DE1473779B2

DE1473779B2 - Profilaufzeichnungsvorrichtung

Info

Publication number: DE1473779B2
Application number: DE19651473779
Authority: DE
Inventors: Robert A. Berkley Mich. Wilson (V.St.A.)
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1964-12-21
Filing date: 1965-12-20
Publication date: 1970-09-17
Also published as: FR1462603A; US3259989A; GB1124969A; DE1473779A1

Description

Die Erfincurg betrifft eir.e Profilaufzeichnungsvorrichtung mit einem Tisch zur Halterung eines Werkstückes mit einer Achse, einem Vorzeichner mit einem eine Werkstückoberfläche abfühlenden Abtaster, einem Drehantrieb, der den Tisch und den Vorzeichner relativ zueinander um eine zur Werkstückachse parallele Achse dreht, eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Radilalbewegung des Abtasters während der Relativbewegung des Abtasters um die Werkstückoberfläche, synchron mit der Drehbewegung angetriebenen Resolvereinrichtungen, die das elektrische Signal in zwei Komponenten in zwei aufeinander und auf der Werkstückahse stehenden Richtungen zerlegen, und Integrationseinrichtungen zum Integrieren der beiden Komponenten.

Bei Profilaufzeichnungsverrichtungen dieser Art muß das Werkstück bezüglich der Umlaufachse des Tisches oder des Vorzeichners genau zentriert werden, um genaue Messungen zu erhalten. Gewöhnlich wird diese Zentrierung von Hand nach dem Vierpunktverfahren durchgeführt. Dazu wird der Tisch mit dem Werkstück so lange nachjustiert, bis die Anzeigewerte auf der Meßeinrichtung an zwei gegenüberliegenden Punkten ein Minimum zeigen und in der Amplitude gleich groß sind. Diese Justierung wird an mehreren solchen Punktepaaren durchgeführt und mehrmals wiederholt, wobei jedesmal eine zunehmend größere Empfindlichkeit zur Anwendung kcmmt, bis eine optimale Justierung des jeweiligen Werkstückes erreicht ist. Schließlich muß noch der Verzeichner radial so eingestellt werden, daß die Meßausschläge aus der Nullage nach beiden Richtungen etwa gleiche Amplituden haben. Schließlich besteht noch bei einer bekannten Verrichtung der oben beschriebenen Art (französische Patentschrift 1 377 837) der Nachteil, daß eine annähernd kreisförmige Form des Werkstückes vorausgesetzt wird. Diese bekannte Vorrichtung läßt sich auch nur dazu verwenden, die Lage der Achse eines zwar nicht genau, aber doch beinahe kreisförmigen Werkstückes gegenüber der Drehachse der Abtastverrichtung zu bestimmen. Größere Abweichungen des Werkstückumfanges von der Kreisform werden dagegen bei der Koordinatenbestimmung nicht berücksichtigt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Prcfilaufzeichnungsvorrichtung zu schaffen, die die genaue Mittelpunktlage auch'solcher Werkstücke ermitteln kann, die im Querschnitt nicht genau cder beinahe genau kreisförmig sind, und insbesondere soll unabhängig von der Geschicklichkeit des Bedienungsmannes eine große Meßgenauigkeit erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Profilaufzeichnungseinrichtung der eben beschriebenen Art gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Zentrieren des Werkstückes und zur Einstellung der Radiallage des Vorzeichners vor der Aufzeichnung, einschließlich einer Integrationseinrichtung, die die beiden Quadraturkomponenten über einen bestimmten Drehwinkel integriert und erste elektrische Meßgrößen erzeugt, die die Entfernung der Werkstückachse von der Drehachse in beiden senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen darstellen, zwei Servomotoren zur gegenseitigen Relativverschiebung des Tisches und und des Vorzeichners in beiden Richtungen in Abhängigkeit von den Meßgrößen, so daß die Drehachse mit der Werkstückachse fluchtet, eine weitere Integrationseinrichtung, die das elektrische Signal über den gleichen Drehwinkel integriert und zweite elektrische Meßgrößen erzeugt, die die Unebenheiten der Werkstückoberfläche darstellen, und einen dritten Servomotor zur Radialverstellung des Vorzeichners gegenüber der Drehachse in Abhängigkeit von den zweiten elektrischen Meßgrößen, um den Vorzeichner auf eine dem Nullwert der elektrischen Meßgrößen entsprechende vorbestimmte mittlere Lage einzustellen.

Die erfindungsgemäße Profilaufzeichnungseinrichtung berücksichtigt bei der Koordinatenbestimmung auch erhebliche Abweichungen von der Kreisform, und außerdem wird die Werkstückachse in Abhängigkeit von den ermittelten Koordinaten automatisch auf die Drehachse des Vorzeichners zentriert, wobei die Verschiebung des Werkstückes bereits eingeleitet werden kann, bevor eine volle Umdrehung durchgeführt ist. Schließlich ermittelt die erfindungsgemäße Einrichtung in Abhängigkeit von der Werkstückform den jeweils benötigten Abstand des Abtasters von der Drehachse und sorgt somit für eine automatische Verstellung des Abtasters auf die ermittelte Nullage. Die erfindungsgemäße Einrichtung, die schnell und gleichbleibend genau arbeitet, ist somit nicht von der Geschicklichkeit des Bedienungsmannes abhängig. Ferner kann sie in vorteilhafter Weise ohne Schwierigkeit in bereits vorhandene Aufzeichner eingebaut werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Profilaufzeichners mit einem Tisch und einem umlaufenden Vorzeichner, die automatisch eingestellt werden, um einen Gegenstand auf dem Tisch mit Bezug auf die Umlaufachse des Vorzeichners zu zentrieren, wobei einige Teile fortgebrochen sind, um die Quersupporte des Tisches zu zeigen, die eine Einstellung des Gegenstandes auf lotrecht zueinander liegenden Achsen ermöglichen,

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Vorzeichners, dessen Abtaster mit einem Probestück zusammenarbeitet.

