CH380386A - Vorrichtung zum Messen und Einstellen von Längen - Google Patents

Description

  
 



  Vorrichtung zum Messen und Einstellen von Längen
Es sind photoelektrische Mikroskope zur Vermessung von   Teilstrichen    bekannt, bei denen die Teilstriche oder ihr Bild zeitlich periodisch abgetastet werden.



   Die Vorteile dieser Geräte sind sehr hohe Genauigkeit und die Möglichkeit zur Automatisierung von Mess- und Einstellvorgängen, da an photoelektrischen Mikroskopen das Messergebnis in Form elektrischer Spannungen erscheint, die über geeignete Verstärker Stellmotoren betätigen können.



   Die Nachteile sind ein kleines Gesichtsfeld, eine unlineare Skala und die Tatsache, dass höchste Konstanz ausserhalb des Nullpunktes nur mit sehr hohem Aufwand zu erreichen ist, so dass die Geräte am zuverlässigsten als Nullgeräte arbeiten.



   Die Überbrückung grösserer Messstrecken, z. B. ganzer Millimeter, ist deshalb nicht ohne weiteres möglich.



   Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestattet, auch bei Abweichungen von der Nullage und bei Überbrückung grösserer Messstrecken von Hand oder automatisch exakt zu messen oder einzustellen. Grundsätzlich gibt es zwei Typen von photoelektrischen Mikroskopen, nämlich solche, die mit schwingenden Lichtbündeln arbeiten und solche, die mit schwingenden Blenden arbeiten. Der Einfachheit halber wird unsere Vorrichtung in den folgenden Ausführungsbeispielen (Fig. 2-6) nur an einem Gerät des zweiten Typs, und zwar an einem Gerät, das mit schwingendem Draht arbeitet, beschrieben werden.



   Fig. 1 zeigt zuvor das Gesichtsfeld G eines konventionellen Schwingdrahtgerätes. Die Mittellinie des Drahtes ist für drei ausgezeichnete Stellungen während des Schwingungsvorganges durch strichpunktierte Linien angedeutet. D ist die Mittellinie beim Nulldurchgang, D1 und D2 kennzeichnen die linke bzw. rechte Extremlage. T stellt das Bild des zu messenden Teilstriches dar, der in die Schwingebene des Drahtes abgebildet ist. B ist eine Blende, die das Gesichtsfeld auf die erforderliche Grösse beschränkt. Der Messbereich des Messmikroskopes umfasst den Bereich, der durch den Draht während des Schwingvorganges abgetastet wird.



   Die Wirkungsweise des Gerätes ist kurz folgende: Wenn die Mittellinie des Teilstrichbildes T, wie in Fig. 1 gezeigt, mit der Drahtruhelage D zusammenfällt, liefert das Gerät die Ausgangsspannung Null. Wird das Teilstrichbild nach links verschoben, so wird durch eine dem Messmikroskop zugeordnete, bekannte photoelektrische Vorrichtung, z. B. eine negative Ausgangsspannung, hervorgerufen, die um so grösser wird, je weiter der Strich aus der Nullage verschoben wird.



  Bei Verschiebung nach rechts ergibt sich eine entsprechende positive Ausgangsspannung. Liegt der Massstab auf einem verschiebbaren Tisch, so kann ein Gleichstromstellmotor, dessen Drehrichtung von der Polarität der Speisespannung abhängt und der von der Ausgangs spannung des Gerätes gesteuert wird, die automatische Einstellung des Teilstrichbildes auf Nullage übernehmen Der Motor verschiebt den Tisch dann so lange, bis die Ausgangsspannung der dem Messmikroskop zugeordneten lichtelektrischen Vorrichtung Null ist, d. h. bis das Teilstrichbild genau auf die durch die Drahtnullage gegebene Nullstellung eingefahren ist.



   Fig.   l    und die bisherige Beschreibung entsprechen dem Stande der Technik und sind nicht Gegenstand: der vorliegenden Anmeldung. Das Prinzip unserer Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Figur unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass das Teilstrichbild relativ zum Schwingdraht schräg gestellt ist und dass eine zusätzliche, mit dem Spalt E versehene Blende C vorgesehen ist, die nur einen kleinen Teil des Teil  striches freigibt und die relativ zum Strichbild in der durch Pfeile eingezeichneten Richtung verschiebbar ist.



