Optische Einstell- und Messvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Einstell- und Messvorrichtung für Maschinen und Messgeräte hoher Genauigkeit mit an einem Präzisionsmassstab angeordneten lichtdurchlässigen Spalten.
Bisher hat man gruppenweise angeordnete lichtdurchlässige Spalte in einem mikrometrisch einstellbaren Gitter angeordnet und sie durch die projizierten Abbildungen von Skalenstrichen in der erreichten Messstellung abgeschattet und hat dadurch lichtelektrische Steuerungsmittel zum Ansprechen gebracht, welche die Stillsetzung der Maschine veranlassen.
Wenn man an Stelle der Teilstriche lichtdurchlässige Spalte als Messspalte verwenden will, so muss jedem Messspalt des Massstabes eine steuerbare Abdeckung zugeordnet sein, derart, dass jeweils nur ein Messspalt für den Einstellvorgang geöffnet ist.
Die Erfindung bezweckt es, die Steuerbarkeit der Abdeckungen zu verbessern und es zu ermöglichen, Messspalte in dichten Abständen anordnen und auswählen zu können.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass mehrere Drehwalzen, die mit Nummernzahnrädern getrieblich verbunden sind, in Zuordnung zu den Zähnen der Nummernzahnräder Mittel tragen, die in der Kombination ihrer Einstellungen den dem eingestellten Nummernwert entsprechenden Messspalt bestimmen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Drehwalzen mit axial verlaufenden und radial gerichteten Abdeckungen (Lamellen) versehen sind, welche durch Spalte unterbrochen sind, die über die ganze Länge der Drehwalzen von Abdeckung zu Abdeckung um je einen Stellenwert zueinander versetzt sind, wobei die Spalte der einen Walze die Einerteilungen, die Spalte der andern Walze die Zehnerteilungen und die Spalte einer weiteren Walze die Hunderterteilungen usw. bestreichen und den sich aus den Dreheinstellungen ergebenden Messspalt, der in den optischen Strahlengang eingeschaltet ist, bestimmen.
Vorteilhaft sind die Drehwalzen parallel zueinander und in Richtung des optischen Strahlenganges hintereinanderliegend angeordnet.
Hieraus ergeben sich zwei Möglichkeiten. Entweder können die Drehwalzen parallel zu einem mit Messspalten versehenen Präzisionsmassstab angeordnet sein und geben den dem eingestellten Zahlenwert entsprechenden Messspalt am Präzisionsmassstab frei und decken alle andern Messspalte ab,-oder die Drehwalzen können selbst als Präzisionsmassstab ausgebii- det sein, wobei der jeweils eingestellte Spalt der Messspalt ist.
Der Vorteil der am Umfang der Walzen angeordneten, radial gerichteten Abdeckungen besteht darin, dass die Spalte in den Abdeckungen sich durch die Einstellung mehrerer Drehwalzen beliebig fein auf beliebige Länge der Messstrecke unterteilen lassen, wobei die erste Walze die grob unterteilten Spalte aufweist, die in einer Stellung eine Dekade der nächstfolgenden Walze freigibt, so dass deren Einstellung in Verbindung mit der erten Walze und diese wiederum in Verbindung mit der nächstfolgenden, weiter unterteilten Walze usf. für die Stellung des Messspaltes, wie dieser sich aus der-Kombination der Einstellungen aller Walzen ergibt, bestimmend ist.
Soweit es darauf ankommt, bereits vorhandene Messspalte an einem Präzisionsmassstab freizugeben, wird man den feinstunterteilten Spalt in den Lamellen der zugehörigen Drehwalze so bemessen, dass er etwas breiter ist als der eigentliche Messspalt am Massstab. Es kommt also auf Präzisionsgenauigkeit bei der Bemessung dieser Spalte nicht an. Die Anord nung der Spalte an den Drehwalzen erlaubt es aber ohne weiteres, diese auch mit hoher Genauigkeit ein zuarbeiten, so dass dann der sonst vorhandene Präzisionsmassstab, der die Messspalte aufweist, entfallen kann. In diesem Falle ist es zweckmässig, die optische Abtasteinrichtung der feinstunterteilten Drehwalze zuzuordnen, damit der eigentliche, durch sie hergestellte Messspalt möglichst nahe dieser Optik liegt, um Ungenauigkeiten zu vermeiden.
