere, mechanische Systems-Ungenauigkeiten, z. B. unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Bauteilen wirken sich infolge der erläuterten Gestaltung und Aufteilung der Fotozellenviereckfläche auf alle 3 bzw. 4 verbundenen Fotozellenstreifenpaare gleich aus, d. h. sie beeinträchtigen weder die gegenseitig gleiche Phasenverschiebung der drei oder vier Fotozellenströme und deren Amplitudengleichheit. Die örtlichen Winkelablesefehler, bedingt durch die erwähnten mechanischen Fehler, insbesondere die Exzentrizität, werden in bekannter Weise durch Kombination der Messgrössen der beiden sich diametral gegenüberliegenden Ablesevorrichtungen kompensiert.
Die Ausgangsleiter der beiden Fotozellengruppen 5 beider Ablesevorrichtungen 3 werden nach Fig. 4 je einem Differentialverstärker 61 bekannter Art zugeführt, um die gemeinsamen Gleichstromanteile der zugeführten Ströme zu eliminieren und reine Drehfeld Wechselstromsysteme UO.sin ( + o), UO-sin ( < p + 1200), UO.sin (? -1200) zu erzeugen, die in je einem Interpolator 62, der Scott'sche Schaltungen zur Ableitung mehrphasiger Wechseistromsysteme, z. B. 10-phasige, sowie Polaritätsdiskriminatoren, z. B.
Schmitt Trigger, zur Ableitung eines entsprechend vielphasigen Binär-Signalsystems, wie es in Fig. 4 am Ausgang des Interpolators 62 dargestellt ist, enthält. In Fig. 1 ist angenommen, dass die elektronischen Auswerte-Einrichtungen 64 für die Fotozellenströme der beiden Ablesevorrichtungen 3, 5 je einen Differentialverstärker 61, einen Interpolator 62 und eine logische Schaltung zur Ableitung von vorzeichenbehafteten Inkrementsignalen in Form von zwei-phasigen Binär-Signalfolgen enthalten. Diese Inkrementsignale zeigen Verdrehungen der Scheibe 1 um Einheitsschritte, deren Wert ein Bruchteil z. B. 1/10 der Teilungseinheit der Strichgitterringe 10 bzw. 20 beträgt.
Praktisch ist es sogar möglich, die beiden drei-phasigen Drehstromsysteteme it, i2, 13 am Ausgang der Differentialverstärker 61 in Interpolatoren 62 in je 20-phasige Drehstromsysteme mit je 18 Phasen-Differenz umzuwandeln und daraus nach erfolgter InkrementadditionDrehwinkelsignale abzuleiten, die eine ganze Umdrehung in 2.106 zählbare Schritte unterteilen.
In Fig. 1 ist mit 7 ein Inkrementaddierwerk zur additiven Vereinigung der ihm von den beiden Auswerte Einrichtungen 6 zugeführten Inkrementsignalreihen auf den Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählwerkes 8 bezeichnet.
Der Zählerstand des Zählerwerkes 8 zeigt dann jederzeit die momentane Drehstellung der Scheibe 1 gegenüber einer Ausgangsstellung in digitaler Form in Einheiten, die einen Bruchteil der Strichgitterteilung betragen.
Fig. 5 zeigt eine konforme Abbildung in übertriebener Darstellung des quadratischen Fotozellenvierecks nach Fig. 4 durch Kreisversion, wobei auch die gemäss Fig. 4 vorausgesetzte homogene Lichtverteilung entsprechend inhomogen anzunehmen ist. Es sind dann die auf die Fotozellen-Streifenpaare 51a', Sieb'; 52a'; 52bs; 53al; 53bl entfallenden Lichtmengen für die Schwerpunkts- und Trägheitsmomentberechnungen zu berücksichtigen.