  Die Schrägstellung des Teilstrichbildes kann dadurch erfolgen, dass bei Abtastung nur eines einzigen Striches dieser unter dem Mikroskop entsprechend gedreht wird. Wenn mehrere Striche eines Massstabes abgetastet werden sollen, so kann ein Massstab nach Fig. 3 verwendet werden. Die gestrichelt gezeichnete Gerade t stellt die Teilungsrichtung dar. Die Teilstriche T sind unter sich parallel und gegen die Senkrechte zur Teilungsrichtung geneigt. Der Abstand homologer Punkte der Teilstriche in Teilungsrichtung entspricht dem Teilungsintervall J. Schliesslich kann auch ein normaler Massstab verwendet werden. Dann wird das ganze Mikroskop so gedreht, dass die Richtung des Schwingdrahtes gegen die Richtung der Teilstriche geneigt ist. In diesem Fall muss ein Empfindlichkeitsverlust des Gerätes in Kauf genommen werden, da der Schwingdraht nur mit einer Komponente in Teilungsrichtung misst.

   Die Verschiebung der Blende C relativ zum Strichbild kann dadurch erfolgen, dass die Blende selbst verschoben wird, aber auch dadurch, dass das Mikroskop bei feststehender Blende senkrecht zur Teilungsrichtung verschoben wird oder dass der Massstab bei feststehender Blende senkrecht zur Teilungsrichtung verschoben wird. Schliesslich kann auch bei feststehender Blende der Strahlengang im Mikroskop durch einen schwenkbaren Spiegel oder durch eine planparallele Platte so abgelenkt werden, dass das Teilstrichbild in der in Fig. 2 durch Pfeile angedeuteten Richtung verschoben wird. Alle diese Methoden sind hinsichtlich ihrer Wirkung äquivalent. Im folgenden soll das Prinzip an einem Mikroskop mit gemäss Fig. 2 in Pfeilrichtung verschiebbarer Blende erklärt werden.



   Die Blende bewirkt zunächst, dass nur ein kurzes Stück des Teilstrichbildes für das Mikroskop zur Messung freigegeben wird. Die Vermessung solcher kurzer Strichabschnitte bietet keine Schwierigkeiten.



  Wird nun die Blende verschoben, so wandert der freigegebene Abschnitt des Teilstrichbildes mit einer Komponente in Teilungsrichtung aus. Die Grösse dieser Komponente hängt ausser von dem Verschiebeweg der Blende von der Neigung des Teilstrichbildes zur Richtung des Schwingdrahtes ab. Vor allem geht die seitliche Verschiebung des freigegebenen Abschnittes exakt linear mit dem Verschiebungsweg der Blende, wenn der Teilstrich gerade ist. Die Herstellung vollkommen gerader Teilstriche ist möglich und von der Technik der Gitterherstellung her bekannt.



   Es soll zunächst erläutert werden, wie mit der beschriebenen Vorrichtung Verschiebungen gemessen werden können. Dazu sei angenommen, dass das photoelektrische Mikroskop fest montiert ist und der Massstab auf einem in Teilungsrichtung beweglichen Schlitten liegt, dessen Verschiebung gemessen werden soll.



  Zunächst wird vor Beginn der Verschiebung die Blende so eingestellt, dass das Mikroskop die Ausgangsspannung Null anzeigt. Dann wird der Schlitten um den zu vermessenden Betrag verstellt und anschliessend die Blende so verschoben, dass das elektrische Messgerät des Mikroskopes wieder Null anzeigt. Die Verschiebung der Blende, die etwa an einer geeignet angebrachten Skala abgelesen wird, ist ein Mass für die Verschiebung. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung hängt hauptsächlich vom Winkel zwischen Strichbild und Draht ab.



