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Verfahren zur Bestimmung des Umrisses, der Oberflächengestalt oder
dgl. eines Gegenstandes, insbesondere eines Werkstückes und Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontakt- bzw. berUhrungslosen
Messung des Umrisses, der Oberflächengestalt oder dgl. eines Werkstückes.
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Bei einem Verfahren dieser Art, bei welchem der von der Gestalt des
WerkBtUckes abhängige Abstand der Abtasteinrichtung
von der Oberfläche
des Werkstückes gemessen wird, wird dabei gemäß der Erfindung zunächst in den Raum
zwischen der Abtasteinrichtung und dem Gegenstand Hochfrequenzenergie eingespeist
und das in der Abtasteinrichtung erregte Signal verstärkt, wonach das verstärkte
Signal zur Erzeugung eines Rückkoppelsignals mit einer Bezugsgröße verglichen und
dieses Rückkoppelsignal zur Steuerung der Hochfrequenzenergie herangezogen wird.
Das Signal dient dabei zur Bestimmung des Abstandes der Abtasteinrichtung von der
Oberfläche des Gegenstandes, z. B. des Werkstückes, wozu es an geeigneter Stelle
der Schaltungsanordnung gemessen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfüshrung dieses Verfahrens
weist dabei eine Energiequelle zur Erzeugung der in den Spalt zwischen der Abtasteinrichtung
und dem Gegenstand eingespeisten Hochfrequenzenergie auf, sowie eine Einrichtung
zur Verstärkung der in der Abtasteinrichtung erregten Signale und eine Einrichtung
zur Rückkopplung des am Verstärker austretenden und in Vergleich mit einer Bezugsgrdße
gesetzten Ausgangssignals, wobei durch ein in geeigneter Weise in die Schaltungsanordnung
geschaltetes Anzeigeinstrument eine Messung des Abstandes der Abtasteinrichtung
vom WerkstUck möglich wird.
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In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
dargestellt. Darin zeigt: Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausfüiirungsbeispieles,
wobei eine Rückkopplung zur Abtasteinrichtung der Vorrichtung erfolgt; Fig. 2 die
detaillierte Schaltung eines Teils des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
; Fig. 3 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispie les, wobei die Rückkopplung
zu dem zum Werkstück führenden Signal erfolgt; Fig. 4 das Blockschaltbild eines
weiteren Ausführungsbeispieles, wobei das Werkstück geerdet ist; Fig. 5 das Schaltschema
eines abgestimmten Schaltkreises und der Kopplung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbei
spieles.
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Beim Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 ist ein Werkstück 11, dessen
Umriß, Oberflächengestalt oder dgl. kontaktlos gemessen werden soll, in geringem
Abstand von einer Abtasteinrichtung wie z. B. einer kapazitiven Sonde 12 angeordnet.
Die Sonde 12 ist dabei nach Art eines ebenen, in der Zeichnung nicht dargestellten
Schutz- oder Schirmringes ausgebildet, der einen Kondensator mit drei Anschlüssen
bildet, wovon das Werkstück 11 den einen Anschluß darstellt. Die Sonde 12 ist beispielsweise
aus einer Metallröhre gefertigt, die an ihrem einen Ende blank ist und einen isolierten
feinen Draht aufweist, der durch die Mitte des blanken Endes geführt und in Ebene
dieses Rohrendes abgeschnitten ist. Hierdurch wird eine Plattenfläche erhalten,
die annähernd gleich der querschnittsfläche des Drahtes ist. Das Werkstück 11 wird
über einen Oszillator 13 mit Hochfrequenzenergie gespeist. Ein Bruchteil dieser
Signalenergie wird dabei mittels der zwischen dem Werkstück 11 und der Sonde 12
herrschenden Eapazität auf die abgeschirmte Platte, d.h. auf den isolierten feinen
Draht der Sonde 12 übertragen.
