Konturengeber, welcher gegenüber der zu zentrierenden Kontur angeordnet
wird und der .auf die Entfernung der Kontur von ihm selbst anspricht, kombiniert
m:..rir=gh'aS;ender.;- -.dessen =Signal : =@toxtl-der @Stä-i%ke : . ei:srz:"'=.az:gnales,-
welches ; der-,erwähnte T-Konturen- _. abnehaelfgi..t".»oduii-ertn-wird;_.,urd.
aus..eer."#Empfän= .@äitg,_@ welche..-das -.modulierte Si:gnWl -'aufnimmt -' ..
und--A;:nen-:adkatr@ be_täti.gt;.;=w-e,che°propo-io-näl:° zu .-: di.e.gem; _° Signal
.ausschlägt .: _ . . _ r . _ . . _ Die so.erhaitene Indikation kann -bereits -leicht
als Grunä @. -YTe verwendet werden, sowie auch,; wie man später ersehen;. wird".-
direkt zur Zentrierung, sei es-von _YHand oder- automatisch.- dienen-, Diese kontaktlose-Zentrierung
von größter Präzision kann dynamisch vorgenommen werden, d. h.., während, der Umdrehung
der !Taschine oder des Werkstückes scheint und für die Industrie von größter Wichtigkeit
zu sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsfora der Erfindung 4e7 steht vier Karnturenabnehmer
aus einer kataziiv#en _ Senat, deren Kapa;&itat dan Primär-Signal bestimmt x
_wAhrtd dass modulierte Signal aus _ der-Frequenz eines Stromt
kreisesbesteht.,
,der. zwischen -den Klemmen"- an welehe die Sonde angeschlossen ist,-oszilliert.-Die
Merkmale und Vorteile- ;der; -,Erfindung -lasse sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den, als Beispiel aufgeführten Zeichnungen, ersehen. Fig. 'i ist eine Prinzipzeichnung
zur @en"a..@ierung. einer Innenkontur, beispielsweise einer ' Bohrung, £?g*;,. -
Bist ,eine ähnliche--Zeichnung, ür@d:;ezieht@ s:,ch _ , auf " die Zentrierung einer
.äußerenr.Kontur,=.. , eines--,7,y -4dars". ,r. . . . . - . Fig. zeigt die schematische
Anlage der Einrichtung für die automatische Zentrierung gemäß- der Erfindung.. Fig.
_ .@ zeigt teilweIse vim Schnitt 'die Zentrierungs-" - hülse gemää der 'Erfr@düng.
'
Fig. 5 zeigt die elektrische Ausrüstung der Hülse. Fig. 6 ist
eine vereinfachte schematische Zeahnung des Signalgebers. -Auf den verschiedenen
-Zeichnungen sind alle gleichen
oder ähnlichen Teile mit den gleichen Bezugsziffern
versehen. -Gemäß der Prinzipzeichnung Fig. 1 für die Zentrierung einer umlaufenden
Welle 1 der Maschine, bezogen auf die innere Kontur einer Bohrung 2, eines Arbeitsstükkes
3, wird an der Spitze der erwähnten Welle 1 eine
konische Hülse 4
aufgebracht, welche-mit einem Fühler oder einer Sonde 5 ausgerüstet ist,
die aua einer Metallplatte-am Ende eines radial nach außenstehenden
Armes
6 befestigt ist und in Richtung- zur Oberfläche
der Bohrung 2 zeigt.
