DE1473779B2 - Profilaufzeichnungsvorrichtung - Google Patents
ProfilaufzeichnungsvorrichtungInfo
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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
Ep
Et
E10 =
Er —
Gesamtausgangssignal von dem Vorzeichner 40,
Komponente von Ep infolge des Vorzeichnereinstellfehlers,
Komponente infolge des Tischzentrierfehlers,
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 Er nach
Beendigung des Zentriervorganges aufgezeichnet werden.
Die auf den Vorzeichnereinstellungsfehler zurückzuführende Komponente Et ist eine Konstante oder
eine »Gleichströme-Bezeichnung, wenn der Vorzeichner
um das Probestück 28 herum umläuft. Alle anderen Komponenten von Ev 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 ωβρ, 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 + Oc) (3 a)
E0 = E' sin (cospt + Φο) (3b)
wiedergegeben, wo Φο die Winkelbeziehung zwischen
dem Höchstwert des Zentrierfehlers und den Tischachsen 20 und 22 bedeutet. Wenn Φο = 0 ist, dann
ist nur in einer Tischachse eine Zentrierungskorrektur erforderlich; wenn Φο = 90° ist, dann ist eine Korrektür
nur in der zweiten Tischachse erforderlich. Für andere Werte von Φα 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 Ew 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)
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 Ev, die der Oberfiächenrauhheit entspricht, nämlich Er, 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 Er am besten durch die folgende Formel ausgedrückt:
Die Komponente des Ausdruckes Ev, die der Oberfiächenrauhheit entspricht, nämlich Er, 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 Er am besten durch die folgende Formel ausgedrückt:
Er = ^_,E.msm{m0 + Φηΐ) ■
Die Gleichung (1) kann dann wie folgt umgeschrieben werden:
Ep = Et + E0 sin(Θ - Φο) + E10 sin(«0 + Φη)
25 In der unmittelbar folgenden Analyse wird das Obige jedoch wie folgt vereinfacht:
30 E0 sin ψ - <PC) + E10 sin 2 & (7 a)
oder - c· _i_ c cin/v, <■
jj = -C* +-Oe SM (Cüsn ί
v
(7 b)
(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 Ev in zwei zueinander lotrechte Komponenten
aufgelöst werden. Bei richtig ausgerichtetem Auslöser ergibt sich der Vorgang:
Ep* = Ep sin Θ
Epx = Ep cos Θ.
50 Wird die Gleichung (7a) eingesetzt, dann ergibt sich
Q — £csin20cos Φα
und
Et sin<9 + £csin(6>
+ 0c)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 Φο + £ccos20sin<Z>c + £w cos Θ sin 2(9.
(10)
(11)
(11)
Bei vollständiger Integration des Ausdruckes Epx um das Probestück herum ergibt sich der Gesamtfehler
2.τ 2 π
2 π 2 π
2 π
εχ == JEpXd0 = Et j ύηΘάΘ + £ccos<Z>e / sin2<9d0 + ΕΟΦΟ j sinöcosödö + Ew j sin6>sin2 0
(12)
009 538/155
009 538/155
Ähnlich ist
2.-ι
ε,j = J ΕΡ!/άΘ = Ecsm0c. (13)
So verschwinden in der Integration alle Ausdrücke außerdem Ausdruck sin2 0 in Epx [Gleichung (10)] und
dem Ausdruck cos2 0 in Epy [Gleichung (11)]. Diese
2.1
10
Ausdrücke geben εχ und ey proportional zu den
Komponenten des Zentrierungsfehlers E0 auf jeder
Achse. Die Ausdrücke εχ und ευ sind gleich 0, nur
wenn der Zentrierungsfehler gleich 0 ist: Ec = 0.
Um ein Maß für den Vorzeichnereinstellfehler st
zu erzielen, wird das nicht aufgelöste Signal Ev der
Gleichung (7a) um das Probestück herum integriert:
st = J ΕράΘ = J[Et + £csin(<9 -f Φο) + £«, sin 2 0] d 0 = 2nEt
(14)
In dieser Integration verschwinden alle periodischen Ausdrücke, und es bleibt nur die Proportion Et: Et,
die gleich 0 wird, wenn Et = 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 Epx, Evy und Ev
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 (6)
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
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