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Dieser, der Sonde 12 zugeführte HochfrequenzsignalaDteil wird schließlich
über einen Verstärker 14 mit konstantem Verstärkungsfaktor einem in seiner Verstärkung
regelbaren Verstärker 15 zugeführt. Dem Verstärker 15 ist zur Gleichrichtung des
Zochfrequenzsignals ein Gleichrichter 17 nachgeschaltet. Das gleichgerichtete Signal
wird wiederum einem Vergleicher 18 (Oomparator) zugeführt, in welchem es in Vergleich
zu einer von einem Generator 19 gelieferten Bezugsgröße, d. h. in vorliegendem Fall
zu einer Bezugsspannung gesetzt wird. Das am Vergleicher 18 austretende Signal wird
zum Verstärker 15 zurückgekoppelt. Dieser Verstärker weist einen in Basisschaltung
geschalteten Transistor auf, dessen Verstärkung annähernd linear dem Eingangsetrom
ist.
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Zu diesem Zweck wird in der Verstärkerstufe 15 eine Art Gleichstromrückkopplung
benutzt, bei welcher die Wechselstromverstärkung direkt mit dem mittleren Eingangsstrom
veränderbar ist. Der mittels einer geeigneten Anzeigevorrichtung 20 registrierte
Rückkopplungsstrom ist dabei der Abstand änderung des Werkstückes 11 von der Sonde
12 direkt proportional.
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Wie aus der in Figur 2 dargestellten Schaltung ersichtlich ist, wird
das Sondensignal über eine abgeschirmte Leitung 21, die Teil des Schutzringes, d.
h. der Metallröhre ist, in den abgestimmten Eingangskreis 16 eines in Basisschaltung
geschalteten Transistors 22 eingespeist. Der abgestimmte Schaltkreis 16 kompensiert
dabei die zwischen der Sondenleitung und der Abschirmung herrschende unerwünschte
Kapazität.
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In der Sonde 12 wird ein Wechselstrom geringer Stärke erregt, der
durch den Resonanzeffekt des Abstimmkreises 16 verstärkt wird. Der im abgestimmten
Kreis 16 fließende Strom stellt für den Transistor 22 ein Stromsignal dar, das verstärkt
und der entsprechenden einen Wicklung eines in den Kollektorkreis des Transistors
22 geschalteten Ubertragers 23 zugeführt wird.
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Das Signal ist über diesen Übertrager induktiv mit der zweiten Stufe
15 gekoppelt. Der übertrager 23 selbst stellt dabei eine konstante Spannungsquelle
niedriger Impedanz für Hochfrequenzsignale dar und dient zur Stromrückkopplung in
diese zweite Stufe. Diese Stufe bildet dabei einen Spannungsverstärker, der ebenfalls
einen in Basisschaltung geschalteten Transistor 24 aufweist, dessen Verstärkung
dem Eingangsstrom im wesentlichen linear ist.
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Der Transistor 24 besitzt einen abgestimmten Schaltkreis und bewirkt
eine weitere Spannungsverstärkung des Signals, dessen Spannungshöhe gerechnet von
Spitze zu Spitze an dieser Stelle der Schaltung etwa 5 Volt beträgt. In diesen Schaltkreis
ist ferner ein Dämpfungswiderstand 25 geschaltet, dessen Aufgabe in der Herabsetzung
des Resonanzeffekts und damit in einer Verbesserung der Stabilität liegt0 Der Widerstand
25 übt darüberhinaus eine die Empfindlichkeit des Schaltkreises steuernde Funktion
aus.
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In seinem weiteren Verlauf wird das Signal über ein die Impedanz wechselndes
Netzwerk 26,27 dem Qleichrichter 17 zugeführt, wo es gegen Erde gepolt ist. Im Anschluß
hieran wird das Signal mittels einer Diode 28 gleichgerichtet und dabei ein Gleichstromsignal
von etwa + 5 Volt erhalten, das in einem sogenannten Vergleicher 18 gegen eine Bezugsspannung
etwa gleicher Größe verglichen werden kann.
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Die BezugsspPnnung wird dabei von einem BezugsRpannungsgenerator 19
erzeugt und von einer Zehner-Diode 30 geringen Temperaturkoeffizientens abgenommen.