Diese Platte wird, sobald sie
in Umdrehung-versetzt wird, ihre Kapazität ändern,
in dem Maße, wie sich der Abstand bzw. der Radius R vorX
der Mittellinie-A-A der umlaufenden Welle 1 gegenüber
der Oberfläche
der Bohrung-2 ändert. Die Zentrierung
ist dann vollzogen,
sobald diese Änderungen der Kapazität während einer Umdrehung Null sind. Es genügt,
diese Kapazitätsänderungen in Anzeigewerte eines Meßapparates oder eines Steuersignales
für den Tischführungsmotor der Maschine umzuwandeln, um eine vollkommene Zentrierungssteuerung
zu erreichen. Fig. 2 zeigt die Anwendung der beschriebenen Zentrierung gegenüber
der.Oberfläche 2',f einer Welle 3' als Arbeitsstück mittels einer Sonde 5', weiche
von einem radial abstehenden Arm 6' der HülsW4 gegenüberliegend in dem-Abstand von
der Oberfläche 2' gehalten wird. Eine Anordnung zur automatischen Zentrierung, beruhend
auf dieser Methode, wird inbezug auf die Fig. 3 beschrieben. Dort ist die umlaufende
Welle 1 der Maschine gezeichnet und die veränderliche Kapazität 15, herrührend
von den Sonden 5 bzw. 5' dargestellt. Die Sonden befinden sich an der konischen
Hülse 4, welche am Ende der Welle 1 befestigt ist.
Die elektrische Meßvorrichtung dieser als Zentrierungshülsen
verwandelten
konischen Hülsen 4J besteht aus einem oszillierenden Stromkreis 11, in welchem die
Kapazität 15 liegt, und einem Transistor-Schwingkreis 1'2, der mit dem. Stromkreis
11 verbunden ist, seine Energie an eine Sendeantenne 13, abgibt. Der Schwingkreis
12 besitzt eine eigene Stromquelle, bestehend aus einer Batterie, welche zusammen
mit der Sender-Antenne 13 in der konischen Hülse 4 untergebracht ist. Zur-Frequenzmodulation
ist ein kleiner Sender_im Rund-Funkwellenbereich vorgesehen,, dessen ausgesandte
Frequenz im Rythmus der Änderung der Kapazität 1.'r)' schwankt, dadurch wird das
Meßergebnis der Sonde dargestellt. Diese Sonde überträgt mit anderen Worten kapazitiv
das Meßergebnist Damit besteht der Vorteil, daß die Meßung unabhängig von allen
Metallen ist, seien es magnetische oder nichtmagnetische, durchgeführt Wird. Es
können auch nichtleitende Materialien verwandt Werden, welche verhältnismäßig
einfach, beispielsweise durch eine leitende Farbe mit einem leitenden Überzug versehen
wurden. Die Sande selbst läßt sich sehr einfach in Form einer umlaufenden Platte
ausbilden:, welche sich allen
Durchmessern der Konturen anpaßt, wobei der
eingestellte
Abstand zwischen der Platte und der Kontur keinerlei
Einfluß auf die Zentrierung selbst hat, weil- dadurch nur die Empfindlichkeit beeinflußt
wird. Die
Änderung des Abstandes während der Umdrehung der, Sonde, ergibt
dann das Meßergebnis. In der Praxis liegt dieser@Abstand in der Größenordnung von
Millimetern, Es ist auch m'ö'glich für die' Zentrierung von Werkstükken von zentrischen
Bohrungen in nichtleitenden Materialien, eine kapazitive Sonde zu verwenden, ohne
daß es erforderlich wird, das nichtleitende Material leitend zu machen. Eine solche
Sonde wird z. B. durch ein metallisches Teil gebildet, welches leicht auf die.Oberfläche
des isolierenden Materials der Meßoberfläche aufgelegt wird. Durch die metallische
Oberfläche der Sonde stellt diese die Gegenelektrode mit=Meßpotential dar. Die bei
der Umdrehung des Werkstücke '-sich ändernde Kapazität auf Grund des sieh ändernden
Delektrikums bei der Abstandänderung der Sonde von der MeAoberfläche ergibt dann
das Meßergebnis. Die Einrichtung besteht weiterhin aus einem festen
Empfänger,
der irgendwo im Maschinenraum in einigen
Metern Abstand von der
Werkzeugmaschine selbst aufgestellt wird. Dieser Empfänger besitzt eine kleine Empfangsantenne
21,beispielswese eine Peitschenantenne) einen Breitband-Hochfrequenzempfänger 22,
einen Ampiitudenbegrenzer 25, einen-Disäriminator 24 und einen Niederfrequenzverstärker
25. Das von diesem abgegebenen Signal ist proportional der Kapazitätsschwankung
und demnach auch proportional dem: Radius R-(Fig. 1) in-jedem Zeitpunkt bei Drehung
des Werk-Stückes. Seine Frequenz entspricht-der Drehzahl der Welle 1. Durch eine
Regelung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 25.läßt sich. .e Empfindlichkeit
der Anlage wunschgemäß ändern. Sofern eine Zentrierung bei einer sehr langsam laufenden
Welle 1, beispielsweise -einer von Hand gedrehten Welle vorgenommen werden soll,
würde es: genügen, am
Ausgang .des NF-Verstärkers 25 ein Meßin-strument 26
mit in der Mitte liegender Nullstellung anzuschließen. Die Abweichungen des Zeigers.
