DE3322713A1

DE3322713A1 - Method and device for continuous measurement of the rolling angle of a movable machine part

Info

Publication number: DE3322713A1
Application number: DE19833322713
Authority: DE
Inventors: Hans-H. Dr.-Ing. 7054 Korb Schüßler
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-06-24
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3322713C2

Abstract

The invention relates to a method and a device for continuous measurement of the rolling angle of movable machine parts which are moved along a preferably rectilinear line of movement. To be specific, a polarimetric angular measurement is provided for the purpose of determining rolling angle, in which polarised light with a defined direction of polarisation is transmitted in the direction towards the machine part. Arranged on the movable machine part is the analyzer, which co-executes the rolling movements of the machine part. Arranged behind the analyzer is either a light detector or a reflector which retroreflects the analyzed light onto the light source; in the latter case, the light detector is actuated via an inclined semi-reflecting mirror which can form a single unit together with the light source. The direction of polarisation of the transmitted light beam can be varied by a Faraday modulator in order to compensate the rolling angle which occurs. For the rest, the direction of polarisation can be oscillated with high frequency about a central position in order to increase the measurement accuracy, the output signal being evaluated at the light detector with regard to its harmonic components.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur laufenden Messung Method and device for ongoing measurement

des Rollwinkels eines beweglichen Maschinenteiles Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur laufenden Messung des Rollwinkels eines beweglichen Maschinenteiles nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. nach dem von Anspruch 8, wie es beispielsweise aus der Buchveröffentlichung von M. Weck "Werkzeugmaschinen", Band IV, Meßtechnische Untersuchung und Beurteilung Seite,39 als bekannt hervorgeht. of the roll angle of a moving machine part The invention relates to a method and an apparatus for the ongoing measurement of the roll angle of a movable Machine part according to the preamble of claim 1 or according to that of claim 8, as it is for example from the book publication by M. Weck "machine tools", Volume IV, Metrological Investigation and Assessment Page, 39 appears as known.

Bei der bekannten Rollwinkelmessung werden parallel in definiertem Abstand zueinander zwei Laser-Strahlen von der Lichtquelle zu dem beweglichen Maschinenteil ausgesendet und dort von lageempfindlichen Lichtdetektoren empfangen. Durch die beiden Laser-Strahlen wird gewissermaßen eine Referenzebene aufgespannt. Durch die beiden lageempfindlichen Lichtdetektoren wird eine Bewegung des Maschinenteiles quer zur Verfahrlinie gegenüber der Referenzebene festgestellt, wodurch nicht nur Rollbewegungen, also Drehbewegungen zu einer parallel zur Verfahrlinie liegenden Drehachse,sondern auch Parallel- verlagerungen des Maschinenteiles in Horizontal- und Vertikalrichtung ermittelbar sind. Nachteilig an dieser Art der Rollwinkelmessung ist, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, zwei Licht-Strahlen mit der erforderlichen Genauigkeit parallel zueinander auszusenden.In the case of the known roll angle measurement, a defined Distance to each other two laser beams from the light source to the moving machine part sent out and received there by position-sensitive light detectors. Through the To a certain extent, a reference plane is spanned for both laser beams. Through the two position-sensitive light detectors, a movement of the machine part determined transversely to the travel line with respect to the reference plane, whereby not only Rolling movements, i.e. rotary movements to a parallel to the travel line Axis of rotation, but also parallel relocations of the machine part can be determined in the horizontal and vertical directions. The disadvantage of this type of Roll angle measurement is that it is not easily possible to use two light beams to be sent parallel to each other with the required accuracy.

Bereits sehr kleine Abweichungen von der Parallelität der beiden Licht-Strahlen können eine Verschraubung der Referenz-"Ebene" bedeuten und somit eine gar nicht vorhandene Rollbewegung des beweglichen Maschinenteiles vortäuschen. Im übrigen darf der gegenseitige Abstand der beiden Licht-Strahlen nicht zu klein sein, um ein ausreichend großes Auflösungsvermögen der beiden lageempfindlichen Lichtdetektoren zu bekommen. Bei einem ausreichend großen Abstand der beiden Lichtstrahlen sind diese jedoch bereits so weit auseinandergerückt, daß nicht in jedem Fall gleiche Temperaturverhältnisse für beide Licht-Strahlen vorausgesetzt werden können.Even very small deviations from the parallelism of the two light rays can mean screwing the reference "plane" and thus not at all simulate the existing rolling movement of the moving machine part. Furthermore the mutual distance between the two light rays must not be too small to a sufficiently high resolution of the two position-sensitive light detectors to get. If the distance between the two light beams is sufficiently large However, these are already so far apart that they are not always the same Temperature conditions for both light rays can be assumed.

Demgemäß erleiden in unterschiedlichen Temperaturschichtungen der Luft die beiden Licht-Strahlen unterschiedliche Brechungen, so daß sie allein aufgrund dessen nicht mehr genügend genau parallel zueinander verlaufen.Accordingly, the suffer in different temperature stratifications Air the two rays of light have different refractions, so they are due solely to them which no longer run parallel to one another with sufficient precision.