Die beiden Transistoren des Vergleichers 18 sprechen auf eine Änderung der Größe
des Gleichstromsignals und damit auf Veränderungen des Abstandes der Sonde 12 vom
Werkstück 11 an. Der Strom des zugeordneten Transistors wird dabei zu dem in seiner
Verstärkung regelbaren Verstärker 15 in Gegenphase zurückgeführt, so daß der Ausgang
dieser Stufe im wesentlichen auf konstanter Spannung verbleibt, Eine Anzeigevorrichtung,
wie z. B. ein Gleichstrommilliamperemeter 20 mit einer Anzeigegenauigkeit von wenigstens
1% ist dabei in die Rückleitung geschaltet und ermöglicht die Kontrolle des Rückkoppelstromes,
der im wesentlichen der Abstandsänderung zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück
11 linear ist. Die Anzeigeempfindlichkeit dieser Vorrichtung liegt in der Größenordnung
von 1 Milliampere bei einem Abstand der Sonde 12 von dem Werkstück 11 von etwa 0,025
mm.
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Bei dem in Figur 3 gezeigten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung erfolgt
die Rückkopplung des Stromes unmittelbar zu dem zum Werkstück 11 führenden Hochfrequenzsignal.
Der wiederum von einem Vergleicher 18 abgegriffene Rückkoppelstrom wird dabei in
eine zwischen den Oszillator 13 und das Werkstück 11 geschaltete und in ihrer Verstärkung
regelbare Verstärkerstufe 33 eingespeist. Dies führt dazu, daß die Amplitude des
Trägersignals in Abhängigkeit vom Abstand der Sonde 12 vom Werkstück 11 variiert
wird. Da nämlich die Sonde 12 in die Bückkoppelachleife eingeschaltet ist, werden
alle Änderungen des Abstandes der Sonde 12 vom Werkstück, die, wie bereits erwS-hnt,
zu einer Veränderung des rägersignals führen, unverzüglich über den Vergleicher
18 und die das rägersignal veratärkende Einrichtung zurückbezogen, um am Werkstück
11 kompensiert zu werden. Dies führt zu einem linearen Wechsel des Trägersignals
mit der Entfernung und zwar unabhängig davon ob der in seiner Verstärkung regelbare
Verstärker 33 in seiner Verstärkung entsprechend linear arbeitet.
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Der eigentliche Sondenschaltkreis entspricht im wesentlichen demjenigen
der ersterwähnten Ausführungsform. Der einzige
erhebliche Unterschied
besteht lediglich darin, daß die zweite Stufe des dem Verstärker 15 in Figur 1 und
2 entsprechenden Verstärkers, nämlich der Verstärker 34 eine konstante, d,h, nicht
regelbare Verstärkung aufweist.
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Die im Trägersignalschaltkreis verwendete, in ihrer Verstärkung regelbare
Verstärkerstufe 33 kann hierbei der bereits erwähnten entsprechenden Verstärkerstufe
entsprechen. ur Erzielung des gewünschten Psgels des Hochfrequenzsignals ist dieser
Verstärkerstufe eine in der Zeichnung nicht dargestellte Verstärkerstufe nachgeschaltet,
die in ihrer Verstärkung nicht regelbar ist. Zur Messung des am Werkstück anliegenden
Signals kann eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Röhrenvoltmeter 20 verwendet werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerstufe 33 so ausgebildet,
daß ihre Verstärkung durch Anlegen eines von der Sonde 12 abgegriffenen Rückkoppelsignals
variiert wird, und zwar derart, daß das am Werkstück anliegende Signal verändert
wird um das von der Sonde 12 und damit vom Verstärker 34 abgeführte Signal im wesentlichen
konstant zu halten. Das am Werkstück anliegende Signal wird dabei von der vorerwabnten
Anzeigevorrichtung aufgezeigt und als Maß für den Abstand des Werkstückes 11 von
der Sonde 12 gewertet.