dieses Instrumentes in Abhängigkeit von-der-Winkelverdrehung der,Welle 1 sind dann
zu beobachten. Die Gleichlauffrequenz des Diseriminator 24 ist zu.regeln, um es
zu gestatten, die beobachteten Abwefchungen° inbezug--ätÜ@die-INÜ3lstellung
in-Übereinstimmung -zu- bringen. Ist äd,Überein,stimmung ein-
mal
erreicht, gestattet die Beobachtung der Abweichungen, die Zentrierung, indem man
versucht, ein mittleres Zentrum festzustellen, wie dies mit einem mechanischen Vergleichsgerät
möglich ist, ohne das dabei die Nachteile einer mechanischen Abtaetung in Kauf genommen
werden müssen. Läßt man die Welle verhältnismäßig schnell laufen, wird sich die
Anzeige des Meßinatrumentes in einer Stellung stabilisieren, welche dem mittleren
Wert des empfangenen Signales entspricht und es würde theoretisch genügen,- die
Zage der Maschine solange zu verändern, bit3 dieser mittlere Wert auf Null zurückgeht.
In der Praxis jedoch könnte diese Form der Zentrierungsarbeit zu einem langwierigen
Herumtasteri führen; man wird daher vorteilhafterweise das gemäß der Erfindung erzeugte
Signal in zwei Meßgrößen aufteilen, indem man den beiden Komponenten der mechanischen
Maschinenregelung beeinflußt (rechts-links und vorwärts-rückwärts). Auf der umlaufenden
Welle 1 der Maschine (beispielsweise auf dem freien Wellenende) ist dauernd ein
Signalgenerator 30 angeschlossen, welcher über die Zeitung 31 X ein Wechselstromsignal,
beispielsweise in Sinusform abgibt,
welches phasengleich mit
den Durchläufen der Sonde in Bezug auf die Justierbewegung der Maschine rechts-liÜ,
es
sei dies die Komponente X und auf einer anderen Zeitung 31Y ein anderes ähnliches
Wechselstromsignal abgibt, welches jedoch mit den Durchläufen der Sonde in Bezug
auf die Justierbewegung der Maschine vorwärts-rückwärts, es sei dies die Komponente
Y synchronisiert ist. Der Signalgenerator kann beispielsweise aus einem zweiphasigen
Wechselstromgenerator usw. bestehen. Diese beiden Bezugssignale kommen zu gleicher
Zeit mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 25 am Eingang eines synchronisierten
Doppel-Demodulators 32 an, relcher in bekannter Weise an zwei Ausgängen zwei Signale:
abgibt, d. h., zwei gleichgerichtete Signale, welche proportional den Abweichungen
der Zentrierung auf jeder der Komponente X und Y entsprechen. Diese beiden Signale
werden durch zwei Meßgeräte 33x und 33y mit in der Mitte liegender Nullstellung
angezeigt. Es genügt demnach die Kurbel zur Verschiebung des Tisches entsprechend
dem beobachteten Ausschlag der Instrumentennadel zu drehen, um den Ausschlag bis
auf Null zu reduzieren. Diese Tätigkeit kann auch automatisch vorgenommen werden;
die Ausgangssignale des-synchronisierten Modulatorswerden für.diesen Zweck durch
den Verstärker 34 ver-
stärkt und steuern entsprechende
Servomotoren 35 bzw. 35x, 35y, welche auf den Maschinentisch ;montiert sind und
diesen in der Richtung der beiden Komponenten x y verschieben. Die Wellen 3?', bzw.