Aufgrund der Thermik der Luft ist der Strahlverlauf in seiner Lage zeitlich nicht konstant, sondern schwankt in einem das Meßergebnis beeinflussenden Ausmaß.Due to the thermals of the air, the course of the jet is in its position not constant over time, but fluctuates in one that influences the measurement result Extent.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rollwinkelmessung anzugeben, die mit nur einem einzigen Lichtstrahl auskommt, so daß sich Parallelitätsprobleme gar nicht stellen und bei dem auch eine Temperaturschichtung der Luft und dementsprechend eine ungeradlinie Strahlausbreitung für das Meßergebnis ebenfalls unbeachtlich ist.The object of the invention is to provide a roll angle measurement that only needs a single light beam, so that parallelism problems even arise not put and with which also a temperature stratification of the air and accordingly an odd-line beam spread is also irrelevant for the measurement result.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 (Verfahren) bzw. durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 8 (Vorrichtung) gelöst. Die Referenzebene für die Rollwinkelmessung ist hierbei die Polarisationsrichtung des ausgesendeten Lichtes, die sich weder durch Temperatureinflüsse noch durch das Magnetfeld der Erde verändert; zumindest sind entsprechende Einflüsse der Temperatur und des Erdmagnetismus vorliegend völlig vernachlässigbar. Die polarimetrische Winkelmeßmethode ist an sich bekannt und beispielsweise in der Buchveröffentlichung von Dr.J.Flügge "Grundlagen der Polarimetrie" Berlin 1970 ausführlich dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Untersuchungsmethode für lichtdurchlässige Stoffe, die von dem polarisierten Licht durchstrahlt werden und eine drehende Wirkung auf die Polarisationsebene ausüben. In der Übertragung dieses an sich bekannten Winkelmeßverfahrens auf die Rollwinkelmessung wird die Erfindung gesehen.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 (method) or by the characterizing features of claim 8 (device) solved. The reference plane for the roll angle measurement is here the polarization direction of the emitted light, which is not influenced by temperature still changed by the earth's magnetic field; at least there are corresponding influences the temperature and the geomagnetism are completely negligible in the present case. The polarimetric Angle measurement method is known per se and, for example, in the book publication "Basics of polarimetry" Berlin 1970 presented in detail by Dr.J.Flügge. It is an examination method for translucent substances, which are penetrated by the polarized light and have a rotating effect exercise the plane of polarization. In the transfer of this angle measurement method, which is known per se the invention is seen on the roll angle measurement.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen: Figur 1 den schematischen Aufbau einer Rollwinkel-Meßvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Rollwinkelmessung, Figur 3 in drei verschiedenen zusammengehörigen diagrammartigen Darstellungen die Modulation der Polarisationsrichtung um eine Mittellage nach einer Sinusfunktion zur Erhöhung der Auflösegenauigkeit, Figur 4 und 5 ähnliche Darstellungen wie Figur 3, jedoch mit einer Modulation der Polarisationsrichtung nach einer Dreieckfunktion (Figur 4) bzw. nach einer Rechteckfunktion (Figur 5), Figur 6 das Blockschaubild für eine Auswertung des Ausgangssignals des Lichtdetektors in einfacher Bauart und Figur 7 zusätzliche Teile in Blockschaubild-Darstellung zur Auswertung des Lichtdetektors in strahllageempfindlicher Vier-Quadranten-Ausführung.Appropriate refinements of the invention can be found in the subclaims can be removed. In addition, the invention is based on various in the drawings illustrated embodiments will be explained below; show: figure 1 shows the schematic structure of a roll angle measuring device in a first embodiment, Figure 2 shows another embodiment of an arrangement for roll angle measurement, figure 3 shows the modulation in three different related diagrammatic representations the polarization direction around a central position according to a sine function to increase the resolution accuracy, Figures 4 and 5 representations similar to Figure 3, but with a modulation of the polarization direction according to a triangular function (Fig 4) or according to a rectangular function (Figure 5), Figure 6 is the block diagram for a Evaluation of the output signal of the light detector in a simple design and figure 7 additional parts in a block diagram for evaluating the light detector in a four-quadrant version that is sensitive to the beam position.

Auf einem Bett 1 ist entlang einer Geradführung ein bewegliches Maschinenteil 2 entlangbeweglich; durch die Rollwinkelmessung soll festgestellt werden, ob und gegebenenfalls in welchem Ausmaß bei der Verschiebung des Maschinenteils entlang der Verfahrlinie Rollbewegungen, d.h.A movable machine part is on a bed 1 along a straight line 2 movable along; the roll angle measurement should determine whether and possibly to what extent when moving the machine part along the travel line rolling movements, i.e.

Drehbewegungen um eine parallel zur Verfahrlinie liegende Drehachse auftreten. Selbstverständiich sind diese Winkel sehr klein,und es kommt darauf an, diese kleinen Winkel besonders genau zu erfassen.Rotary movements around an axis of rotation that is parallel to the travel line appear. Of course, these angles are very small, and it depends to capture these small angles particularly precisely.