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Die Anzeigeempfindlichkeit dieser Anordnung beträgt bei einem Sondendurchmesser
von etwa 0,33 mm ca. 2 Volt pro 0,625 mm Abstand zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück
11.
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Bei einem in Figur 4 dargestellten weiteren AusfUhrungsbeispiel des
Gegenstandes der Erfindung ist die Anordnung im wesentlichen nur dahingehend abgeändert,
daß nunmehr das Werkstück 11 geerdet ist. Die Rückkopplung erfolgt wieder zu dem
vom Oszillator 13 abgeführten Hochfrequenzsignai, wobei das Hochfrequenzsignal im
regelbaren Verstärker 33 verstärkt wird und einen Leistungsverstärker 40 antreibt.
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Das vom Leistungsverstärker austretende Signal wird über einen Abstimmkreis
41 in den Spalt zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück 11 eingespeist. Der Abstimmkreis
41 und der zentrale Leiter der Sonde 12 sind dabei gemäß Figur 5 mittels
einer
Abschirmung 42 gegen Erde abgeschirmt und mit dem Ausgang des Leitsungsverstärkers
40 verbunden. Dieser Art bildet der zentrische Leiter der Sonde 12 mit der Abschirmung
42 einen Teil der Kapazität des Abstimmkreises 41. Die einzige Kapazität gegen Erde
rührt somit von dem stirnseitigen Ende des zentralen Leiters der Sonde 12 her.
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Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung fließt in dem Spalt zwischen der
Sonde 12 und dem geerdeten Werkstück 11 ein HochfrequenzstroniVorausgesetzt, daß
die Abschirmung 42 ausreichend ist, ist dies der einzige durch den Abstimmkreis
41 fließende Strom, wobei entsprechend dem Resonanzeffekt des Abstimmkreises 41
ein größerer Stromfluß in diesem Schaltkreis hervorgerufen wird.
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Eine sorgfältig abgeßchirmte Koppelschleife 43 (s.Fig.5) übernimmt
dabei den im induktiven Teil des Abstimmkreises 41 fließenden Strom und führt diesen
dem Ausgang des Sondenverstärkers 14 zu. Die Koppelschleife selbst wird von einem
Leiter gebildet, der von einer geerdeten Abschirmung umgeben ist, wodurch eine auf
kapazitivem Wege erfolgende Energieentnahme aus d em dem Leistungsverstärker 40
vermieden wird. Diese Abschirmung ist von einer weiteren Abschirmung umhüllt, die
mit der den Abstimmkreis umgebenden Abschirmung 41 leitend verbunden ist. Hierdurch
werden gegen Erde gerichtete Streukapazitäten des Abstimmkreises 41 unterbunden.
Auf die Abschirmung des Abstimmkreises 41 gegen Erde muß dabei besondere Sorgfalt
verwendet werden, da ansonsten ein großes stehendes Signal in der goppelschleife
43 auftritt und damit der Meßbereich der Vorrichtung erheblich beschränkt wird.
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Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, wurde es daher für notwendig
erachtet, den festen Schirm 42 sowie ein Metallgehäuse für den äußeren Schirm der
Koppelschleife 43 zu verwenden.
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Der Abstimmkreis 41 und der zentrale Leiter der Sonde 12 sind zusätzlich
noch durch einen geerdeten Schirm 44 abgeschirmt. Hierdurch wird eine eventuelle
Streuung der Hochfrequenzspannung vermieden. Die Kapazität zwischen den Schirmen
42 und 44 bildet dabei einen Teil der Abstimmkapazität des Ausgangsschaltkreises
des Leistungsverstärkers 40.