   Der Messvorgang kann weitgehend automatisiert werden. So kann die Verschiebung der Blende durch einen   Gleichstromstellmotor,    dessen Drehrichtung von der Polarität der Speisespannung abhängt und der von der Ausgangsspannung des Mikroskopes gesteuert wird, erfolgen. Dieser Motor schiebt die Blende automatisch so, dass die Ausgangsspannung am Gerät im statischen Zustand immer Null ist. In diesem Fall kann an der Skala, die die Verschiebung der Blende anzeigt, jederzeit die Stellung des Schlittens abgelesen werden. Statt der Ablesung der Blendenskala am Mikroskop kann auch eine Fernablesung bekannter Bauart, z. B. unter Verwendung der digitalen Fernablesetechnik, vorgesehen sein.

   Soll die Verschiebung automatisch registriert werden, so kann die Blende so ausgebildet sein, dass bei der Verschiebung ein ver änderlicher Widerstand geändert wird, der in einem Brückenzweig eines Kompensationsschreibers liegt.



   Die Vorteile der Messmethode sind, neben der durch das photoelektrische Mikroskop bedingten Genauigkeit, vor allem hohe Konstanz, da das Mikroskop nur als Nullinstrument verwendet wird, und gute Linearität.



   Die Umkehrung der beschriebenen Messmethode führt zu einer exakten Verstellmethode. Die einzige erforderliche Änderung besteht darin, dass der Stellmotor in diesem Fall nicht die Verschiebung der Blende bewirkt, sondern dass er an der Verstellvorrichtung des Tisches angreift. Nach dem vorher Beschriebenen ist die Wirkungsweise klar: Der Motor verschiebt den Tisch jeweils so, dass der freigegebene Abschnitt des Teilstrichbildes auf den Schwingungsmittelpunkt des Drahtes zu liegen kommt. Durch einfaches Verschieben der Blende können definierte Verschiebungen des Tisches eingeleitet werden.



   Die Anwendungsmöglichkeiten der zuletzt erläuterten Verstellvorrichtung betreffen alle Arbeitsmaschinen, bei denen hohe Genauigkeit der Verstellung von Tischen oder Werkzeugen gefordert wird, z. B.



  Teilmaschinen zur Herstellung sehr feiner Unterteilungen, Graviermaschinen, Fräsmaschinen usw.



  Auf einen Punkt sei jedoch noch gesondert hingewiesen.



  Durch Ausrüstung der Verstelleinrichtung mit Servomotor ist auch eine laufende kontinuierliche Verstellung möglich. Es können also etwa Kurvenzüge kopiert werden indem der abzutastende Strich von Anfang an entsprechend dem herzustellenden Teil ausgebildet wird. Es können aber auch Kurvenformen erreicht werden, indem die Blende nach einer geeigneten Funktion durch einen zweiten Bewegungsvorgang der Maschine gesteuert wird. Ein Vorteil liegt bei der Herstellung sehr kleiner Teile darin, dass keine nachträgliche Verkleinerung durch mechanische Untersetzungen erforderlich ist, was im allgemeinen wegen des unvermeidlichen Spiels zu Ungenauigkeiten führt. Sollen   Messungen oder Verstellungen über beliebig lange Strecken durchgeführt werden, so ist dies möglich, wenn ein Massstab nach Fig. 4 verwendet wird.

   Sie entspricht Fig. 3, nur sind Neigung und Länge der Teilstriche T so, dass nach Erreichen der höchsten Blendenstellung, dargestellt durch die Linie h, jeweils der nächste Teilstrich in der untersten Blendenstellung, dargestellt durch die Linie K, erfasst werden kann. Die Gerade t stellt wieder die Teilungsrichtung dar. Zur Erzielung einer kontinuierlichen Verstellung über mehrere Teilstriche hinweg ist eine diskontinuierliche Verschiebung der Blende erforderlich.