Fig. 2A einen vergrößerten Schnitt durch die Vorzeichnereinstelleinrichtung nach der Linie 2A-2A in Fig. 1,

F i g. 3 einen waagerechten Schnitt durch den Tischsupport nach der Linie 3-3 der Fig. 1,

F i g. 4 ■ ein Schaltschema einer grundsätzlichen Servosteuerung mit geschlossener Schleife zum Zentrieren des Probestückes nach einer vollständigen Umdrehung des Vorzeichners,

F i g. 5 ein Schaltschema einer vereinfachten, vollständigen Servosteuerung zur Einleitung der Zentrierung des Probestückes während einer Anfangsumdrehung des Vorzeichners,

F i g. 6 ein Schaltschema des Servoverstärkers zum automatischen Verändern des Zugewinns der geschlossnen Schleife in der Servosteuerung.

Die Zeichnungen zeigen einen umlaufenden Profilaufzeichner unter Verwendung einer automatischen Zentriereinrichtung 10 mit einer senkrechten Säule 12, die von einer angeformten, ebenen, waagerechten Grundplatte 14 getragen wird. Die Grundplatte 14 nimmt zwei Quersupporte 16, 18 auf, die eine gradlinige Einstellung in zwei zueinander lotrechten Richtungen gestatten. Der Support 16 ist auf V-Füh-

rungen 19 in der Längsrichtung nach vorn und zurück auf einer Γ-Achse beweglich, die durch den Pfeil 20 bezeichnet ist (Fig. 1 und 3). Der Support 18 ist auf V-Führungen 21 in der Querrichtung (seitwärts) auf einer X-Achse beweglich, die durch einen Pfeil 22 bezeichnet ist (F i g. 1 und 3). Auf dem Support 18 ist ein Tisch 24 fest angeordnet, der durch die Supporte 16 und 18 in einer waagerechten Ebene in alle Richtungen beweglich ist. Der Tisch 24 weist eine ebene Oberseite 26 mit darauf gelagerten Backen 27 auf, die ein Probestück 28, dessen Profil aufzuzeichnen ist, aufnehmen und festklemmen. Über dem Tisch 24 ist ein Schlitten 30 zur Ausführung einer senkrechten Bewegung auf der Säule 12 angebracht. In dem Schlitten 30 ist eine senkrechte Welle 32 mit einer Achse 33 gelagert, die von einem mit dem oberen Ende der Welle 32 verbundenen Motor 34 gedreht wird. An dem unteren Ende der Welle 32 ist ein waagerechter Träger 38 fest angeordnet. Auf dem Träger 38 ist durch eine V-Führung 41 ein Vorzeichner 40 angeordnet, um radial zur Welle 32 ein einstellbare Bewegung auszuführen. Der Vorzeichner 40 weist einen Taster oder einen Stift 42 auf, der nach unten und radial nach innen vorsteht, um bei Drehung der Welle 32 die äußere Umfangsfläche des Werkstückes 28 zu berühren. Wie in der F i g. 2 schematisch angedeutet ist, ist der Vorzeichner 40 mit einem Joch 50 versehen, auf dem der Stift 42 beweglich angeordnet ist. Zwischen dem Stift 42 und dem Joch 50 ist eine Druckfeder 51 eingesetzt, um den Stift 42 nachgiebig radial nach innen zu drücken. Eine ebenfalls von dem Joch 50 aufgenommene Spule 52 ist mit einem Generator 53 von 4 kHz elektrisch verbunden. Die Spule 52 ist relativ zu dem Stift 42 derart angeordnet, daß eine radiale Bewegung des Stiftes 42 relativ zum Joch 50 durch den Modulationsstrom in der Spule 52 in ein elektrisches Signal umgeformt wird. Das modulierte Ausgangssignal von dem Vorzeichner 40 (Spule 52) ist ein Maß für den Zentrierungsfehler und die Konzentrizität des Probestückes 28 mit Bezug auf die Umlaufachse 33 der Welle 32 zusammen mit einem Maß für Oberflächenfehler.

Die umlatifende Profilaufzeichnungseinrichtung ist den bekannten Aufzeichnungseinrichtungen ähnlich. Bei solchen Aufzeichnungseinrichtungen werden die radiale Lage des Vorzeichners 40 und die waagerechte Lage der Quersupporte 16 und 18 auf den entsprechenden Y- und X-Achsen 20 bzw. 22 durch Präzisionsspindelschrauben von Hand eingestellt. Nach der Erfindung sind zur Einstellung der Supporte 16 und 18 auf den Y- und X-Achsen 20 und 22 zwei Servomotoren 50 a und 52 a (Fi g. 3) vorgesehen, um das Probestück 28 mit Bezug auf die Umlaufachse 33 der Welle 32 zu zentrieren. Die radiale Lage des Vorzeichners 40 und des Stiftes 42 mit Bezug auf das Probestück 28 wird durch einen Servomotor 54 (F i g. 2A) eingestellt.