Zu diesem Zweck ist eine Riarimeteranordnung auf dem Maschinenbett 1 bzw. dem Maschinenteil 2 vorgesehen, die zu Beginn der Verfahrstrecke eine ortsfest angeordnete Lichtquelle 3 mit einem Polarisator 4 enthält. Das den Polarisator 4 durchtretende Licht ist sehr exakt linear polarisiert mit einer eindeutig feststehenden Polarisationsebene. Der Lichtstrahl ist zumindest angenähert parallel zu der Verfahrlinie des beweglichen Maschinenteiles; an die Parallelität des Lichtstrahls in dieser Hinsicht werden keine großen Anforderungen gestellt. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß der Lichtstrahl entlang der gesamten Verfahrstrecke stets auf die entsprechenden optischen Elemente auf dem beweglichen Maschinenteil trifft Im Maschinenteil selber ist der sogenannte Analysator 6 angeordnet, der ebenfalls ein Polarisator ist, dessen Polarisationsrichtung jedoch gegenüber der des Polarisators 4 um 90" geschwenkt ist. Im Strahlengang hinter dem Analysator 6 ist ein Lichtdetektor 7 angeordnet, der mit großer Empfindlichkeit die durch den Analysator hindurchtretende Lichtmenge feststellen kann. Bei exakter Querlage des Analysators 6 gegenüber dem Polarisator tritt überhaupt kein Licht durch den Analysator hindurch, lediglich bei Abweichungen von dieser Querlage, die auf geringfügige Rollbewegungen des Maschinenteils zurückgeführt werden können, tritt ein kleiner Lichtanteil durch den Analysator 6 hindurch, der um so größer ist, je größer der Rollwinkel ist. Der Lichtdetektor 7 kann - wie in Figur 1 in vollen Linien dargestellt ist -am Ende der Verfahrstrecke ortsfest angeordnet sein, was den Vorteil hat, daß keine beweglichen Leitungen zu diesem Lichtdetektor verlegt werden müssen. Die andere strichliert angedeutete Aufstellungsmöglichkeit besteht darin, daß der Lichtdetektor mit auf dem beweglichen Maschinenteil angeordnet ist; er kann dann mit dem Analysator 6 zu einer Baueinheit vereinigt werden. Zwar muß dann eine bewegliche Leitung zu dem Lichtdetektor verlegt werden, jedoch bietet die Vereinigung mit dem Analysator 6 die Möglichkeit, Streulicht noch besser abzuschirmen als bei isolierter Aufstellung.For this purpose there is a riarimeter arrangement on the machine bed 1 or the machine part 2 is provided, which is a stationary at the beginning of the travel distance arranged light source 3 with a polarizer 4 contains. The polarizer 4 light passing through is very precisely linearly polarized with a clearly fixed one Polarization plane. The light beam is at least approximately parallel to the travel line the moving machine part; the parallelism of the light beam in this Regarding this, no great demands are made. It just has to be ensured be that the light beam along the entire travel distance always on the appropriate optical elements on the moving machine part meet in the machine part itself the so-called analyzer 6 is arranged, which is also a polarizer, its However, the direction of polarization is pivoted by 90 "with respect to that of the polarizer 4 is. A light detector 7 is arranged in the beam path behind the analyzer 6, the amount of light passing through the analyzer with great sensitivity can determine. With an exact transverse position of the analyzer 6 in relation to the polarizer no light at all passes through the analyzer, only if there are deviations from this lateral position, which can be traced back to slight rolling movements of the machine part can be, a small portion of light passes through the analyzer 6, the the greater the roll angle, the greater it is. The light detector 7 can - as in Figure 1 is shown in full lines - arranged stationary at the end of the travel path his, which has the advantage that there are no moving lines to this light detector need to be relocated. The other Placement option indicated by dashed lines consists in that the light detector is arranged on the movable machine part is; it can then be combined with the analyzer 6 to form a structural unit. Though a movable line must then be laid to the light detector, but offers the combination with the analyzer 6 provides the possibility of shielding stray light even better than with isolated installation.

Um mit der in Figur 1 dargestellten Polarimeteranordnung zur Messung des Rollwinkels diesen stets exakt erfassen zu können, müßte der Analysator stets unter Berücksichtigung des auftretenden Rollwinkels in die exakte Querlage gegenüber dem Polarisator 4 geschwenkt werden und laufend diese Schwenklage des Analysators als Rollwinkelsignal festgehalten werden. Die Schwenkung könnte mechanisiert werden und immer auf maximale Lichtschwächung eingestellt werden. Es wäre jedoch dann in jedem Fall eine bewegliche Leitung zu dem auf dem beweglichen Maschinenteil mitfahrenden Analysator 6 zu legen. Außerdem wäre eine mechanische Verschwenkung des Analysators 6 relativ langsam und die ganze Rollwinkelmessung wäre sehr zeitaufwendig. Um den Analysator 6 als rein passives Element ohne Meß- oder Steuerleitungen ausgestalten zu können, und um eine Einsteuerung des Strahlenganges auf maximale Lichtschwächung ohne Bewegung mechanischer Teile vornehmen zu können, ist im Strahlengang hinter dem Polarisator 4 ortsfest ein Faraday-Modulator angeordnet, der gemeinsam-mit der Lichtquelle 3 und dem Polarisator 4 zu einer Baueinheit vereinigt sein kann. Im Faraday-Modulator wird auf elektromagnetische Weise ein parallel zur Strahlrichtung ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, welches entsprechend dem Faraday-Effekt eine lichtdrehende Wirkung auf das polarisierte Licht ausübt. Diese lichtdrehende Wirkung hängt nicht nur von der Länge des Magnetfeldes, sondern auch von dessen Stärke ab. Letztere kann durch die Höhe des Erregerstromes für das elektromagnetisch erzeugte Magnetfeld beeinflußt werden.To with the polarimeter arrangement shown in Figure 1 for measurement of the roll angle, the analyzer would always have to be able to detect it exactly into the exact transverse position opposite, taking into account the roll angle that occurs the polarizer 4 are pivoted and continuously this pivot position of the analyzer be recorded as a roll angle signal. The pivoting could be mechanized and always set to maximum light attenuation. However, it would then be in In each case a moving line to the one traveling on the moving machine part To lay analyzer 6. In addition, there would be a mechanical pivoting of the analyzer 6 relatively slow and the entire roll angle measurement would be very time-consuming. To the Configure the analyzer 6 as a purely passive element without measuring or control lines to be able to, and to control the beam path to maximum light attenuation without being able to move mechanical parts is behind in the beam path the polarizer 4 fixedly arranged a Faraday modulator, which together with the Light source 3 and the polarizer 4 can be combined into one structural unit. in the Faraday modulator is based on electromagnetic Way a parallel A magnetic field aligned with the direction of the beam is generated, which corresponds to the Faraday effect has a light rotating effect on the polarized light. This light rotating Effect depends not only on the length of the magnetic field, but also on it Strength. The latter can be caused by the level of the excitation current for the electromagnetic generated magnetic field can be influenced.