Zur feineren Unterteilung des Messspaltes dienen beispielsweise diesem nachgeschaltet, auf einem oder mehreren, ebenfalls mit Nummernrädern getrieblich verbundenen Drehkörpern angebrachte optische Mittel, die eine der Grösse der Unterteilung entsprechende parallele Verschiebung des durch den Messspalt gehenden Abbildungsstrahlenganges bewirken.
Eine vorteilhafte Ausführungsform für eine optische Unterteilung des Messspaltes besteht darin, dass zur in sich parallelen Verschiebung des Abbildungsstrahlenganges planparallele Glasplatten vorgesehen sind, die jede einzeln um eine zur optischen Achse senkrechte und zu den Kanten der Elemente des Präzisionsmassstabes parallele Achse gedreht werden können und deren Dicke und Winkelstellung derart bestimmt und fest einstellbar sind, dass der für die feinere Unterteilung des Präzisionsmassstabes gewünschte Wert erreicht wird.
In allen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die genaue Einstellung des Drehwinkels der Drehkörper durch in die Zahnräder eingreifende federnde Rasten fixiert wird.
Im allgemeinen wird man mit gleich geteilten Massstäben arbeiten. In diesem Falle sind die Nummernräder gemäss dem dekadischen System mit zehn Zähnen versehen, wobei jedem Zahn die zugehörige Nummer von 0 bis 9 zugeordnet ist, ähnlich wie es bei Additionsmaschinen der Fall ist.
Die optische Einstell- und Messvorrichtung kann auch mit mehreren verschieden geteilten Massstäben betrieben werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeich- nung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung mit Abdeckleisten aufweisenden Drehwalzen in Verbindung mit einem Präzisionsmassstab, der die eigentlichen Messspalte trägt,
Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1,
Fig. 3 eine Abänderung der Fig. 1, bei der an Stelle des Präzisionsmassstabes die Messplatte direkt in der letzten Drehwalze angeordnet sind,
Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig. 3,
Fig. 5 eine mit optischen Mitteln versehene Vorrichtung zum feineren Unterteilen des Massstabes in schematischer Darstellung und
Fig. 6 eine Seitenansicht zu Fig. 5.
Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist 1 ein Präzisionsmassstab, der aus nebeneinanderliegenden Messspalten 2 besteht, die durch lichtundurchlässige Blendstreifen 3 unterbrochen sind. Der Präzisionsmassstab besitzt Halterungen 4, die mit dem Bett 5 der Vorrichtung verbunden sind. Ausserdem trägt das Bett die beiden parallel zueinander verlaufenden Führungen 6 und 7 für den Messschlitten 8. Dieser trägt die Beleuchtungseinrichtung 9, die aus einer elektrischen Lichtquelle 10 und einer Kondensorlinse 11 besteht und die paralleles Licht, dessen Lichtstrahlen mit 12 bezeichnet sind, aussendet. Der Bettschlitten 8 trägt ausserdem die lichtelektrische Messvorrichtung, die mit 13 bezeichnet ist. Sie enthält zwei Dachprismen 14 und 15 sowie die beiden Photozellen 16 und 17 und weitere nicht dargestellte Steuermittel. Diese lichtelektrische Messeinrichtung ist an sich bekannt.
Der von den beiden Photozellen ausgehende Strom dient in Verbindung mit einer Brükkenschaltung und einem in der Brückenausgleichsleitung liegenden Anzeigegerät zur genauen Messung bzw. Einstellung des Messschlittens 8 auf den freigegebenen Messspalt 2.