37x, 37y9 dieser Motoren können vorteilhafterweise in bekannter Art mit einem tachometrischen
Gebersystem 38 zur Stabilisation der Aussteuerung versehen werden. Die gesamte Steueranlage
kann auch mit Hilfe von Elektroventilen' hydraulisch oder pneumetisch arbeiten.
Die Steuermotore auf dem Maschinentisch@können wohlverstanden gleicherweise auch
zur bewußten Verschiebung des Maschinentisches verwandt werden und eventuell selbst
für eine automatische Hin- und Herbewegung mit regelbarer Schnelligkeit (Plan-Fräsen)
dienen. Um eine Steuerung des Tisches von Hand vorzunehmen, können die beiden Servomotoren
35x und 35y mittels eines Umschalters 39 vom Ausgang des Verstärkers 34 auf Regelorgane
4ox, 4oy,die von Hand betätigt werden, beispielsweise Handhebel umgelegt werden.
Ein Hebel dient für Rechts-Zinks-Bewegung (X-Komponente) und ein Hebel für die Vorwärts:
Rückwärtsbewegung (Y-Komponente). Diese beiden Handhebel können vorteilhafterweise
in der Nähe des Anzeigeninstrumentes 33 angeordnet werden und ihre Beweggungsebenen
können parallel zu den entsprechenden
Bewegungsrichtungen liegen.
Sie können weiterhin vorteilhafterweise z. B. durch Kupplungen mit einem Drehwiderstand
oder einem Potentiometer einer Zugbelastung in der einen oder anderen Richtung unterworfen
werden, deren physikalische=Größe mit der Größe der Ausschwankung zunimmt, indem
Zugfedern mehr oder weniger angespannt werden. Die Schnelligkeit, mit: der sich
der Maschinentisch verschiebt, kann propozüonell zu den Bewegungen der Handhebel
ausgelegt werden und der Arbeiter, welcher die Maschine bedient, hat den Eindruck,
den Maschinentisch durch die Kraft, welche er auf die-Handhebel ausübt, zu bewegen.
Dieser Umstand ermöglicht eine sehr leichte und sich rasch vervollkommende Handhabung.