Obwohl die besonderen Vorrichtungen für die Bewegung des Vorzeichners und der Supporte 16 und 18 in Abhängigkeit von den Motoren 50α, 52α und 54 keinen wesentlichen Teil der Erfindung bilden, sei zur Erläuterung erwähnt, daß die Motoren 50a und 52a in der Grundplatte 14 untergebracht sind. Der Motor 50a ist in der Grundplatte 14 befestigt und mit seiner Abtriebswelle 56 an seine Feineinstellschraube 58 angeschlossen, die sich auf der F-Achse 20 entlang radial nach innen erstreckt. Die Schraube 58 ist in eine Mutter 60 eingeschraubt, die wieder auf einem in der Grundplatte 14 gleitend gelagerten Block 62 befestigt ist. Der Block 62 stößt gegen ein auf einer Seite einer Stange 66 befestigtes Lager 64 an. Diese Stange 66 ist an dem Support 18 befestigt und hängt von ihm herab. Die Grundplatte 14 weist eine zentrale Ausnehmung 68 auf, die die Stange 66 zur Ausführung einer Bewegung darin aufnimmt, und die Stange erstreckt sich ebenfalls durch eine mittlere Öffnung (nicht gezeigt) des Supportes 16 hindurch.

ίο In gleicher Weise ist der Motor 52a in der Grundplatte 14 befestigt und mit seiner Abtriebswelle 70 an eine Feineinstellschraube 72 angeschlossen, die sich auf der X-Achse 22 radial nach innen erstreckt. Die Schraube 72 ist in eine Mutter 74 eingeschraubt, die wieder auf einem in der Grundplatte 14 gleitend gelagerten Block 76 befestigt ist. Der Block 76 stößt gegen ein Lager 78 an, welches um 90° von dem Lager 64 versetzt an der Stange 66 befestigt ist. Die Stange 66 wird durch Lager, die den Schrauben 58 und 72 diametral gegenüberliegen, von zwei federbelasteten Stangen 80 und 82 erfaßt. Die Stangen 80 und 82 halten die Blöcke 62 und 76 mit den Lagern 64 und 78 . in Zusammenwirkung, so daß die Drehung der Schrauben 58 und 72 auf Grund der Motoren 50 a bzw. 52 a die Stange 66, den Support 18, den Tisch 24 und das Probestück 28 auf den Y- und X-Achsen entlangbewegt. Der Motor 54 ist an dem einen Ende des Trägers 38 (F ig. 2A) befestigt und durch einen Getriebezug 86 zum Antrieb mit einer Feineinstellführungsschraube 84 verbunden. Die Schraube 84 ist mit einem Ende in einer Endplatte 88 auf dem Träger 38 gelagert und durch diese axial festgelegt. Die Schraube 84 erstreckt sich in der Längsrichtung des Trägers 38 und der Führung 41, und auf ihr anderes Ende ist eine Mutter 90 aufgeschraubt, die auf dem Vorzeichner 40 befestigt ist. Die Mutter 90 dient auch als ein Keil zur beweglichen Halterung des Vorzeichners 40 in der Führung 41. Die Drehung des Motors 54 in entgegengestzte Richtungen bewegt den Vorzeichner 40 in entgegengesetzte Richtungen auf der Führung 41 entlang radial zur Welle 32, wie es in der F i g. 1 gezeigt ist.

Nach der Darstellung in der F i g. 3 stehen die Wellen 56 und 70 der Motoren 50 a und 52 a von der Grundplatte 14 nach außen vor und sind mit Knöpfen 91 und 92 zur Einstellung der Schrauben 58 und 72 von Hand versehen. In gleicher Weise steht die Schraube 84 auf dem Träger 38 durch die Endplatte 88 vor und ist mit einem Knopf 93 versehen, um die Schraube 84 von Hand einzustellen.

F i g. 4 zeigt den modulierten Ausgang von dem Vorzeichner 40 (Spule 52), der beispielsweise durch Schleifringe (nicht gezeigt) an einen Verstärker 96 gekuppelt ist, dessen Ausgang wieder über einen Schalter 100 mit einem Aufzeichner 98 verbunden ist. Der Verstärker 96 hat einen einstellbaren Zugewinn zur Veränderung der Empfindlichkeit des Aufzeichners 98. Der Verstärker 96 ist ein Grundbestandteil eines umlaufenden Aufzeichners, um während der von Hand durchgeführten Zentriervorgänge eine von Hand veränderliche Empfindlichkeit vorzusehen. Der Aufzeichner 82 kann ein bekannter Aufzeichner in Form einer bandförmigen oder kreisförmigen Karte sein.

Der Schalter 100 ist mit einem Kontakt 104 durch eine Leitung 106 an einen Auflöser 108 angeschlossen (F i g. 1 und 4). Der Auflöser 108 ist an sich bekannt und umfaßt einen Stator und einen Rotor. Der Rotor

des Auslösers 108 wird von dem Motor 34 angetrieben, wie es in der F i g. 1 schematisch gezeigt ist, um mit der Welle 32 und dem Vorzeichner 40 synchron umzulaufen. Der Stator des Auflösers 108 ist relativ zu den Y- und X-Achsen 20 und 22 so ausgerichtet, daß zwei Quadratursteuersignale entwickelt werden, die auf den Y- und X-Achsen 20 und 22 entlang aufgelöst werden.

Mit anderen Worten sind die Ausgangssignale von dem Auflöser 108 Sinus- und Cosinusfunktionen entsprechend den Komponenten des Vorzeichnerausganges auf der X- und Y-Achse. Wenn beispielsweise die Winkelstellung Θ des Stiftes von der F-Achse gemessen wird, dann ist das Signal der X-Achsenquadratur eine Sinusfunktion des Vorzeichenausganges, und das y-Achsenquadratursignal ist eine Cosinusfunktion des Vorzeichenausganges. Das X-Achsenquadratursignal wird über einen Demodulator 109 von 4 kHz auf ein Summiergerät 110 übertragen, dessen Ausgang an den Servomotor 52 α angeschlossen ist (Fig. 3 und 4). Das Y-Achsenquadratursignal von dem Auflöser 108 wird über einen Demodulator 115 von 4 kHz auf ein Summiergerät 116 übertragen, dessen Ausgang an den Servomotor 50a angeschlossen ist (Fig. 3 und 4). Der Vorzeichnerausgang von dem Verstärker 96 ist außerdem durch den Kontakt 104, die Leitung 106 und einen Demodulator 123 von 4 kHz an ein drittes Summiergerät 124 angeschlossen, dessen Ausgang wieder an den Servomotor 54 a geleat ist (F i g. 2A und 4).