Zum Herausgreifen eines bestimmten Messspaltes sind zwischen der Beleuchtungsvorrichtung 9 und der Messeinrichtung 13 bzw. dem Präzisionsmassstab 1 zwei Drehwalzen 18 und 19 zwischengeschaltet, die auf dem Maschinenbett 5 parallel zueinander drehbar gelagert sind. Jede der Drehwalzen trägt an ihrem Umfang Blendlamellen 18' und 19', die durch Spalte 18" und 19" unterbrochen sind. Dabei sind die Spalte 18" etwas breiter als die Breite der Messspalte 2 des Massstabes 1. Die Spalte 18" der Lamelle 18' der Drehwalze 18 sind dabei so angeordnet, dass bei jeweils senkrechter Stellung der Lamelle 18' die Beleuchtungsstrahlen zu einem bestimmten Messspalt, der der Dreheinstellung der Drehwalze entspricht, gelangen, aber auch in derselben Einstellung zu den um 10, 20, 30 usw.
Teilungen entfernten Messspalten der gleichen Lamelle. Die Auswahl eines bestimmten Messspaltes aus dieser Reihe von Messspalten, die die Drehwalze 18 frei lässt, erfolgt durch die nachgeschaltete Drehwalze 19, die alle Messspalte dieser Reihe bis auf einen abdeckt.
Mit der Drehwalze 18 ist ein aus zehn Zähnen bestehendes Zahnrad 20 fest verbunden, das unter Zwischenschaltung des Zahnrades 21 mit dem Nummernzahnrad 22 in Eingriff steht, das auf der Nummernscheibe 23 die Zahlen 0 bis 9 trägt, die den zehn Zähnen dieses Zahnrades und den zehn Dreheinstellungen der Drehwalze 18 entsprechen. Dreht man das Nummernzahnrad 22 in eine vorbestimmte Stellung von 0 bis 9, so dreht sich entsprechend die Drehwalze 18 und lässt entsprechend ihren Spalten das parallele Strahlenbündel 12 zu dem entsprechenden Messspalt 2 des Präzisionsmassstabes 1 und zu den um 10, 20, 30 usw. Teilungen entsprechenden Messspalten gelangen. Beispielsweise werden die Messspalten 2, 12, 22, 32, 42... freigelegt.
Dreht man die Drehwalze 18 um 360, das heisst um einen Zahn, so kommt die nächste Lamelle 18' in die senkrechte Stellung auf der in Fig. 2 gestrichelt gezeichneten Linie O. Dadurch gelangen die Messstrahlen 12 zum jeweils benachbarten Messspalt des Präzisionsmassstabes, also beispielsweise zu den Messspalten 3, 13, 23, 33 usw.
Die Lamellen der Drehwalze 19 tragen Spalte 19", deren Breite jeweils der Länge von zehn Teilungen des Präzisionsmassstabes 1 entspricht. Die Spalte 19" der Lamellen 19' der Drehwalze 19 sind ebenso wie die Spalte 18" der Drehwalze 18 im Sinne einer Gewindesteigung angeordnet, derart, dass nach Drehung der Drehwalze 19 um 360, also um einen Zahn, die nächsten zehn Messspalte des Präzisionsmassstabes Licht erhalten können. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Drehwalze 18 auf 0 gestellt, so dass die Messspalte 0, 10, 20, 30, 40... an sich von dieser Drehwalze freigegeben sind.
Aus dieser Anzahl von Messspalten wird durch die Einstellung der Drehwalze 19, die auf den Zahlenwert 2 eingestellt ist, die zweite Dekade aller Messspalten freigegeben, so dass also durch die Kombination beider Drehwalzen der Messspalt 20 am Präzisionsmassstab 1 freigegeben ist, während alle andern Messspalte abgedeckt sind. Die Kombination der Drehwalzen 18 und 19 ermöglicht es also, nur einen einzigen Messspalt des Präzisionsmassstabes 1 zwischen 0 und 99 Licht zuzuführen, wenn zwei Drehwalzen, wie in dem Ausführungsbeispiel, verwendet werden.
Bewegt man den Messschlitten 8 von der Ausgangsstellung 0 längs des Präzisionsmassstabes, so können die Beleuchtungsstrahlen 12 nur zu einem einzigen vorbetimmten Messspalt des Präzisionsmassstabes, im gezeichneten Beispiel zu dem Messspalt 20, gelangen und dadurch die lichtelektrische Steuerung zum Ansprechen bringen, wodurch die Schlittenbewegung in der genauen Messstellung stillgesetzt wird.