Dank des Faraday-Modulators kann also auf elektromagnetische Weise die Polarisationsrichtung genau quer zur Durchlaßrichtung des Analysators verschwenkt werden und dadurch die Polarisationsrichtung auf größtmögliche Lichtschwächung am Lichtdetektor 7 eingesteuert werden. Der Erregerstrom am Faraday-Modulator, der bei maximaler Lichtschwächung festgestellt wird, ist ein Maß für den Rollwinkel des Maschinenteils 2.Thanks to the Faraday modulator, it is possible to do this in an electromagnetic way the polarization direction is pivoted exactly transversely to the forward direction of the analyzer and thereby the direction of polarization to the greatest possible light attenuation Light detector 7 are controlled. The excitation current on the Faraday modulator, the is determined at maximum light attenuation is a measure of the roll angle of the machine part 2.

Da der Kennlinienverlauf zwischen durchgelassener Lichtintensität einerseits und Schwenklage des Analysators andererseits kein sehr deutlich ausgeprägtes Extremum hat - es handelt sich im Grunde genommen um eine Sinuslinie -kann das exakte Minimum nur relativ ungenau bestimmt werden. Um hier eine Genauigkeitssteigerung zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß die Polarisationsrichtung mit definierter Frequenz und definierter Amplitude um die jeweilige Mittellage oszilliert wird und daß das am Lichtdetektor 7 anstehende schwingende Ausgangssignal hinsichtlich seiner zeitlich aufeinander folgender Scheitelwerte ausgewertet wird. Auch dieses Oszillieren der Poiarisationsrichtung kann mittels des Faraday-Modulators 5 durchgeführt werden, indem das Magnetfeld in seiner Intensität entsprechend schwankt. Figur 3 zeigt in seinem Teil a den Verlauf der Kennlinie 10 des Analysators 6, wobei dort insbesondere das mittlere Extremum im Bereich des 90"-Punkts interessiert. Im Teil b von Figur 3 ist in vollen Linien eine Pendelung der Polarisationsrichtung symmetrisch um den 900-Punkt entsprechend einer Sinusfunktion dargestellt. Im Teil c dieser Figur ist das daraus resultierende Ausgangssignal am Lichtdetektor 7 in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Für jede Halbwelle der Schwingung der Polarisationsrichtung im Figurenteil b wird eine volle Schwingung am Ausgangssignal des Lichtdetektors erzeugt. Bei exakter Querlage der mittleren schwingenden Polarisationsrichtung gegenüber der Durchlaßrichtung des Analysators wird daher am Ausgang des Lichtdetektors ein Signal mit der doppelten Frequenz wie die Grundfrequenz der Schwingung der Polarisationsrichtung anstehen. Bei leicht versetzter Anordnung der Mittellage der schwingenden Polarisationsrichtung gegenüber dem 90"-Punkt - in Figur 3 b strichliert dargestellt -nimmt der Oberwellenanteil mit der doppelten Frequenz sehr rasch ab. Das heißt der Oberwellenanteil mit gegenüber der Grundfequenz doppelter Frequenz hat im Bereich des 90"-Punktes ein sehr schmales ausgeprägtes Maximum, was zur genauen Erkennung der exakten Querlage der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes und der Durchlaufrichtung des Analysators 6 ausgenützt wird. Die Modulation der Polarisationsrichtung braucht nicht nach einer Sinusfunktion zu erfolgen; es kann - wie Figur 4 zeigt - dafür auch eine Dreiecksfunktion verwendet werden. Auch dort wird erkennbar. daß bei einer genau symmetrisch zum 90°-Punkt liegenden Modulation in dem in Teil c von Figur 4 zeitlich dargestellten zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals iD des Lichtdetektors 7 eine dreieckähnliche Funktion mit der doppelten Frequenz - Oktavsignal - er- zeugt wird, wogegen bei unsymmetrischer Modulation dieser Oktavanteil sehr drastisch abnimmt. In Figur 5 schließlich ist noch gezeigt, daß die Polarisationsrichtung auch nach einer Rechteckfunktion moduliert werden kann. Bei symmetrischer Modulation um den 90"-Punkt ist das Ausgangssignal iD am Lichtdetektor gleichbleibend hoch, wogegen bei unsymmetrischer Modulation deutlich wechselnde Signale am Lichtdetektor feststellbar sind.Because the characteristic curve between transmitted light intensity on the one hand and the pivot position of the analyzer on the other hand not very clearly pronounced Extremum has - it is basically a sine curve - can do the exact one Minimum can only be determined relatively imprecisely. To get an increase in accuracy here to enable it is provided that the polarization direction with a defined frequency and a defined amplitude is oscillated around the respective central position and that the at the light detector 7 pending oscillating output signal with regard to its time successive peak values is evaluated. This oscillation of the The direction of polarization can be carried out by means of the Faraday modulator 5, in that the intensity of the magnetic field fluctuates accordingly. Figure 3 shows in its part a the course of the characteristic curve 10 of the analyzer 6, whereby There the middle extremum in the area of the 90 "point is of particular interest. In part b of FIG. 3 there is an oscillation of the polarization direction in full lines shown symmetrically around the 900 point according to a sine function. In part c of this figure is the resulting output signal at the light detector 7 in its course over time. For each half-wave of the oscillation of the polarization direction in part b of the figure there is a full oscillation at the output signal of the light detector generated. With an exact transverse position opposite the central oscillating polarization direction the direction of transmission of the analyzer is therefore a at the output of the light detector Signal with twice the frequency as the fundamental frequency of the oscillation of the polarization direction queue. With a slightly offset arrangement of the central position of the oscillating polarization direction compared to the 90 "point - shown in dashed lines in FIG. 3b - the harmonic component increases decreases very quickly at twice the frequency. That means the harmonic component with opposite the basic frequency of double frequency has a very narrow one in the area of the 90 "point pronounced maximum, which enables the precise detection of the exact transverse position of the polarization direction of the incident light and the direction of passage of the analyzer 6 are used will. The modulation of the polarization direction does not need to be based on a sine function to be done; a triangle function can also be used for this - as FIG. 4 shows will. There, too, is recognizable. that at one exactly symmetrical to the 90 ° point lying modulation in the temporal depicted in part c of FIG The course of the output signal iD of the light detector 7 has a triangular-like function with twice the frequency - octave signal - is begotten against what with asymmetrical modulation, this octave component decreases very drastically. In figure 5, finally, it is also shown that the direction of polarization also follows a rectangular function can be modulated. With symmetrical modulation around the 90 "point, the output signal is iD on the light detector is consistently high, whereas with asymmetrical modulation clearly changing signals can be detected on the light detector.

