BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Sensoranordnung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 5. Taktile Sensoranordnungen, also solche, bei denen ein mechanischer Fühler die Werkstückoberfläche zum Abtasten berührt, sind für Führungsaufgaben an Werkzeugmaschinen, Schweissanlagen und Industrierobotern bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt und im Einsatz. Hauptkennzeichen solcher Sensoren ist ein meist als Stift, Kugel oder Rolle ausgeführtes mechanisches Fühlerorgan, das mit dem Werkstück in ständiger Berührung steht und dessen Auslenkung gegen über der Halterung, an der ein solcher Sensor befestigt ist, registriert und vorwiegend in elektrische analoge Signale zur Erkennung des Werkstückverlaufs umgewandelt wird.
Zur Umwandlung von mechanischen Bewegungen in elektrische Signale werden vielfach Widerstandsveränderungen, Magnetfeldänderungen oder kapazitive und induktive Feldänderungen verwendet. Wesentliches Merkmal dieser taktilen Sensoranordnungen ist, dass sie ständig im berührenden Kontakt zum Werkstück stehen. Dies bedeutet jedoch Verschleiss des taktilen Fühlers und Einschränkungen in der Anwendung, wenn z. B. die Oberfläche des Werkstücks mit steilem Winkel ansteigt, sodass ein taktiler Fühler, der beispielsweise stiftförmig ausgebildet ist und senkrecht zur Werkstückoberfläche abtastet, beschädigt werden könnte.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei der Fühler keinen oder nur geringen Verschleisserscheinungen ausgesetzt ist, und wobei insbesondere auch steile Oberflächenveränderungen des Werkstückes ohne Beschädigung der Sensoranordnung problemlos abgetastet werden können. Diese Aufgabe wird in verfahrensmässiger Hinsicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und in vorrichtungsmässiger Hinsicht durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst.
Durch die intermittierende Berührung der Werkstückoberfläche treten am Fühler nur geringe Reibungskräfte auf, so dass der Fühler praktisch keinem Verschleiss unterworfen ist. Je nach Amplitude der mechanischen Fühlerschwingung kann der Fühler ohne anzustehen auch steile Oberflächenänderungen von einer gewissen Höhe überwinden. Es sind daher keinerlei zusätzliche mechanische Sicherheitsschaltungen erforderlich, welche den Abtastvorgang notfallmässig unterbrechen, wie dies bei bekannten Vorrichtungen nötig ist.
Derart unerwartete Oberflächenveränderungen können beispielsweise bei aneinander anstossenden Blechkanten, Schweiss- oder Schneidebrauen usw. auftreten. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren treten somit keine unerwarteten Betriebsstörungen mehr auf, welche durch Bedienungspersonal behoben werden müssen. Die mit der Serisoranordnung gesteuerten Messvorrichtungen oder Werkzeugmaschinen arbeiten somit rationeller und erfordern weniger Aufsicht. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich durch einfache und kompakte Bauweise aus, wobei die mechanisch beweglichen Bauteile auf ein Minimum reduziert sind. Komplizierte und hoch präzise Fühlerlagerungen sind nicht erforderlich.
Ganz besonders vorteilhaft wird das in der Auswertvorrichtung gebildete Signal zum Ansteuern einer Nachführvorrichtung verwendet, welche den Abstand zwischen Werk stückoberfläche und Sensoranordnung regelt.
Die intermittierende Bewegung des Fühlers kann auf einfachste Weise dadurch erreicht werden, dass der Fühler elektromagnetisch in Eigenresonanz versetzt wird, und dass er an einer Rückkoppelspule eine Spannung induziert, die von der Auswertvorrichtung zur Signalbildung gemessen wird.
Auf diese Weise wird der Fühler stets mit seiner Frequenz angetrieben, wobei die Schwingung ohne Berührung des Fühlers mit der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingsystems erfolgt, oder bei der Oberflächenberührung des Fühlers eine gedämpfte Schwingung sein kann.