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Das vom Sondenverstärker 14 abgenommene Ausgangssignal wird beim Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 4 im Gleichrichter 17 gleichgerichtet und das hierbei entstehende Gleichstromsignal
im Vergleicher 18 in Vergleich zu einer Bezugsspannung gesetzt. Der dem Vergleicher
18 entnommene Rückkoppelstrom wird, wie bei den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen
erwähnt, in den zwischen dem Oszillator 13 und den Leistungsverstärker 40 angeordneten
und in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker 33 eingespeist. Die Amplitude des
Urägersignals wird dabei in Abhängigkeit von der Änderung des Abstandes der Sonde
12 vom Werkstück 11 variiert0 Da nämlich die Sonde 12 in die Rückkoppelschleife
geschaltet ist, führt jede Abstandsänderung der Sonde 12 vom Werkstück 11 eine Änderung
des Trägersignals herbei, die unverzüglich über den Vergleicher 18 und den Trägerverstärker
rückgekoppelt wird um an der Sonde 12 kompensiert zu werden.
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Mit Ausnahme dessen, daß der Sondenverstärker 14 im vorliegenden Fall
eine konstante und nicht in ihrer Verstärkung regelbare Verstärkung besitzt, entspricht
hierbei der Schaltkreis der Sonde 12 im wesentlichen demjenigen des ersten Aüsführungsbeispieles.
Dieim Schaltkreis des Trägersignals verwendete und in ihrer Verstärkung regelbare
Verstärkerstufe 33 kann dabei gleich der beim ersterwähnten Ausführungsbeispiel
aufgezeigten Verstärkerstufe entsprechen. Wahlweise kann auch der Ausgangspegel
des Oszillators 13 unmittelbar durch das vom Vergleicher 18 abgegriffene Rückkoppelsignal
gesteuert werden. Allerdings hat sich dies, insbesondere mit Rücksicht darauf, daß
häufig die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 13 mit dem Wechsel der Amplitude
geändert wird, als nicht besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die Anzeige der Entfernung--der Sonde 12 von der Oberfläche des Werkstückes
11 erfolgt durch die Amplitude des am Leistun-gsverstärker 40 austretenden Signals.
Als Anzeigevorrichtung dient dabei wiederum z. 3. ein Röhrenvoltmeter.
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Beim letzterwähnten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerstufe 33
wiederum so ausgebildet, daß ihre Verstärkung durch Anlegen eines von der Sonde
12 abgeleiteten Rückkoppelsignales
variiert wird, und zwar derart,
daß sich das vom Leistungsverstärker 40 kommende Antriebssignal ändert, um das von
der Sone 12 austretende und über den Verstärker 14 zum Gleichrichter 17 weitergeleitete
Signal im wesentlichen konstant zu halten.
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Das vom Leistungsverstärker 40 kommende Signal wird wiederum vom Anzeigeinstrument
20 als Maß für den Abstand der Sonde 12 vom Werkstück 11 wiedergegeben. Die Anzeigeempfindlich
keit der Vorrichtungen nach Figur 3 und 4 ist beidemal durch entsprechende Wahl
der Verstärkung des Sondeenverstärkers 14 einstellbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens ermöglichen den Umriß sowie die Oberflächengestalt eines Werkstückes
mit größter Genauigkeit zu ermitteln, wobei es von erheblichem Vorteil ist, daß
diese Bestimmung durch ein kontaktloses Verfahren erfolgt, was insbesondere bei
Werkstücken sehr weichen und damit leicht verletzbaren Materials von erheblichem
Vorteil ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das gesamte zur
Verfügung stehende Signal ausgenutzt wird, da nämlich keine Kompensation und kein
Nullabgleich vorgenommen zu werden braucht und auch keine Brückenschaltung zur direkten
Messung der Kapazität erforderlich ist0 Ein Vorteil der Erfindung, wie er beim zweiten
und dritten Ausführungsbeispiel zum Ausdruck kommt, liegt übrigens in der linearen
Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Signal und dem Abstand zwischen der Sonde und
dem Werkstück. Abgesehen davon genügen die vorerwähnten Ausfuhrungsbeispiele in
besonders hohem Maße den Schutzbestimmungen, da nämlich der Signalpegel mit abnehmender
Entfernung der Sonde vom Werkstük ebenfalls abnimmt, so daß das Signal bei deren
Berührung auf den Strom- bzw.
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Spannungswert Null abgesunken sein kann.