Zur Einleitung eines Profilaufzeichnungsvorganges wird ein Probestück 28 auf dem Tisch 24 festgeklemmt und relativ zur Achse 30 der Welle 32 durch Handeinstellung der Knöpfe 91 und 92 grob zentriert. Der Stift 42 wird sodann mit dem Umfang des Probestücks 28 durch den Einstellknopf 93 in Berührung gebracht. Der Schalter 100 wird mit dem Kontakt 104 in Berührung gebracht, und der Motor 34 wird betätigt, um die Welle 32 zu drehen und dadurch den Stift 42 um den Umfang des Probestücks 28 herumzubewegen. Der Stift 42 wird durch das Probestück 28 radial verschoben, um das Signal von dem Generator 53 zu modulieren. Das modulierte Ausgangssignal von dem Aufzeichner 40 wird verstärkt und auf den Auflöser 108 übertragen. Der Auflöser 108 führt bei jedem Umlauf des Stiftes 42 um das Probestück 28 herum eine Umdrehung aus, während der Stator des Auflösers so ausgerichtet ist, daß die aufgelösten Komponenten des Vorzeichensignals mit den beiden zueinander lotrechten Y- und X-Achsen 20 und 22 der waagerechten Einstellung in Beziehung gebracht werden, die für den Tisch 24 auf Grund der Führungen 19 und 20 und der Schrauben 58 und 72 verfügbar sind. Die aufgelösten Signale werden demoduliert und dann durch die Summiergeräte 110 und 116 aufgerechnet, während sich der Vorzeichner 40 um das Probestück 28 in einer Drehung herumbewegt, um ein Maß für Zentrierungsfehler in jeder Achse zu erlangen. Die Ausgänge von den Summiergeräten 110 und 116, die für eine vollständige Umlaufbewegung um das Probestück herum integriert sind, werden zur Wiedereinstellung des Tisches 24 durch die Servomotoren 50a und 52a benutzt, um die Zentrierfehler auf Null herabzusetzen. Der nicht aufgelöste Ausgang von dem Verstärker 96 wird demoduliert und dann durch das Summiergerät 124 um das Probestück 28 herum aufgerechnet, um ein Maß des Vorzeichnereinstellfehlers vorzusehen. Der Ausgang von dem Summiergerät 124 wird zur Neueinstellung des Vorzeichners 40 durch den Servomotor 50a verwendet, um den Fehler auf Null zu bringen. Das Verfahren kann bei fortschreitend höherer Empfindlichkeit wiederholt werden, bis die Ein-Stellungen auf der empfindlichsten Skala durchgeführt worden sind, die für das betreffende Probewerkstück verwendbar ist. Die Servomotoren 50a, 52a und 54 werden sodann entregt, und das Vorzeichnerausgangssignal, das nun nur ein Maß für die Oberflächenbeschaffenheit des Probestücks 28 ist, wird durch Bewegung des Schalters 100 zur Verbindung des Verstärkers 96 mit dem Aufzeichner 98 aufgezeichnet. Die in dieser Weise erzielte Zentrierwirkung ist tatsächlich eine Erweiterung des Vierpunkteverfahrens, das früher zum Zentrieren von Hand auf eine unbegrenzte Anzahl von Punkten auf dem Umfang des Werkstücks 28 angewendet wurde. Ein Querschnittsflächenmittelpunkt des Probestücks 28 wird in der von dem Stift 42 berührten Ebene mit der Drehachse 33 der Welle 32 ausgerichtet.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist es möglich, das Ausgangssignal von dem Vorzeichner 40 unmittelbar zur Steuerung der Motoren 50 a, 52 a und 54 zu verwenden. Die folgenden Überlegungen, die in Verbindung mit dem Betrieb der in F i g. 4 gezeigten "Servosteuerung angestellt wurden, bilden die Grundlage für die in F i g. 5 gezeigte Ausführungsform. Bei der Anordnung eines Probewerkstücks auf dem Tisch 24 durch den Bedienungsmann oder als Folge einer Lauf zentrierung berührt der Stift 42 das Probestück 28, und das Ausgangssignal von dem Vorzeichner 40 liegt beim Umlauf des Vorzeichners 49 um das Probestück 28 herum immer innerhalb seines linearen Bereiches. Das Ausgangssignal von der Spule 52 ist ein 4-kHz-Träger, dessen Amplitude durch die dem Stift 42 durch das Probestück 28 bei der Bewegung des Vorzeichners 40 um das Probestück 28 herum erteilte Verschiebung moduliert ist. Die folgenden Betrachtungen finden in der Modulationshülle oder

ihrem demodulierten Äquivalent ihren Ausgang. Nach der Grobzentrierung und vor Beendigung der Feinzentrierung kann dss Vorzeichnerausgangssignal wie folgt ausgedrückt werden:

= Et + Ec + Ew + Er,

in welcher
Ep

Et

E₁₀ =

E_r —

Gesamtausgangssignal von dem Vorzeichner 40,

Komponente von E_p infolge des Vorzeichnereinstellfehlers,
Komponente infolge des Tischzentrierfehlers,

Komponente infolge der »Niederfrequenz«- Abweichungen von der Rundheit oder der wellenförmigen Ausbilldung des Probestücks 28,

Komponente infolge der »Hochfrequenz«- Oberflächenrauheit des Probestücks 28.