Das mechanische Schwingsystem weist einen an einer Federvorrichtung befestigten Fühlerstift auf, wobei die Federvorrichtung wenigstens eine Blattfeder sein kann, deren eines Ende fest eingespannt ist, und an deren anderem Ende etwa quer zur Blattfeder der Fühlerstift befestigt ist. Bei zwei übereinander angeordneten Blattfedern ist der Fühlerstift fest eingespannt, ohne dass zusätzliche Führungsvorrichtungen für den Fühlerstift erforderlich sind. Durch die Länge der Blattfedern bzw. durch Verändern der Einspannstellen kann auf einfachste Weise die Eigenfrequenz des mechanischen Schwingsystems verändert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend genauer beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung in Seitenansicht,
Figur 2 die als Diagramme dargestellten Schwingungen des Systems,
Figur 3 das Schaltschema einer Auswertvorrichtung,
Figur 4 die in der Auswertvorrichtung erzeugten Impulse als Diagramme dargestellt,
Figur 5 das Schaltschema einer Nachführvorrichtung zur Abstandsregelung,
Figuren 6a und 6b die Fühlerbewegung bei verschiedenen Werkstückoberflächen, und
Figur 7 die Fühlerbewegung mit abstandsgeregeltem Fühlervorschub mit dem dazugehörigen Ausgangssignal des Sensors als Diagramm.
Wie in Figur 1 dargestellt, besteht die Sensoranordnung aus einem mechanisch schwingenden System mit zwei übereinander angeordneten Blattfedern 1 und 2, die an Einspannvorrichtungen 4 an einer Halterung 3 fest eingespannt sind. An den frei schwingenden Enden der Blattfedern 1 und 2 ist ein Fühlerstift 5 mittels Befestigungselementen 7 befestigt, so dass die beiden Blattfederenden miteinander verbunden sind. Ersichtlicherweise könnten anstelle der beiden Blattfedern auch andere Federelemente verwendet werden.
Das mechanische Schwingsystem wird über einen elektromagnetischen Antrieb, bestehend aus der Treiberspule 9 und dem Eisenkern 6 am Fühlerstift in Eigenresonanz versetzt. Der Fühlerstift 5 ist auch mit einem Magnet 8 versehen, der in eine Rückkoppelspule 10 eingreift. In der Rückkoppelspule 10 wird beim Schwingen eine gleichfrequente Induktionsspannung durch Bewegen des Magneten 8 erzeugt, die dem Verstärker 11 zugeführt wird. Dadurch kann das Schwingsystem in Rückkopplungsschaltung auf seiner durch die Feder-Fühlerstiftkombination gegebenen mechanischen Eigenfrequenz seine Schwingungen beginnen und aufrecht erhalten. An dem Ausgang der Rückkoppelspule 10 steht eine sinusförmige Wechselspannung zur Verfügung.
Diese Wechselspannung besitzt die gleiche Frequenz wie das Schwingsystem. Sobald der Fühlerstift 5 beim Schwingen die Oberfläche des Werkstücks 41 berührt, verringert sich die Amplitude der mechanischen Schwingung und die Schwing frequenz erhöht sich in Abhängigkeit von der Verringerung der Amplitude, d.h. von der Stärke des Anschlags. Jede Änderung des Abstands 12 zwischen Werkstück 41 und der
Sensoranordnung führt auch zu einer Veränderung der Schwingfrequenz.
In Figur 2 ist die Ausgangsspannung der Rückkoppelspule 10, die Wechselspannung 13 gezeigt. Die Zeitdauer Tl einer Schwingung entspricht dem Reziprokwert der Fre quenz. Position 14 zeigt eine mit bekannten Mitteln in ein
Rechteck umgewandelte Schwingform gleicher Zeitdauer, während Position 15 eine umgewandelte Schwingung mit höherer Frequenz, also kleinerer Schwingungsdauer T2, dar stellt. Aus der Zeitdauer T2 lässt sich somit bei bekannter Zeitdauer T1 der Grad des Fühlerstifteingriffs auf das Werkstück und damit der Abstand der Sensoranordnung ermitteln. Wird der Abstand 12 der Sensoranordnung kleiner, so wird auch T2 kleiner, erhöht sich der Abstand, so wird auch T2 grösser. Beim Verschwinden des Werkstücks, etwa durch Überlaufen einer Kante durch den Fühlerstift 5, wird T2 gleich T1, d.h. das mechanische Schwingsystem schwingt wiederum ungedämpft mit seiner Eigenfrequenz.
Für die Ermittlung der Zeitdauer von Schwingungen sind verschiedene Verfahren, sowohl analoger als auch digitaler Art bekannt. In Figur 3 ist eine besonders zweckmässige Art der Auswertung dieser Veränderung der Schwingungsdauer dargestellt. Dabei wird eine PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) eingesetzt, die aus einem Phasenvergleicher 16, dem Tiefpass 17 und dem steuerbaren Oszillator 18 besteht. Am Eingang des Phasenvergleichers 16 liegt die Rückkoppelspannung der Rückkoppelspule 10. An dem Ausgang des Oszillators 18, der zum Phasenvergleicher 16 zurückgeführt ist, steht die in Figur 2 mit Position 14 gezeigte rechteckige Spannung, die im Diagramm gemäss Figur 4 nochmals dargestellt ist.
Am Ausgang 19 des Phasenvergleichers 16 erscheint eine Impulsfolge, deren Frequenz doppelt so hoch wie die des Oszillators 18 ist, deren Pulslänge jedoch infolge Phasenverschiebung zwischen der Spannung am Eingang des Phasenvergleichers 16 und der rückgeführten Spannung aus dem Oszillator 18 unterschiedlich wird, sobald die Eigenfrequenz sich ändert. Dabei verschiebt sich die Rückflanke der positiven Pulse 19.
Im monostabilen Pulserzeuger 22 an sich bekannter Art wird bei jeder Rückflanke ein Impuls 20 mit definierter Impulslänge generiert. Ist die Lücke zwischen den positiven Impulsen 19 grösser als die Pulslänge 20, so besteht zwischen den positiven Pulsen 14 und 20 keine Koinzidenz. Die Gatterschaltung 23 an sich ebenfalls bekannter Art kann dann keine Ausgangsimpulse 24 abgeben. Wird jedoch durch tiefere Frequenz des Schwingsystems bei zunehmender Entfernung des Werkstücks die positive Pulslänge des Signals 19 grösser, so wandert der Impuls 20 im Bild nach rechts, und es beginnt damit zunehmend eine Koinzidenzphase zwischen den Signalen 14 und 20, so dass in der Gatterschaltung 23 eine positive Impulsfolge 21 zum Ausgang 24 entsteht, welche um so breiter ist, je weiter sich die Pulsfolge 20 nach rechts verschoben hat.
Das Auftreten dieser Impulse 21 an sich zeigt an, dass eine definierte Entlastung des Schwingsystems stattgefunden hat, beispielsweise, wenn sich der Abstand 12 vergrössert oder beim Erreichen und Überfahren einer Werkstückkante.
Die Breite der Impulsfolge 21 zeigt den Grad der Entlastung an, so dass z. B. nach Integration dieser Impulsfolge ein elektrisches Analogsignal für den Abstand 12 gewonnen werden kann. Die Länge eines Impulses 21 kann jedoch auch digital ausgezählt werden, so dass damit ein digitales Abstandssignal für den Abstand 12 ermittelt wird, das wesentlich schneller verfügbar ist, als ein integriertes Analogsignal.
Gleichzeitig steht jedoch am Ausgang der Rückkoppelspule 10 auch eine Wechselspannung mit abstandsabhängiger Amplitude A zur Verfügung, die in Figur 5 mit Position 13 dargestellt ist. Führt man diese Spannung 13 einem Gleichrichter 25 zu. so erhält man ein weiteres abstandsabhängiges Gleichspannungssignal, das einem Regelverstärker 27 zugeführt werden kann. Am Summierpunkt 26 vor diesem Regelverstärker lässt sich eine Korrekturspannung aus dem Potentiometer 28 einspeisen. So lange diese Korrekturspannung in bekannter Weise gleich, aber umgekehrter Polung mit der Spannung aus dem Gleichrichter 25 ist, bleibt der Ausgang auf Null, der nachgeschaltete Motorverstärker 29 wird nicht angesteuert, und der Servomotor 30 steht still.
Bei Abweichungen am Summierpunkt 26 wird im Regelverstärker 27 ein positives oder negatives Signal erzeugt, und im Motorverstärker 29 verstärkt. Der Motor 30 regelt entsprechend nach, so dass der Abstand 12 (Figur 1) der Sensoranordnung korrigiert wird.
In den Figuren 6a und 6b sind zwei Beispiele der Verhaltensweise der taktilen Sensoranordnung dargestellt. Der Fühlerstift 5 bewegt sich dabei in Pfeilrichtung B von rechts nach links. Mit 37 ist die Vorschubebene dargestellt, welche der Ruhelage der Unterkante des Fühlerstiftes 5 entspricht.
Bei Position 31 weist das Werkstück 41 eine Materialerhöhung auf. welche die Schwingamplitude des Fühlerstifts 5 verringert. Position 32 zeigt die Schwingamplitude bei normalem Oberflächenabstand, und bei Position 33 ist die Kante 40 des Werkstücks 41 überfahren und die Schwingamplitude erreicht ihr Maximum, zugleich die Frequenz ihr Minimum, was zur Kantenerkennung ausgenutzt wird.
Ähnliches gilt für die Positionen 34, 35 und 36 gemäss Figur 6b. in der ein etwas unterschiedlicher Oberflächenverlauf dargestellt ist. Bei Position 34 fährt der Fühlerstift 5 in normalem Abstand über die Werkstückoberfläche. Bei Position 35 überfährt der Fühlerstift 5 eine steile Materialerhöhung, ohne dass der Fühler dabei in seitlicher Richtung mechanisch beansprucht wird. Bei Position 36 ist die Werkstückkante 40 wiederum überfahren. Bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 6a und 6b wird vorausgesetzt, dass die Abstandsregelung nicht über das Schwingsystem und die Auswertvorrichtung erfolgt, so dass die Vorschubebene 37 mit andern Mitteln konstant gehalten wird oder konstant bleibt. Ein Konstantbleiben dieser Vorschubebene 37 ist beispielsweise möglich, wenn offensichtlich keine wesentlichen Oberflächenveränderungen am Werkstück auftreten können.
In Figur 7 ist ein Betrieb mit einem abstandsgeregelten Sensorsystem dargestellt. Während sich der Fühlerstift 5 in Pfeilrichtung B bewegt, wird der Abstand 38 wie vorstehend beschrieben, dauernd nachgeregelt, so dass der Fühlerstift 5 den Oberflächenkonturen des Werkstücks 41, z. B. über eine Materialerhebung 39, nachfolgt. An der Werkstückkante 40 ergibt sich wiederum ein plötzlicher Sprung der Frequenz im Schwingsystem, so dass das dabei in der Auswertvorrichtung erzeugte Signal die Kante signalisiert. 42 ist dabei das Ausgangssignal des Sensors, das im unteren Diagramm in digita lisierter Form dargestellt ist. Eine beispielsweise mit der Sensoranordnung gesteuerte Werkzeugmaschine, wie z. B. ein Schweissbrenner, kann so bei Erreichen der Werkstückskante 40 abgeschaltet werden.
Ersichtlicherweise kann die Auswertvorrichtung die Schwingungen des Schwingsystems auch noch mit anderen Methoden auswerten. So beispielsweise akustisch, da beim periodischen Anschlagen des Fühlerstiftes auf das metallische Werkstück ein charakteristisches hämmerndes Geräusch mit definierter Frequenz/Energieverteilung entsteht, das beim Verlassen der Kante plötzlich abbricht. Zur Auswertung dieses Geräusches wird vorzugsweise ein Luftschalloder Körperschallmikrofon verwendet werden, das so an der Sensoranordnung angeordnet ist, dass die Schallenergie oder die vom Fühlerstift auf das Schwingsystem übertragene Aufschlagenergie mit Anteilen bei höheren Frequenzen von diesem erfasst wird. Ein selektiver Verstärker filtert die charakteristischen Frequenzen heraus, die nur dann entstehen, wenn der Fühlerstift periodisch aufschlägt.
Ein diesem Verstärker nachgeschalteter Gleichrichter oder eine geeignete PLL-Schaltung detektiert diese Signale und gibt ein Ausgangssignal in dem Augenblick ab, wo der Fühlerstift das Werkstück verlässt.
Auf ähnliche Weise könnte z. B. die Fühlerschwingung auch optisch abgetastet werden, indem ein optischer Sensor eine am Fühlerstift angebrachte Markierung beobachtet, wobei die Lageveränderungen dieser Markierung in Steuersignale umgewandelt werden können.