Die Drehwalze 19 ist zu diesem Zweck fest mit dem zehn Zähne aufweisenden Zahnrad 24 verbunden, das unter Zwischenschaltung eines Zwischenzahnrades 25 mit dem Nummernrad 26 in Eingriff ist, dessen Nummernscheibe mit 27 bezeichnet ist und ebenfalls die Nummern 0 bis 9 trägt, die aber für diese Walze die Bedeutung 0, 10, 20, 30, 40... haben, ähnlich, wie es bei Additionsmaschinen der Fall ist.
Es ist selbstverständlich ohne weiteres möglich, die Zahl der Drehwalzen zu erhöhen, so dass die Messspalte von längeren Massstäben, beispielsweise von 0 bis 999, vorgewählt werden können. Schliesslich ist es auch möglich, zwischen den Drehwalzen Zwischenabbildungssysteme anzubringen, die ebenso wie die Beleuchtungsvorrichtung 9 und die lichtelektrische Steuervorrichtung 13 auf dem Messschlitten 8 fest angebracht sind. Diese Zwischensysteme haben dann die Aufgabe, eine genaue Abbildung der Lamellenspalte auf den Messspalten des Präzisionsmassstabes 1 zu vermitteln für den Fall, dass die Ausleuchtung mit Hilfe achsparalleler Beleuchtungsstrahlen zu ungenau ist.
Die Stellung der Drehwalzen kann vorteilhaft durch federnde Rasten, die in die mit zehn Zähnen versehenen Zahnräder 20 bzw. 24 eingreifen, gesichert werden. Solche Rastungen sind an Additionsmaschinen ebenfalls bekannt und deshalb nicht näher dargestellt.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, dass die eine Drehwalze direkt als Präzisionsmassstab ausgebildet ist. Die grundsätzliche Anordnung der Drehwalzen in Verbindung mit den Nummernrädern und dem Messschlitten mit der Beleuchtungseinrichtung und der lichtelektrischen Steuerung ist die geiche wie nach Fig. 1. Die Fig. 3 ist deshalb vereinfacht dargestellt. Die als Präzisionsmassstab ausgebildete Drehwalze ist mit 28 und die dieser vorgeschaltete Drehwalze mit 29 bezeichnet. Die Drehwalze 28 trägt zehn Stege, die mit 28' bezeichnet sind, zwischen denen die Messspalte 28" mit grösster Genauigkeit eingearbeitet sind. Diese Messspalte entsprechen den Messspalten 2 des Präzisionsmassstabes nach Fig. 1.
Durch Drehung der Drehwalze 28 um jeweils 360 wird der im Sinne der Massstabteilung nächstfolgende Messspalt in den Strahlengang 12 gebracht. Der betreffende Messspalt wird durch das Objektiv 60 auf die lichtelektrische Steuervorrichtung 13 abgebildet. Objektiv, Steuervorrichtung und Beleuchtungsvorrichtung sind wiederum fest auf dem in der Fig. 3 nicht dargestellten Messschlitten entsprechend dem Messschlitten 8 der Fig. 1 montiert, der sich auf Führungen 6, 7 (Fig. 1), die ebenfalls nicht dargestellt sind, bewegt.
Die Wahl der nächsthöheren Stelle des dekadischen Systems wird entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 durch die mit Lamellen 29' besetzte Drehwalze 29 besorgt. Die Einstellung der beiden Drehwalzen erfolgt an den Nummernrädern 30 und 31. Die Zähne des Nummernzahnrades 30 stehen mit dem gleichfalls zehn Zähne aufweisenden Zahnrad 32 in Eingriff, das auf der Achse der Drehwalze 28 sitzt, während das mit zehn Zähnen versehene Nummernrad 31 über Zwischenräder 33 und 33' mit dem zehn Zähne aufweisenden Zahnrad 34 getrieblich verbunden ist, welches auf der Achse der Drehwalze 29 sitzt.