Jede der Komponenten stellt ein Spannungsanlogon einer Verschiebung in Mikromillimeter dar. Für einen gegebenen Empfindlichkeitsbereich haben alle Komponenten denselben Skalenfaktor (Volt je Mikromillimeter). Der Skalenfaktor ändert sich bei einer Veränderung der Empfindlichkeit. In der Gleichung (1) sind die Komponenten Et und E,- diejenigen, die während des Zentriervorganges auf Null gebracht werden, während die Komponenten E₁₀ und E_r nach

Beendigung des Zentriervorganges aufgezeichnet werden.

Die auf den Vorzeichnereinstellungsfehler zurückzuführende Komponente E_t ist eine Konstante oder eine »Gleichströme-Bezeichnung, wenn der Vorzeichner um das Probestück 28 herum umläuft. Alle anderen Komponenten von E_v sind periodische Funktionen von Θ, der Winkeldrehung des Vor-Zeichners 40 um das Probestück 28 herum. Sie sind ebenso Funktionen der Zeit t, wobei Θ durch die Geschwindigkeit der Welle 32 ω_βρ, in Beziehung steht, und zwar bei übereinstimmenden Einheiten in Form der Gleichung

Θ = cusp t. (2)

Die Zentrierfehlerkomponente, die bei einem vollständig runden Probestück am besten sichtbar ist, ist periodisch bei einer Frequenz von 1 Hz je Umdrehung und wird durch die Formel

^oder

E₀ = Ec sin (Θ + O_c) (3 a)

E₀ = E' sin (cospt + Φ_ο) (3b)

wiedergegeben, wo Φ_ο die Winkelbeziehung zwischen dem Höchstwert des Zentrierfehlers und den Tischachsen 20 und 22 bedeutet. Wenn Φ_ο = 0 ist, dann ist nur in einer Tischachse eine Zentrierungskorrektur erforderlich; wenn Φ_ο = 90° ist, dann ist eine Korrektür nur in der zweiten Tischachse erforderlich. Für andere Werte von Φ_α ist eine Korrektur in beiden Achsen erforderlich.

Die Komponente infolge der Abweichung von der Rundheit E₁₀ ist ebenso periodisch. Für ein gegebenes ellipsenförmiges Probestück ist E_w bei 2 Hz je Umdrehung periodisch; für eine dreieckige Verformung bei 3 Hz je Umdrehung, oder allgemein

£ — £ ' _sm (ηθ -l· Φ )

w 10 κ n)

(4)
K)

_n _{= 2 3}

Unregelmäßige Probestücke mit augenscheinlich willkürlicher Verformung (die sich nur einmal je Umdrehung wiederholt), können durch die Fouriersche Analyse als aus Kombinationen (Summen und Differenzen) von Ausdrücken der Formel der Gleichung (4) bestehend dargestellt werden. Sehr häufig scheint jedoch ein einziger Ausdruck vorzuherrschen. Jede Eigenfrequenzausdrücke, die von einem unreg'elmäßigen Probestück herrühren, werden durch das Zentriersystem als Zentrierfehler gedeutet und werden in die durchzuführende Tischkorrektur mit einge-

schlossen. Ein Ausdruck dieser Art tritt beispielsweise dann auf, wenn das Probestück einen Hocker oder eine Ausdehnung aufweist, die über einen verhältnismäßig großen Anteil von Θ anhält. Der Einschluß einer Korrektur für eine solche Unregelmäßgikeit in den Zentriereinstellungen ist allgemein in der Form wünschenswert, daß hierdurch eine maximale AufZeichnungsempfindlichkeit gestattet wird.
Die Komponente des Ausdruckes E_v, die der Oberfiächenrauhheit entspricht, nämlich E_r, besteht aus Ausdrücken der Gleichung (4), jedoch bei höheren Frequenzen. In diesem Falle ist es weniger wahrscheinlich, daß eine einzige Frequenz vorherrscht, und daher wird E_r am besten durch die folgende Formel ausgedrückt:

E_r = ^_,E._msm{m0 + Φηΐ) ■

Die Gleichung (1) kann dann wie folgt umgeschrieben werden:

E_p = Et + E₀ sin(Θ - Φ_ο) + E₁₀ sin(«0 + Φ_η)

25 In der unmittelbar folgenden Analyse wird das Obige jedoch wie folgt vereinfacht:

30 E₀ sin ψ - <P_C) + E₁₀ sin 2 & (7 a)

oder - c· _i_ c cin/v, <■

jj = -C* +-Oe SM (Cüsn ί

^v
(7 b)

35 da alle anderen Ausdrücke, die in Ep enthalten sein können, Ergebnisse erbringen, die gleich denjenigen sind, die für die oben eingeschlossenen Ausdrücke erzielt werden.

Um ein Maß für den Tischzentrierungsfehler entsprechend jeder Achse, in der korrigierende EinStellungen vorgenommen werden können, zu erhalten, muß E_v in zwei zueinander lotrechte Komponenten aufgelöst werden. Bei richtig ausgerichtetem Auslöser ergibt sich der Vorgang:

Ep* = Ep sin Θ E_px = E_p cos Θ.

50 Wird die Gleichung (7a) eingesetzt, dann ergibt sich

Q — £_csin²0cos Φ_α

und

Et sin<9 + £_csin(6> + 0_c)sin6> + £_wsin0sin2 Θ — Ec sin Θ cos Θ sin Φ« + E₁₀ sin θ sin 2 β

py — Et cos Θ+ Ee cos Θ sin Θ cos Φ_ο + £_ccos²0sin<Z>_c + £_w cos Θ sin 2(9.