Eine sehr leicht einleuchtende Abänderungsmöglichkeit würde darin besteten, die
Handhebel durch Druckknöpfe, deren Gegendruck proportional ist, zu ersetzen. Die
Steuervorrichtung weist wohlverstandenerweise außerdem das klassische Sicherheitssystem
mit Endlagenschalter auf.. Im Falle automatischer Steuerung arbeitet der Mechanismus
in gleicher Weise mit vollkommener Sicherheit, indem sich die Welle gegenüber dem
auf dem Tisch montierten Arbeitsstück in einem _Sinne.,.der-alleHindernisse umgeht,
bewegt. _ ....._ ...:_ _-Äuf Grund der erhaltenen Aignale,.kann man eine "Punkt-
Zentrierung"
zuvornehmen, wie dies sowohl mittels einer mechanischen Vergleichseinrichtung an
zwei Punkten der Fall ist, indem man lediglich den beiden senkrechten Achsen folgt,
oder wie dies bei einer Integration-Zentrierung, wie früher beschrieben, möglich
ist. Man kann hierdurch eine Zentrierung erreichen, durch welche es möglich ist,
aus einem Werkstück, dessen Oberfläche beispielsweise Vertiefungen aufweist, einen
Zylinder herzustellen, wobei nur die geringstmögliche Menge an Material abgedreht
werden muß. Män kann gleicherweise die Resultate der Signale, welche am Eingang
der Anzeigevorrichtung 33x und 33y ankommen, visuell darstellen. Um diese Absicht
zu verwirklichen, wird beispielsweise die ermittelte Kontur auf dem Bildschirm einer
Oszillographenröhre dargestellt, welche die durch die kapmitive Sonde ermittelten
Unregelmäßigkeiten mit großer Verstärkung wieder-
gibt: Man kann mit dieser
Methode leicht und mit sehr großer Präzision visuell zentrieren; eine solche oszillographische
Darstellung zeigt tatsächlich sämtliche Unregelmäßigkeiten der Oberfläche, ovale
Stellen etc mit,größter Schärfe an Im übrigen, stellt eine solche Hüls mit einer
festen
kapazitiven Sonde gemäß der vorher beschriebenen Vorrichtung
ein vollkommenes Meßinstrument dar. Die Fig. 4 und 5 zeigen im Detail ein Ausführungsbeispiel
der Hülse mit einer kapazitiven Sonde gemäß der Erfindung.-Die Sonde 5 ist mit dem
Kondensator 41 parallel-geschaltet, so daß ein Schwingkreis dargestellt wird, dessen.
induktives Element durch die Induktanze der Senderantenne 13 selbst gebildet
wird, die aus einer Wicklung auf einem Ferritstab besteht: Zwischen dem Sender
und der Masse ist ein Transistor 42 geschaltet, welcher andererseits über eine Drossel
43 und einen Widerstand 44 mit der Stromquelle 45, beispielsweise einer 3-Volt-Batterie,
verbunden ist. Der restliche Teil des Oszillator-Senders ist klassisch und bedarf
ech keinerlei Erläuterung vom elektrischen Standpunkt aus: Der aus Miniaturbauteilen
hergestellte Oszillator-Sender hat die Größe einer Zündholzschachtel und ist in
einem Schutzbehälter 5o aus platisdhem Material untergebracht, welcher in einem
Boden 51 den Haltestift bzw. Arm 6 der Platte, welche die Sonde -5 bildet,
auf-
nimmt und der unterhalb der Bodenplatte 51' noch einen Raum 52 für
die Batterie 45 hat. Der Schutzbehälter
wird durch eine
aufschraubbare Metallhülse 54 am Ende der konischen Hülse.4 festgehalten. Die aufschraubbare
Hülse 54 ist an der Stelle, wo die Ferritantenne,untergebracht ist, mit Durchbrechungen'S5
versehen und hat ein Loch, aus welchem der Arm 6 hindurchragt. Eine Schraubkappe
56 ermöglicht den unmittelbaren Zugang zu dem Raum 52, in welchem sich die Batterie
befindet. Ein solcher "Meßkonus" ist sehr robust und bedarf keinerlei Wartung. Es
sind tatsächlich keinerlei Betriebsstörungen des Senders zu erwarten, welcher auch
mehrere Monate mit einer einzigen Batterie arbeitet. Die Fig. 6 zeigt das Prinzipschema
eines goniometrischen Signalgenerators, welcher an Stelle des elektromagnetischen
Generators 30 (Fig. 3) vorgesehen werden kann, da es in verschiedenen Fällen nicht
wünschenswert sein mag, auf der umlaufenden Welle der Maschine einen gleichfalls
umlaufenden Generator zu installieren. Es wurde beschrieben, daß der Meß-Sender
innerhalb der Hülse 4 mit einer Antenne 13 ausgestattet ist, deren
Magnetstab
quer in der Hülse liegt. Der goniometrische Signalgenerator weist im wesentlichen
zwei gleichartige Empfangsantennen 61, 62 auf, welche je mit einem Magnetkern versehen
werden, der in der Bleichen Ebene wie die Senderantenne 13 angeordnet ist. Die Magnete
liegen parallel zu den beiden Komponenten X und Y. Das Strahlungsfeld der umlaufenden
Senderantenne 13 ist ausgerichtet, während die beiden Antennen 61 und 62 Lediglich
gegenüber der magnetischen Resultierenden empfindlich sind. Die erhaltenen.Signale
gestatten nach erfolgter Verstärkung in einem goniometrischen Empfänger 63 die Steuerung
:der beiden Achsen. Die Unsicherheit des 18o-gradigen Winkels wird mit Hilfe einer-nichtausgerichteten
Antenne 64, beispielsweise einer Peitschenantenne, gelöst, indem das klassische
System einer Vergleichsschaltung im goniometrischen Empfänger 63 eingebaut wird.