Massstäbe grösserer Längen weisen im allgemeinen als feinste Teilung eine Millimeterteilung auf. Die weitere Unterteilung wird dann beispielsweise derart vorgenommen, dass nach vergrösserter Abbildung des betreffenden Messelementes eine B ezugsstrichplatte oder der Messkopf einer Steuervorrichtung mechanisch bewegt wird, wobei man die - im allgemeinen durch Spindel und Mutter erfolgte - Bewegung an einer Messtrommel abliest. Eine derartige Einstellung des Messkopfes ist selbstverständlich ebenfalls möglich, derart, dass diese beispielsweise durch eine Spindel erfolgt, deren Drehung ebenfalls durch Nummernzahnräder, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Kupplungen, bewirkt wird.
Derartige mechanische Verstellungsvorrichtungen können an sich sehr einfach und infolge der vergrö sserten Zwischenabbildung auch hinreichend genau sein.
Sie haben nur den Nachteil, dass mit ihnen der Übergang über eine oder mehrere Stellen des dekadischen Systems hinweg (z. B. von 0,999 auf 1,001) nur unter Anwendung grösserer mechanischer Mittel möglich ist, was Unruhe und damit Ungenauigkeit in die Vorrichtung bringt. Die weitere Unterteilung des Präzisionsmassstabes wird deshalb durch an sich bekannte optische Mittel vorgenommen. Hierzu kann im einfachsten Falle die in sich parallele Verschiebung von Abbildungsstrahlen durch planparallele Glaspatten benutzt werden, die um eine Achse gedreht werden können, die senkrecht zur optischen Achse des abbildenden Systems und parallel zu den Kanten der Messspalte des Präzisionsmassstabes verläuft. Dies ist in den Fig. 5 und 6 in einem einfachen Ausführungsbeispiel dargestellt.
Ein Drehkörper 35 mit der Drehachse 36 trägt insgesamt neun Körper 37 bis 45 sowie einen Leerraum 46. Jeder dieser Körper 37 bis 45 enthält eine planparallele Glasplatte und ist um eine zur optischen Achse senkrechte und zu den Kanten der Messspalten des Präzisionsmassstabes 51 parallele Achse drehbar.
Die Stärke und Stellung der Glasplatten ist dabei so eingerichtet, dass im Sinne einer weiteren Unterteilung des Präzisionsmassstabes zehn in sich parallele Verschiebungen der optischen Abbildungsstrahlen innerhalb einer Stelle des dekadischen Systems vorgenommen werden können. Will man demnach beispielsweise mit Hilfe der Vorrichtung den in 1 Millimeter geteilten Präzisionsmassstab 51 in Zehntelmillimeter unterteilen, so bewirkt die im Körper 45 befindliche Glasplatte eine in sich parallele Verschiebung der Abbildungsstrahlen, die l/1o mm auf dem Präzisionsmassstab entspricht.
Die im Körper 44 befindliche Glasplatte erzeugt eine parallele Verschiebung der Abbildungsstrahlen, die 2/lo mm auf dem Priäzisionsmassstab entspricht.
Die im Körper 37 befindliche Glasplatte bewirkt dann eine Verschiebung der Abbildungsstrahlen, die 9/10 Millimeter auf dem Präzisionsmassstab entspricht.
In der Fig. 5 ist der Körper 38 in den Abbildungsstrahlengang eingeschaltet, der gemäss vorstehendem eine Verschiebung der Abbildungsstrahlen bewirkt, die 8/lo mm auf dem Präzisionsmassstab entspricht.
Die Glasplatte ist mit 47 bezeichnet. Der Aufbau aller Körper 37 bis 45 entspricht dem des Körpers 38.
Die Dicke der dem Körper 38 zugehörigen Glasplatte 47 ist so gewählt, dass die gewünschte Verschiebung in der gezeichneten Stellung von 45O zustande kommt.
Der Körper 38 ist dabei um die Achse 48 drehbar.
Er kann durch die Stellschraube 49 genau einjustiert und in der justierten Stellung durch nicht dargestellte Mittel fixiert werden. Auch die Lagerung der Körper und deren Justiermittel ist bei allen die gleiche, so dass diese nur an dem im Strahlengang befindlichen Körper 38 beschrieben sind. Die genaue Stellung wird durch eine optische Messung der Verschiebung des Bildes des betreffenden Messspaltes, nach Zwischenschaltung des Körpers 38 mit der Glasplatte 37, eindeutig gefunden.