(10)
(11)

Bei vollständiger Integration des Ausdruckes E_px um das Probestück herum ergibt sich der Gesamtfehler

2.τ 2 π 2 π 2 π 2 π

ε_χ == JEp_Xd0 = Et j ύηΘάΘ + £_ccos<Z>e / sin²<9d0 + Ε_ΟΦ_Ο j sinöcosödö + E_w j sin6>sin2 0

(12)
009 538/155

Ähnlich ist

2.-ι

ε,j = J Ε_Ρ!/άΘ = E_csm0_c. (13)

So verschwinden in der Integration alle Ausdrücke außerdem Ausdruck sin² 0 in E_px [Gleichung (10)] und dem Ausdruck cos² 0 in E_py [Gleichung (11)]. Diese

2.1

10

Ausdrücke geben ε_χ und e_y proportional zu den Komponenten des Zentrierungsfehlers E₀ auf jeder Achse. Die Ausdrücke ε_χ und ε_υ sind gleich 0, nur wenn der Zentrierungsfehler gleich 0 ist: E_c = 0. Um ein Maß für den Vorzeichnereinstellfehler s_t zu erzielen, wird das nicht aufgelöste Signal E_v der Gleichung (7a) um das Probestück herum integriert:

s_t = J Ε_ράΘ = J[Et + £_csin(<9 -f Φ_ο) + £«, sin 2 0] d 0 = 2nE_t

(14)

In dieser Integration verschwinden alle periodischen Ausdrücke, und es bleibt nur die Proportion E_t: Et, die gleich 0 wird, wenn E_t = 0 ist, und der Vorzeichner ist nach einem Umlauf richtig eingestellt, um die Höchstschwankungen in dem Vorzeichnerausgang in der Polarität zu egalisieren.

Das Ergebnis der vorhergehenden Schritte besteht darin, daß die Integration von E_px, E_vy und E_v einmal um das Probestück herum andere Werte als Null zum Ergebnis hat, die ein Maß dafür sind, um wieviel der Tisch 24 bewegt und um wieviel der Vorzeichner 40 eingestellt werden muß.

Auf Grund der Erkenntnis, daß die Zentrierung in einem einzigen Umlauf des Vorzeichners 40 vollendet werden kann, ist nach einem anderen Merkmal der Erfindung festgestellt worden, daß die Einstellung der Supporte 16 und 18 des Vorzeichners 40 während und vor Beendigung einer Anfangsumdrehung eingeleitet werden kann, um Zeit in dem Zentriervorgang zu sparen. Die F i g. 5 zeigt einen Servosteuerkreis zur ununterbrochenen Stellung der Supporte 16 und 18 während eines ersten Umlaufs zum allmählichen Reduzieren des Zentrierfehlers sowie zur Verringerung des Vorzeichnereinstellfehlers auf Null bei Beendigung eines Umlaufs des Vorzeichners 40 um das Probestück herum. Der Ausgang von dem Vorzeichner 40 (Spule 52) wird nach den F i g. 1 und 5 auf einen veränderlichen Dämpfungswiderstand 144 übertragen, dessen Ausgang wieder an einen Verstärker 146 gelegt wird. Mit dem Ausgang des Verstärkers 146 ist eine Leitung 148 verbunden, um während des Zentriervorganges einen Eingang für die Servosteuerung vorzusehen. Mit dem Ausgang des Verstärkers 146 ist außerdem ein Demodulator 150 verbunden.

Ein Dämpfungswiderstand 144, der Verstärker 146 und der Demodulator 150 bilden Stromkreise, die in bekannten umlaufenden Profilaufzeichnungsvorrichtungen bereits vorhanden sind. Ein Schalter 152 verbindet den Demodulator 150 wahlweise mit einem Aufzeichner 154 oder der Leitung 148 zu dem Servosteuerkreis.

Der Steuerkreis umfaßt allgemein einen Stromkreis 156 zum Einleitenden und Beenden eines Zentrier-Vorganges. Eine Leitung 158 verbindet den Stromkreis 156 mit einem Servovorzeichner 160 über eine Leitung 162 und mit einem Servoquertransport 164 über eine Leitung 166. Der Stromkreis 156 umfaßt ein Relais 170 mit vier Kontakten 172, 174, 176 und 178. Das Relais 170 ist über einen Handbetätigungsschalter 182 an die Stromquelle 180 angeschlossen. Die Kontakte 172 dichten das Relais 170 über normal geschlossene Kontakte 184 eines Randrelais 186 ab. Die Kontakte 174 verbinden eine einstellbare Zeitsteuerung 188 und einen Umdrehungszähler 190 mit der Energiequelle 180. Der Zähler 190 wird durch die Welle 32 angetrieben, um die Umläufe des Vorzeichners 40 zu zählen.

Die Kontakte 176 verbinden einen Anzeiger 192 mit der Energiequelle 180. Die Kontakte 178 verbinden den Ausgang des Verstärkers 146 mit der Leitung 158 über die Leitung 148 und einen Schalter 156, wenn der Schalter 152 sich in seiner Mittelstellung befindet.

Der Vorzeichnerservo 160 schließt einen Demodulator 200 ein, der an eine Additionsvorrichtung 202 angeschlossen ist, die wieder an einen 60-Hz-Modulator 204 angeschlossen ist. Der Modulator 204 ist an einem Servoverstärker 206 angeschlossen, der wieder an einem Servomotor 208 angeschlossen ist. Der Motor 208 ersetzt den Motor 54 (Fig. 2A und 4), um den Vorzeichner 40 einzustellen. An dem Motor 208 ist ein Gleichstromtachometer 210 angeschlossen, um eine Rückkopplung durch die Additionsvorrichtung 202 vorzusehen und die Ansprechung des Motors 208 linear zu gestalten. Die Servosteuerung 164 schließt einen Auflöser 214 ein, der mit dem in den F i g. 1 und 4 gezeigten Auflöser 108 identisch ist. Der Auflöser 214 entwickelt zwei Quadratursteuersignale, die Sinus- und Cosinusfunktionen entsprechend den Komponenten des Vorzeichnerausgangs auf der X- und F-Achse sind. Das X-Achsenquadratursignal ist über einen 4-kHz-DemoduIator 218, eine Additionsvorrichtung 220, einen 60-Hz-Modulator 222 und einen Servoverstärker 224 an einen Servomotor 216 angeschlossen. Zwischen dem Motor 216 und der Additionseinrichtung 220 ist ein Gleichstromtachometer 226 angeschlossen, um eine Rückkopplung vorzusehen, die die Ansprechung des Motors 216 linear gestaltet. Der Motor 216 ersetzt den in den F i g. 3 und 4 gezeigten Motor 52a zur Einstellung des Tisches 24.