Es hat sich gezeigt, daß nicht nur das Oktavsignal einen genauigkeitssteigernden Signalverlauf hat, sondern daß auch noch höhere Oberwellenanteile im Ausgangssignal des Lichtdetektors 7 mit zur Genauigkeitssteigerung herangezogen werden können. In dem Blockschaubild nach Figur 6 ist der Ausgang des Lichtdetektors 7 auf mehrere parallelliegende Filter/Gleichrichter 11 geschaltet, wobei sich die einzelnen Filter hinsichtlich der Höhe der durchgelassenen Frequenz unterscheiden. Im allgemeinen Fall handelt es sich um Schmalbandfilter, die nur relativ schmale spektrale Anteile des Ausgangssignales durchlassen und dessen Scheitel- oder Mittelwert feststellen.Sofern die Polarisationsrichtung nach einem Sinusgesetz moduliert wird, treten nur ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz als Oberwellen auf, so daß die Filter auf die der Grundfrequenz entsprechende Bandbreite hinsichtlich ihres Durchlasses ausgelegt werden können. Den parallel liegenden Filtern 11 ist Rechenwerk 12 nachgeschaltet, in welchem die einzelnen herausgefilterten Signale in bestimmter Weise rechnerisch verarbeitet werden können. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß der Verhältniswert aus dem Scheitelwert des Grundfrequenz-Anteiles des Ausgangssignales am Lichtdetektor 7 zu dem Scheitelwert des Schwingungsanteiles der ersten Oberwelle dieses Ausgangssignales mit guter Nährung etwa dem Vierfachen der Abweichung der Mittellage der modulierten Polarisationsrichtung von der exakten Querlage entspricht, sofern nach einer Sinusfunktion moduliert wird. Durch eine solche Verhältnisbildung läßt sich sehr genau ein etwaiger Restwinkel bestimmen. In gleicher Weise ist es auch sinnvoll, den Verhältniswert aus dem Scheitelwert des Schwingungsanteiles der zweiten Oberwelle des Ausgangssignales am Lichtdetektor 7 zum einen und die Quadaratwurzel der dritten Potenz des Scheitelwertes des Schwingungsanteiles der ersten Oberwelle zum anderen zu bilden; dieser Verhältniswert entspricht mit guter Näherung dem 0,942-fachen der oben erwähnten Winkelabweichung, wobei der Faktor 0,942 sich aus der Quadratwurzel aus acht Neuntel errechnet. Wenn beide Möglichkeiten herangezogen werden, kann eine Mittelwertbildung durchgeführt werden, die das Meßergebnis absichert, wobei es auf mehrere verschiedene Einzelmessungen sich stützt.It has been shown that it is not only the octave signal that increases the accuracy Signal curve, but that even higher harmonic components in the output signal of the light detector 7 can be used to increase the accuracy. In the block diagram according to FIG. 6, the output of the light detector 7 is several Parallel filter / rectifier 11 connected, the individual filters differ with regard to the level of the transmitted frequency. In general In the case of narrow band filters, the only relatively narrow spectral components of the output signal and determine its peak or mean value the direction of polarization is modulated according to a sine law, only whole numbers occur Multiples of the fundamental frequency as harmonics, so that the filters on the fundamental frequency corresponding bandwidth can be designed with regard to their passage. The parallel filters 11 is followed by arithmetic unit 12 in which the individual filtered signals processed in a certain way can be. For example, it has been shown that the ratio from the Peak value of the fundamental frequency component of the output signal on Light detector 7 to the peak value of the oscillation component of the first harmonic of this output signal with good approximation about four times the deviation of the central position of the modulated Direction of polarization corresponds to the exact transverse position, if according to a sine function is modulated. Such a ratio formation can be used to determine a possible one very precisely Determine the remaining angle. In the same way it is also useful to use the ratio value from the peak value of the oscillation component of the second harmonic of the output signal at the light detector 7 on the one hand and the square root of the third power of the vertex value of the oscillation component of the first harmonic to form the other; this ratio corresponds to a good approximation to 0.942 times the above-mentioned angular deviation, where the factor 0.942 is calculated from the square root of eight ninths. if If both options are used, a mean value can be calculated that secures the measurement result, whereby it is based on several different individual measurements leans.

Anstelle einer Anordnung des Lichtdetektors 7 im Strahlengang hinter dem Analysator 6 kann dieser auch ortsfest im Bereich des Beginns der Verfahrstrecke des beweglichen Maschinenteils angeordnet werden, und somit gemeinsam mit der Lichtquelle, dem Polarisator und dem Faraday-Modulator zu einer Baueinheit vereinigt werden.Instead of arranging the light detector 7 in the beam path behind the analyzer 6, this can also be fixed in the area of the start of the travel path of the moving machine part, and thus together with the light source, the polarizer and the Faraday modulator can be combined into one structural unit.

Zu diesem Zweck muß im Strahlengang zwischen dem Polarisator 4 und dem Analysator 6 ortsfest ein teildurchlässiger geneigter Spiegel 9 angeordnet werden, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei aneinander gesetzte Prismen gebildet ist. Hinter dem Analysator 6 ist ein den Lichtstrahl parallel zurückwerfender Reflektor angeordnet, der als Tripelreflektor ausgebildet ist. Er muß so ausgestaltet sein, daß er durch die Umlenkung die Polarisationsrichtung nicht verändert. Dieser Tripelreflektor kann vorteilhafterweise mit auf dem beweglichen Maschinenteil 2 angeordnet und mit dem Analysator 6 baulich vereinigt sein. Eine andere Möglichkeit, die strichliert in Figur 2 angedeutet ist, ist die Aufstellung im Bereich des Endes der Verfahrstrecke. Der Lichtdetektor 7 ist auf der Höhe des teildurchlässigen geneigten Spiegels 9 angeordnet und quer zum Hauptstrahl ausgerichtet. Bei einer Anordnung eines Faraday-Modulators 5 im Strahlengang ist es wichtig,daß der teildurchlässige Spiegel im Strahlengang hinter diesem Modulator liegt.For this purpose must be in the beam path between the polarizer 4 and a partially transparent inclined mirror 9 is arranged in a stationary manner on the analyzer 6, that in the illustrated embodiment by two prisms placed next to one another is formed. Behind the analyzer 6 is a parallel to the light beam arranged reflecting reflector, which is designed as a triple reflector. He must be designed in such a way that it does not change the direction of polarization due to the deflection changes. This triple reflector can advantageously be placed on the movable one Machine part 2 can be arranged and structurally combined with the analyzer 6. One Another possibility, which is indicated by dashed lines in Figure 2, is the list in the area of the end of the travel path. The light detector 7 is at the height of the partially transparent inclined mirror 9 arranged and aligned transversely to the main beam. When arranging a Faraday modulator 5 in the beam path, it is important that the partially transparent mirror lies behind this modulator in the beam path.

Zwar wird durch den teildurchlässigen Spiegel das Nutzsignal geschwächt, jedoch kann dies ohne weiteres durch eine entsprechende Steigerung der Intensität der Lichtquelle 3 ausgeglichen werden. Vorteilhaft an der Ausgestaltung nach Figur 2 ist, daß sämtliche mit Kabeln zu versehende Teile in einer Baueinheit vereinigt werden können und demgemäß auf dem beweglichen Maschinenteil 2 nur passive Elemente angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch den zweimaligen Durchtritt des Strahles durch den Analysator 6 ein etwaiger Fehllichtanteil noch stärker reduziert ist als bei nur einem einmaligen Durchtritt.Although the useful signal is weakened by the partially transparent mirror, however, this can easily be done by increasing the intensity accordingly the light source 3 are compensated. Advantageous in the embodiment according to FIG 2 is that all parts to be provided with cables are combined in one structural unit can be and accordingly on the movable machine part 2 only passive elements are arranged. Another advantage is that through the two passages of the beam through the analyzer 6, any amount of false light is reduced even more than with just a single entry.

In Ausgestaltung der Erfindung - sei es in der in Figur 1 skizzierten oder sei es in der in Figur 2 skizzierten Ausführungsform - kann der Lichtdetektor 7 auch strahllageempfindlich ausgebildet sein, so daß er nicht nur die Intensität des durch den Analysator 6 hindurchgelangenden Lichtes feststellt, sondern außerdem auch noch die Strahl lage nach Höhen- und Breitenlage messen kann. Ein solcher lageempfindlicher Lichtdetektor 7' ist in Figur 7 in Form eines Vierquadranten-Lichtdetektors dargestellt. Aufgrund der Einteilung der lichtempfindlichen Fläche in vier unabhängige uadrantenmäßig angeordnete Bereiche kann in den Grenzen des Durchmessers des Lichtstrahles festgestellt werden, wie weit der Lichtstrahl gegenüber der Mitte des Lichtdetektors inilHorizontalrichtung oder in Vertikalrichtung außermittig auftrifft. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß der Analysator 6 nur eien beschränkten Polarisationsgrad, beispielsweise 50,aufweist und daß demgemäß auch bei exakter Querlage der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes in Durchlaßrichtung des Analysators immer noch ein spürbarer Lichtanteil auf den Lichtdetektor fällt, so daß die Lage des Lichtstrahles bestimmt werden kann.In an embodiment of the invention - be it in the one outlined in FIG or be it in the embodiment sketched in FIG. 2 - the light detector can 7 also be designed to be sensitive to the beam position, so that it does not only determines the intensity of the light passing through the analyzer 6, but also can measure the beam position according to elevation and latitude. Such a position-sensitive light detector 7 'is shown in FIG. 7 in the form of a four-quadrant light detector shown. Due to the division of the photosensitive surface into four independent Areas arranged in the form of an edge can be within the limits of the diameter of the light beam determine how far the light beam is from the center of the light detector in the horizontal direction or eccentrically in the vertical direction. pre-condition this is, however, that the analyzer 6 only eien a limited degree of polarization, for example 50, and that accordingly also with an exact transverse position of the polarization direction of the incident light in the direction of transmission of the analyzer is still noticeable Part of the light falls on the light detector, so that the position of the light beam is determined can be.

Jeder der einzelnen Quadranten I bis IV des Lichtdetektors 7' ist mit einem gesonderten Ausgang versehen. In einem ersten Addierwerk 13 werden zur Bildung der Gesamtintensität iD des auftreffenden Lichtstrahles die Werte an den Ausgängen aller vier Quadranten aufsummiert.Each of the individual quadrants I to IV of the light detector 7 'is provided with a separate exit. In a first adder 13 are for Formation of the total intensity iD of the incident light beam the values at the Outputs of all four quadrants summed up.

In einem davon unabhängigen Signalverarbeitungskanal werden in zwei anderen Addierwerken 14' die Signale der beiden oberen Quadranten I und II und die Signale der beiden unteren Quadranten III und IV jeweils gesondert addiert und diese beiden solcher Art gebildeten Signale in einem weiteren Subtraktionswerk 14 voneinander abgezogen. Durch Vergleich dieser Intensitätsdifferenz (16) mit der Gesamtintensität des Lichtstrahles kann die Abweichung des Lichtstrahles in Vertikallage aus der Mittellage, also das Maß 4 z ermittelt werden. In ähnlicher Weise wird mit den beiden linken und mit den beiden rechten Quadranten bzw. deren Ausgangssignalen in den Addierwerken 15' bzw. dem Subtraktionswerk 15 verfahren und damit das Maß für die Horizontalabweichung n y gewonnen.In one independent signal processing channel, two other adders 14 'the signals of the two upper quadrants I and II and the Signals of the two lower quadrants III and IV are each added separately and these two signals formed in this way in a further subtraction unit 14 from one another deducted. By comparing this intensity difference (16) with the total intensity of the light beam can be the deviation of the light beam in the vertical position from the Central position, so the dimension 4 z can be determined. In a similar way way is with the two left and with the two right quadrants or their output signals move in the adding units 15 'or the subtracting unit 15 and thus the measure obtained for the horizontal deviation n y.

Durch die Ausgestaltung des Lichtdetektors in dieser Weise und durch die damit erzielbaren Lagesignale kann die Rollwinkelmessung dahingehend verbessert werden,daß auch Aussagen über die momentane Lage des Rollzentrums gewonnen werden können. Allerdings kann exakt die momentane Lage des Rollzentrums nur dann bestimmt werden, wenn neben der Rollwinkelmessung auch noch der Anteil der Parallelverschiebung des beweglichen Maschinenteiles in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung isoliert wird.By designing the light detector in this way and through the position signals that can be achieved in this way can improve the roll angle measurement to that effect that statements about the current position of the roll center can also be obtained can. However, the current position of the roll center can only then be determined exactly if, in addition to the roll angle measurement, there is also the proportion of the parallel displacement of the moving machine part isolated in the horizontal direction and in the vertical direction will.

Eine andere Möglichkei.t,l:das momentane Rollzentrum der Lage nach genau zu bestimmen, besteht darin, daß in definiertem Abstand parallel nebeneinander zwei Rollwinkelmeßvorrichtungen für dasselbe Maschinenteil 2 vorgesehen werden, wobei der Lichtdetektor 7' strahllageempfindlich ausgebildet ist. Der Vorteil in dieser Doppelanordnung besteht darin, daß außerdem auch noch klare Aussagen über den Anteil einer Parallelverschiebung des beweglichen Maschinenteils in Horizontal- und in Vertikalrichtung gewonnen werden können, gesonderte Messungen also in dieser Hinsicht nicht mehr nötig sind.Another possibility: the current roll center according to the situation to determine exactly, is that at a defined distance parallel to each other two roll angle measuring devices are provided for the same machine part 2, wherein the light detector 7 'is designed to be sensitive to the beam position. The advantage in This double arrangement consists in the fact that also still clear statements about the proportion of a parallel displacement of the moving machine part in horizontal and can be obtained in the vertical direction, i.e. separate measurements in this direction Respect are no longer necessary.

Abschließend sei der Vollständigkeit halber noch darauf hingewiesen, daß die Rollwinkelmessung nicht nur für geradlinig auf einer Bettführung oder dergleichen bewegliche Maschinenteile geeignet ist, sondern daß damit auch der Rollwinkel solcher Maschinenteile gemessen werden kann, die nicht auf einer Bettführung parallel zu sich selber verfahren werden, sondern die frei im Raum geradlinig bewegt werden, dabei aber systembedingt irgendwelche Schwenkbewegungen vollführen. Gedacht ist hierbei in erster Linie an Rollwinkelmessungen an Roboterköpfen, insbesondere von Meßrobotern, die mit einem Tastfinger an einem Referenzlineal entlang bewegt werden und dabei zwar mit der Tasterspitze eine Gerade entlangfahren, jedoch im größeren Ausmaße Schwenkbewegungen und auch Hubbewegungen quer zur Bewegungsrichtung ausführen. Mit einer solchen Rollwinkelmessung kann ein Meßroboter auf Meßgenauigkeit überprüft werden.Finally, for the sake of completeness, it should be noted that that the roll angle measurement is not only for straight lines on a bed guide or the like moving machine parts is suitable, but that also the roll angle of such Machine parts can be measured that are not parallel to a bed guide yourself are moved, but the straight lines freely in space be moved, but perform any pivoting movements due to the system. This is primarily intended for roll angle measurements on robot heads, in particular of measuring robots that move along a reference ruler with a feeler finger and drive along a straight line with the tip of the probe, but in larger swivel movements and also lifting movements transverse to the direction of movement carry out. With such a roll angle measurement, a measuring robot can check for measuring accuracy to be checked.

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Claims

A method for the ongoing measurement of the roll angle of a A machine part moving along a travel line with polarized light is sent parallel to the travel line to the machine part and through to the machine part firmly attached to the rolling movement and acted upon by the emitted light optical elements obtained information corresponding to the angle of the rolling movement is characterized by the use of the polarimetric angle measurement method with a stationary polarizer (4) at the beginning of the travel line, with on the machine part (2) attached analyzer (6) as an optical element and with it arranged behind it Light detector (7).

2. The method according to claim 1, characterized in that the polarization direction of the light behind the polarizer (4) is always pivoted so that the Light detector (7) falling intensity is minimal and that the pivot position of the in the direction of polarization of the panned light is used as a measure of the roll angle will,

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that the polarization direction with a defined frequency and a defined amplitude is oscillated around the respective central position and that the pending on the light detector (7) oscillating output signal with regard to its temporally successive peak values is evaluated.

4. The method according to claim 3, characterized in that the oscillating according to a sine (Figure 3), according to a triangle (Figure 4), sawtooth or square function (Figure 5) takes place.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that from the electrical output signal of the light detector (7) filtered out the harmonic components and ratio values of the peak values of various harmonic components are continuously formed and their temporal course can be observed.

6. The method according to claim 5, characterized in that at one Oscillation of the direction of polarization according to a sine function of the peak value the ratio of the fundamental frequency component of the output signal at the light detector (7) is set to the square root of the peak value of the vibration component of the first Harmonic.

7. The method according to claim 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t that with an oscillation of the polarization direction according to a sine function the peak value of the oscillation component of the second harmonic of the output signal at the light detector (7) is set in relation to the square root of the third power the peak value of the oscillation component of the first harmonic.

8. Device for ongoing measurement of the roll angle along one a moving line of moving machine parts, with a polarized light parallel to the travel line emitting light source on the machine part and with a firmly attached to the machine part, participating in the rolling movement and sent by the Light acted upon optical element which - at least indirectly - one of the Provides information corresponding to the angle of the rolling movement, characterized by a polarimeter arrangement for roll angle measurement; with one at the beginning of the travel line Stationary polarizer (4), with one attached to the machine part (2) Analyzer (6) as an optical element and arranged behind it in the beam path Light detector (7).

9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the light detector (7) stationary at the end of the travel line opposite the light source (3) is arranged.

10. Apparatus according to claim 8, characterized in that the light detector (7) is arranged on the movable machine part (2).

11. The device according to claim 8, characterized in that in the beam path between the polarizer (4) and the analyzer (6) is a partially transparent inclined one Mirror (9) is arranged that - seen from the light source (3) - behind the Analyzer (6) a reflector (8) which reflects the light beam in parallel is arranged and that the light detector (7) is stationary in the area of the partially transparent mirror (9) arranged to the side of the beam path between polarizer (4) and analyzer (6) is.

12. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that that in the beam path between polarizer (4) and analyzer (6) a Faraday modulator (5) is arranged.

13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that that the light detector (7) is designed to be sensitive to the beam position and apart from the light intensity of the total beam also measures its beam position according to altitude and latitude that the analyzer (6) has only a limited degree of polarization.

14. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that that two roll angle measuring devices parallel to each other at a defined distance are provided for the same machine part (2).