   Durch die in Fig. 5 dargestellte Drehblende wird dieser Nachteil vermieden. Es bedeutet P den lichtundurchlässigen Blendenkörper, S einen spiralförmigen lichtdurchlässigen Spalt, M den Drehpunkt der Blende und G das Gesichtsfeld des Mikroskopes. Die Teilstrichbilder eines Massstabes, der entsprechend Fig. 4 ausgebildet ist, sind mit T bezeichnet. Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, dass sich der lichtdurchlässige Spalt der Blende im Gesichtsfeld in Richtung des Drahtes verschiebt, sobald die Blende um ihren Drehpunkt M gedreht wird. Wenn der Tisch durch einen Stellmotor gesteuert wird, so bewirkt eine Drehbewegung der Blende eine Verschiebung des Tisches in Pfeilrichtung. Diese Verschiebung ist nicht auf den Bereich eines Striches begrenzt.



   Fig. 6 zeigt den Übergang der Blende von einem Teilstrich auf den nächsten. Es ergibt sich auch in dem Augenblick, in dem zwei Teilstriche T und T' gleichzeitig erfasst werden, ein eindeutiger Einstellwert. Bei einer vollen Umdrehung der Blende ergibt sich eine Schlittenverschiebung um genau ein Teilungsintervall.



  Durch geeignete Ausbildung der Spirale kann Proportionalität zwischen Drehwinkel und Blende der Stellweg des Tisches erreicht werden. Anstelle eines Massstabes mit schräggestellten Strichen kann auch ein normaler Massstab verwendet werden. Das Mikroskop muss dann um einen entsprechenden Winkel gedreht werden.



   Die Vorrichtung gestattet die Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung oder umgekehrt einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung.



  Im letzteren Fall muss der Stellmotor an der Drehblende angreifen.



   Die Vorrichtung kann überall verwendet werden, wo Drehbewegungen sehr exakt in Längsvorschübe umgesetzt werden müssen. Als Beispiel sei etwa eine Spindelschleifmaschine angeführt. In diesem Falle wird die Drehblende fest mit der Welle gekoppelt, die das Werkstück dreht. Der Vorschub zwischen Werkzeug und Werkstück wird automatisch durch einen Stellmotor mit hoher Genauigkeit durchgeführt, wobei laufend der Anschluss an einen genauen Massstab gewahrt bleibt. Die auf diese Weise hergestellte Spindel hat nicht nur kleine innere Fehler, sondern auch einen kleinen absoluten Fehler über die ganze Länge. Natürlich kann auch so gearbeitet werden, dass der Vorschub willkürlich erfolgt und das Werkstück durch einen Stellmotor gedreht wird, der gleichzeitig die Drehblende dreht.



   Gegebenenfalls können die Striche des Strichmassstabes eine von der Geraden abweichende Form haben.



  Dadurch kann man bewusst einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Verstellung der den Spalt aufweisenden Blende und der Verstellung des Strichmassstabes herbeiführen. Dies ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn der Strichmassstab eine logarithmische Teilung hat. Indem die Teilstriche als Ausschnitte einer Exponentialkurve ausgebildet werden, lässt sich der gewünschte logarithmische Zusammenhang zwischen den Verstellungen der Spaltblende und dem Strichmassstab für jeden beliebigen Punkt des Massstabes erreichen.



   Es können ferner Mittel vorhanden sein, um die wirksame Breite des lichtdurchlässigen Spaltes der Blende zu verändern. Dadurch ist eine Änderung der Empfindlichkeit der Vorrichtung möglich.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Vorrichtung zum Messen und Einstellen von Längen, bestehend aus einem photoelektrischen Mikroskop in Verbindung mit einem Strichmassstab und einem Stellmotor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) eine im Strahlengang des Mikroskopes angebrachte, einen lichtdurchlässigen Spalt aufweisende Blende, die nur einen Bruchteil der Längsausdehnung eines Massstabstriches zur Messung freigibt; b) Mittel zur Verschiebung der Blende relativ zum Strich, mit einer Verschiebungskomponente in Richtung der Längsausdehnung des Striches; c) Mittel zur relativen Schrägstellung des Striches gegenüber dem Spalt der Blende.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Striche eine von der Geraden abweichende Form haben.

   2. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die wirksame Breite des Spaltes der Blende zu verändern.

   3. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende als drehbare Spiralblende ausgebildet ist.