In gleicher Weise wird das Quadratursteuersignal der 7-Achse von dem Auflöser 214 über einen 4-kHz-Demodulator 232, eine Additionsvorrichtung 234, einen 60-Hz-Modulator 236 und einen Servoverstärker 238 auf einen Servomotor 230 übertragen. Zwischen dem Motor 230 und der Additionsvorrichtung 234 ist ein Gleichstromtachometer 240 angeschlossen, um eine Rückkopplung vorzunehmen, die die Ansprechung des Motors 230 linearisiert. Der Motor 230 ersetzt den in den F i g. 3 und 4 gezeigten Motor 50a zur Einstellung des Tisches 24.

Die Verstärker 206, 224 und 238 sind Verstärker mit veränderlichem Zugewinn von der in der F i g. 6 gezeigten Art. Zur Erläuterung sei erwähnt, daß der Verstärker 206 einen Rückkopplungswiderstand 250 und zwei Eingangsvorspannungswiderstände 252 und 254 aufweist. Der Widerstand 252 ist in Reihenschaltung mit einem Gleichrichter 256 an den Widerstand 254 gelegt. Der Widerstand 254 ist von Hand veränderlich und wird gemäß der Drehzahl der Welle 32 während der Grob- und Feinzentriervorgänge eingestellt. Bei einer gegebenen Einstellung des Widerstandes 254 leitet der Gleichrichter 256 bei großen Signalen, um einen hohen Zugewinn sowie eine hohe

Empfangsbandbreite in dem Verstärker 206 und somit eine schnelle Ansprechung des Servomotors 208 vorzusehen. Bei derselben Sensitivitätseinstellung des Widerstands 254 ist der Gleichrichter 256 bei kleinen Signalen nicht leitend, so daß der Zugewinn und die Empfangsbandbreite der Verstärker durch das Verhältnis des Widerstandes 250 zum Widerstand 254 bestimmt wird. Bei kleinen Signalen ist die Empfangsbandbreite der Verstärker 206, 224 und 238 derart, daß sie die zweiten harmonischen Oberwellen des Vorzeichnerausganges für eine Umlaufbewegung zurückstoßen. Beispielsweise ist bei einer Wellendrehzahl von zehn Umdrehungen je Minute die Empfangsbandbreite des Verstärkers 206 in der Größenordnung von ¹I₆ Hz. Bei einer Wellendrehzahl von ¹Z₁₀ Umdrehung je Minute liegt die Empfangsbandbreite in der Größenordnung von ¹I₆₀₀ Hz.

Der Betrieb der in der F i g. 5 gezeigten Steuerung entspricht dem Betrieb der in Verbindung mit der F i g. 4 offenbarten Steuerung, abgesehen davon, daß die Servomotoren 208, 216 und 230 die erforderliche Integration durchführen, um den Zentrierungsfehler des Tisches 24 und den Einstellfehler des Vorzeichners 40 allmählich auf Null zu bringen. Wenn der Schalter 152 in seine untere Stellung bewegt ist und der Schalter 182 geschlossen ist, dann beginnen die Motoren 208, 216 und 230 sofort mit der Einstellung des Vorzeichners 40 und des Tisches 24.

Die Bewegung jedes Motors besteht aus zwei Komponenten. Für den Vorzeichnerservomotor 208 ist eine Bewegungskomponente auf Grund des Stellungsfehlers des Tisches 24 sinusförmig, während eine Komponente zur Einstellung des Vorzeichners 40 nicht periodisch und so gerichtet ist, daß sie den Fehler des Vorzeichners 40 auf Null bringt. In gleicher Weise ist für den Servoquertransport 164 (Motoren 216 und 230) eine Bewegungskomponente infolge des Einstellfehlers des Vorzeichners 40 periodisch, während die Komponente zur Einstellung des Tisches 24 nicht periodisch und so gerichtet ist, daß sie den Fehler des Tisches 24 auf Null bringt. Somit ist jeder Servomotor 160 und 164 in der Form wirksam, daß er seinen eigenen Fehler herabsetzt, während er sinusförmig auf den Fehler für den anderen Servomotor in der Form anspricht, daß sowohl der Vorzeichner 40 als auch der Tisch 24 schließlich nach Null konvergieren. Die Servowirkung wird allmählich fortschreitend über die groben und feinen Empfindlichkeifsbereiche bei herabgesetzten Drehzahlen der Welle 32 wiederholt.