Zur Abbildung des Messspaltes auf die lichtelektrische Steuervorrichtung 50 dient das Objektiv 53.
Die Beleuchtung des Messspalte wird durch die Beleuchtungsvorrichtung 52 bewirkt, wobei in Fig. 5 die Vorwähleinrichtung für den betreffenden Messspalt beispielsweise gemäss Fig. 1 nicht dargestellt wurde.
Die lichtelektrische Steuervorrichtung 50, das Objektiv 53 und die Beleuchtungsvorrichtung 52 sind hierbei wieder auf einem nicht dargestellten Messschlitten fest angeordnet, der sich in Führungen parallel zum Präzisionsmassstab 51 bewegt. Würde man die Drehwalze 35 so stellen, dass der Leerraum 46 eingeschaltet ist, so würden in der gezeichneten Stellung beide Photozellen 54 und 55 über die Prismen 56 und 57 die gleichen Lichtenergien erhalten, und die Steuervorrichtung würde somit in Ruhe bleiben. Durch Zwischenschaltung der Körper 38 mit der Glasplatte 47 werden jedoch die Abbildungsstrahlen in sich parallel verschoben, so dass jetzt die Photozelle 55 mehr Licht erhält als die Photozelle 54.
Hierdurch wird die Steuervorrichtung in Tätigkeit gesetzt und der Messschlitten, der die Beleuchtungsvorrichtung trägt, das Objektiv und die lichtelektrische Steuervorrichtung trägt, so lange bewegt, bis wieder beide Photozellen gleiche Lichtenergien erhalten. Im dargestellten Falle findet demnach eine Bewegung um s/lo mm statt.
Mit dem Körper 35 ist ein aus zehn Zähnen bestehendes Zahnrad 58 fest verbunden, das mit dem Nummernrad 59 ähnlich wie bei einer Additionsmaschine im Eingriff steht. Hierbei entsprechen die Nummern dieses Zahnrades der Grösse der Bewegung des Messschlittens, die durch die Photozellensteuerung 50 infolge der Verschiebung der Abbildungsstrahlen durch eine der zu den Körpern 37 bis 45 gehörende planparallele Glasplatte bewirkt wird.
Auch im Falle der Fig. 5 wird das Zahnrad 58 zweckmässig in der exakten Stellung fixiert. Hierzu wird vorteilhaft eine federnde Raste verwendet. Durch Anordnung weiterer Drehkörper entsprechend dem Körper 35, jedoch mit um eine Zehnerpotenz schmäleren oder anders geneigten Glasplatten kann dann die feinere Unterteilung in Hundertstel- und Tausendstelmillimetern durchgeführt werden.
Durch Kombination der Vorrichtungen nach Fig. 1 und Fig. 5 können daher Präzisionsmassstäbe beliebiger Länge in jeder gewünschten Unterteilung durch Vorwählung eingestellt bzw. Steuervorrichtungen in jede vorgewählte Stellung verfahren werden.
Es ist weiterhin möglich, Mittel zur Freigabe bzw.
Verschiebung von Abbildungs- bzw. Beleuchtungsstrahlen mehrerer Stellen des dekadischen Systems auf einen Drehkörper zu vereinigen, wobei dann die Drehung des Drehkörpers zur Freigabe oder Verschiebung der nächsten Teilung entsprechend kleiner wird.
Die Einstellung in den einzelnen Stellen des Zahlensystems muss dann über entsprechend geteilte Zwischenzahnräder, gegebenenfalls unter Einschaltung von Kupplungen für die einzelnen Stellen erfolgen.
Ferner ist es selbstverständlich ebenfalls möglich, mit mehreren verschieden unterteilten Massstäben zu arbeiten, ebenso wie es möglich ist, das System Beleuchtungsvorrichtung, Abbildungsobjektiv und lichtelektrische Steuervorrichtung oder optische Ablesevorrichtung fest stehen zu lassen, während das System mit Drehkörpern verschoben wird.