` Die Erfahrung zeigt' daß die beschriebene Zentrie-. rungsanzeigevorrichtung einen
sehr nützlichen.Ausristungsgegenstand darstellt und eine angenehme Bedienung ermöglicht
und daß man sie nach Wunsch -bei verschiedenen Werkstatt-Maschinen anwendenkann.
Weiterhin läßt sich bei hochwertigen Werkzeugmaschinen unter Verwendung der Vorrichtung
die Zentrierung von
Hand aus in wenigen Sekunden vornehmen. Die
Empfindlichkeit ist so groß, daß nur eine einzige Schwierigw keit besteht, n4mlich
die, die Handbedienungskurbel, deren Übersetzung für eine Regelung von Micron zu
Micran nicht groß ,genug ist, mit der gleichen Genauigkeit zu bedienen. Man beobachtet
andererseits,, daß der schrittweise Vorschub des Tisches in Intervallen -zwischen
zwei und fünf Micron erfolgt. Die Zentrierung wurde mit einer Genauigkeit von plus
oder minus zwei Micron erreicht. (Ablesefehler-liegen in der gleichen Größenordnung)
Aue Vergleichsgründen wurde mit einer mechanischen Zentriervorrichtung eine
Zentrierung vor und nach einer dynamischen Zentrierung vorgenommen; die nach
der dynamischen Zentrierung erhaltenen Meßresultate stimmten bis auf zwei-Micron
überein; es bestand je® doch eine Differenz von 8 Micron gegenüber der
Mes-
sung in kaltem Zustande. Man konnte daraus schließen, dtß sich die
Achse um ca. 6-Micron verlagert hatte,
sobald die Kugellager erwärmt waren;
es konnten hier-bei keinerlei Verwuchtungfn infolge einer verschiedenen
Zage im Ruhezustand und in Bewegung festgostellt werden. Die beschriebene
Ausrüstung kann sofort zur Automati-
siei^ung angewandt
werden, Man kann als Anwendungsbeispiel die automatische (oder halbautomatische)
Zentrierung eines Werkstückes auf einer Maschine anführen, welche erst dann
in Betrieb genommen wem den kann, sobald die Servomotoren für die Zentrier
rang
(35, Fig. 3) wiederum zum Stillstand gekommen sind, oder wenn die nach vorhandene
Abweichung von Hand aus Peseitigt_worden ist, unter Benutzung des
,
Meßgerätes 33x,.337.-.-Es muß wohl verstanden werden, deß die Erfindung
durch die angeführten und dargestellten.Ausführungaformen in kleinster Weise
eingeschränkt wird, dadie.** nur als Beispiele dienen. Es muß insbesondere
festgehalten verden,.daß die Übertragungsvorrichtung, welche dem Zwecke
der Entfernungsnrßung dient, von
jedem beliebigen Typ nein
kann; beispielsweise einer
magnetischen Meßvorrichtung (infolge..
Veränderung der
Selbot-Induktion.oder der Dämpfung) einer Kernatrehlungs-Meßvorrichtung,-etc..