Die Dauer des Zentriervorganges wird für jeden Empfindlichkeitsbereich durch die Zeiteinstellung 188 und den Zähler 190 bestimmt. Das Relais 186 wird zur Beendigung eines Zentriervorganges erst nach Ablauf der Zeitsteuerung 188 betätigt und nachdem der Zähler 190 eine vorher festgelegte Anzahl an Umläufen des Vorzeichners 40 gezählt hat. Im Idealfall kann für jeden Empfindlichkeitsbereich innerhalb eines Umlaufs des Vorzeichners 40 ein Zentrierungsvorgang vollendet werden, da die Verminderung des Zentrierfehlers des Tisches 24 und des Einstellfehlers des Vorzeichners 40 auf Null eingeleitet wird, sobald der Vorzeichner 40 seine Drehbewegung beginnt. Jedoch werden bei einem in der Praxis wirtschaftlich zu verwendenden Aufzeichner die Zeiteinstellung 188 und der Zähler 190 so eingestellt, daß eine optimale Zentrierung bei jedem Empfindlichkeitsbereich sichergestellt ist. Beispielsweise kann bei vier Grobeinstellungen der Zähler 190 auf zwei Umdrehungen und die Zeitsteuerung 188 auf 2 Minuten eingestellt sein. Für die letzten zwei oder die Feineinstellungen kann die Zeitsteuerung 188 auf 4 Minuten und der Zähler 190 auf vier Umdrehungen eingestellt sein. Wenn die Zeiteinstellung 188 ausgelaufen ist und die Welle die auf der Zähleinrichtung 180 eingestellte Anzahl von Umdrehungen ausgeführt hat, dann wird das Relais 186 betätigt, um die Kontakte 184 zu öffnen

ίο und das Relais 170 zur Beendigung des Zentriervorganges zu entregen und die Anzeigeeinrichtung 192 aufleuchten zu lassen.

Die automatische Zentrierung gemäß der beschriebenen Erfindung ist schnell und gleichbleibend genauer als die durch das früher benutzte Vierpunkteverfahren von Hand durchgeführte Zentrierung. Weitere Verkürzungen in der Zeit zur Vollendung eines Zentriervorganges können durch Beendigung des Zentriervorganges für jede Empfindlichkeitseinstellung gemäß der Größe des Fehlersignals, beispielsweise der Geschwindigkeit der Motoren 208, 216 und 230 anstatt durch Zeitsteuerungen und Umdrehungszähler erreicht werden. Bei der in F i g. 5 gezeigten Steuerung ist eine Beendigung des Zentriervorganges in einem Umlauf des Vorzeichners 40 durch sehr genaue und verfeinerte Servoeinrichtungen beabsichtigt. Die automatische Zentrierung gemäß der Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, da der Ausgang des Vorzeichners 40 unmittelbar zur Einstellung des Tisches 24 und des Vorzeichners 40 benutzt wird. Außerdem werden der Tisch 24 und der Vorzeichner 40 gleichzeitig eingestellt, um den Zentrierfehler herabzusetzen und den Vorzeichnereinstellfehler schnell auf Null zu bringen.

Claims

Patentansprüche:

1. Profilaufzeichnungsvorrichtung mit einem Tisch zur Halterung eines Werkstückes mit einer Achse, einem Vorzeichner mit einem eine Werkstückoberfläche abfühlenden Abtaster, einem Drehantrieb, der den Tisch und den Vorzeichner relativ zueinander um eine zur Werkstückachse parallele Achse dreht, einer Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Radialbewegung des Abtasters während der Relativdrehung des Abtasters um die Werkstückoberfläche, synchron mit der Drehbewegung angetriebenen Resolvereinrichtungen, die das elektrische Signal in zwei Komponenten in zwei aufeinander und auf der Werkstückachse senkrecht stehenden Richtungen zerlegen, und Integrationseinrichtungen zum Integrieren der beiden Komponenten, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Zentrieren des Werkstücks (28) und zur Einstellung der Radiallage des Vorzeichners (40) vor der Aufzeichnung, einschließlich einer Integrationseinrichtung (110 bis 116, 216, 230), die die beiden Quadraturkomponenten über einen bestimmten Drehwinkel integriert und erste elektrische Meßgrößen erzeugt, die die Entfernung der Werkstückachse von der Drehachse (33) in beiden senkrecht aufeinanderstellenden Richtungen (20, 22) darstellen, zwei Servomotoren (50a, 52a, 216 bis 230) zur gegenseitigen Relativverschiebung des Tisches (26) und des Vorzeichners (40) in beiden Richtungen (20. 22) in Abhängigkeit von den

Meßgrößen, so daß die Drehachse (33) mit der Werkstückachse fluchtet, eine weitere Integrationseinrichtung (124, 208), die das elektrische Signal über den gleichen Drehwinkel integriert und zweite elektrische Meßgrößen erzeugt, die die Unebenheiten der Werkstückoberfläche darstellen, und einen dritten Servomotor (54, 208) zur Radialverstellung des Vorzeichners (40) gegenüber der Drehachse (33) in Abhängigkeit von den zweiten elektrischen Meßgrößen, um den Vorzeichner (40) auf eine dem Nullwert der elektrischen Meßgrößen entsprechende vorbestimmte mittlere Lage einzustellen.

2. Profilaufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationseinrichtung (110 bis 116, 216, 230) die beiden Quadraturkomponenten über einen Drehwinkel von 360° integriert.

3. Profilaufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Servomotoren (216, 230) zu Beginn der Drehung zwischen Tisch (26) und Vorzeichner (40) kontinuierlich arbeiten.

4. Profilaufzeichnungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch (26) in einer horizontal festgelegten Ebene allseitig verschiebbar und der Vorzeichner (40) um eine senkrechte Achse (33) drehbar gelagert ist.

5. Profilaufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Schalteinrichtung (156) enthält, die die Servomotoren zu Beginn eines Zentriervorganges einschaltet und bei Beendigung eines Zentriervorgangs automatisch abschaltet.

6. Profil aufzeichnungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ferner drei Servoverstärker (224, 238, 206) enthält, die jeweils an den Eingang eines Servomotors (216, 230, 208) gelegt sind und jeweils einen veränderlichen Verstärkungsgrad und eine veränderliche Empfangsbreite haben sowie mit Steuergliedern versehen sind, die den Verstärkungsgrad und die Empfangsbandbreite dieser Verstärker in Abhängig- · keit vom Eingangswert der Verstärker verändern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen