DE2139359A1 - - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

de. ing. H. NEGENDANK · dipl.-ing. H. HAUCK · dipl-phys. W. SCHMITZ

HAMBUHG-MÜNCHEN O 1 Q Q Q R Q ZTTSTELLTJNGSANSCHRIFt: HAMBURG 36 · NETJEK WALI, 41

TBl. 367428 UND 3 6 41 IB

TElEGH. NBGEDAPATENT HAMBURG MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 83

TEI.338O586

TElEGH. NEGEDAPATENT MÜNCHEN

HAMBURG, . 5,

Johnsons Service Corp.
5o7 East Michigan Street
Milwaukee, Wisconsin (V.St.A.)

Stellungsabtasteinrichtung und Verfahren zum Abtasten der Stellung einer Fläche bzw. eines

Gegenstands.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmittel-Stellungsabtast einrichtung, insbesondere eine berührungslose Stellungssignalgebereinrichtung für eine Stellungsanzeigevorrichtung, eine auf eine Stellung ansprechbare Steuervorrichtung und dgl., sowie auf ein Verfahren zum Abtasten der Stellung einer Fläche bzw. eines Gegenstands.

Im industriellen Bereich wird in vielen Fällen die Lage eines Gegenstands oder einer Fläche ermittelt, um eine zur Überwachung dienende Aufzeichnung zu erhalten und/oder eine Steuerung wie z.B. eine Einstellsteuerung für ein Werkzeug in bezug auf ein Werkstück zu erhalten. So kann beispielsweise bei der maschinellen Bearbeitung von Werkstücken, beim Schweißen

209808/1296

oder anderen Arbeitsverfahren ein Wandler vorgesehen sein, durch den die gegenseitige Lage von Werkstück und Werkzeug abgetastet wird. Der Wandler gibt ein Ausgangssignal ab, das einer Werkzeugeinstellsteuerung zugeführt wird, welche dazu dient, einen vorbestimmten Bewegungsablauf des Werkstückes in bezug auf das Werkzeug einzuhalten. In der Einstelltechnik werden verschiedene Abtastvorrichtungen oder Wandler, die im allgemeinen einen mit dem Werkstück im Eingriff stehenden Nachfolger aufweisen, verwendet, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das zur Betätigung eines Einstellantriebs dient. Wenngleich Vorrichtungen dieser Art bereits eine verbesserte Einstellung gegenüber der Einstellung von Hand oder einer vorherigen Einstellung ermöglichen, sind ' sie im allgemeinen mit einer Proportionalabweichung behaftet, durch welche die Genauigkeit und die Anwendbarkeit derartiger Steuervorrichtungen begrenzt ist. Die Einstellsteuerung besteht im allgemeinen aus einem Regelkreis mit einer Vorwärts verstärker einheit, die ein Pehlersignal verstärkt und ein mit diesem in Beziehung stehendes Antriebssignal zum Einstellen des Werkstückes und des Werkzeuges liefert. Die Proportionalabweichung ist im allgemeinen umgekehrt proportional dem Vorwärtsschleifenverstärkungsgrad. Wenn dieser Verstärkungsgrad gesteigert wird, um die Empfindlichkeit und die Ansprecheigenschaften beizubehalten, wird möglicherweise ein astabiler Zustand hervorgerufen, der zur Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebszustandes eine Proportio-

209808/1296

~³'

naläbweiehung erforderlich macht.

Bei mechanischen Berührungsäbtastern und dgl. treten bei direkter Berührung zwischen Wandler und Werkstück oder einer zur Steuerung dienenden Paßlehre oder Schablone die mit mechanischen Vorrichtungen üblicherweise verbundenen Probleme auf. Außerdem kann durch den mechanischen Eingriff eine unerwünschte Belastung auf den abgetasteten Gegenstand hervorgerufen werden, wodurch die Genauigkeit der Nachführung verringert wird. Mechanisches Abtasten ist außerdem zur Anzeige nicht selbsttragender Flächen praktisch nicht verwendbar.

Obwohl es also bereits mehrere Ausführungen von Stellungseinstellvorrichtungen gibt, die im allgemeinen einwandfreie Ergebnisse liefern, haben alle diese bekannten Ehrichtungen bestimmte Beschränkungen und unerwünschte Merkmale, durch welche die Nützlichkeit und Anwendbarkeit dieser Einrichtungen in der Praxis eingeschränkt ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Abtasten der Stellung einer Fläche bzw. eines Gegenstands zu schaffen, die nicht mit den Nachteilen der bekannten Einrichtungen behaftet sind.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine Strömungsmittel-Stellungsabtasteinrichtung mit einer Strömungsmittelsteuervorrichtung vorgeschlagen, die auf die Eigenschaft eines freien Stroms ansprechbar ist, welcher auf den Gegenstand

209808/1296

oder eine Fläche auftrifft und zur Ermittlung der Lage desselben bzw. derselben dient. Die Stellungsabtasteinrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine in einem Abstand von der Fläche gelagerte Strömungsmittelquelle, die zur Ausbildung eines auf die Fläche auftreffenden Strömungsmittelsignalstroms dient und mit einer zur Herleitung eines Fehlersignals entsprechend einer Eigenschaft der Strömungsmittelsignalquelle dienenden Ausgangsvorrichtung versehen ist, wobei die Eigenschaft des Strömungsmittelsignals in Beziehung steht zu dem Abstand zwischen der Strömungsmittelquelle und der Fläche, und durch eine auf das Strömungsmittel ansprechbare Einstellvorrichtung, deren Eingang mit dem Ausgang der Strömungsmittelvorrichtung verbunden und die derart angeordnet ist, daß durch sie die Strömungsmittelquelle entsprechend dem Fehlersignal zu der Fläche hin bzw. von dieser weg bewegbar und in einem vorbestimmten und gleichbleibenden Abstand von der Fläche haltbar ist.

Nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Abtasten der Stellung einer Fläche bzw. eines Gegenstands wird eine Strömungsmittelquelle in die Nähe der Fläche gebracht, ein auf die Fläche auftreffender Strömungsmittelstrom wird ausgebildet, eine Eigenschaft des Stromes ermittelt und entsprechend dieser Eigenschaft des Stromes ein Fehlersignal erzeugt, wobei diese Eigenschaft des Stromes in direkter Beziehung zu dem Abstand zwischen Strömungsmittelquelle und Fläche steht, und die Strömungsmittelquelle wird konti-

209808/1296

nuierlich eingestellt und eine vorbestimmte Lage der Strömungsmittelquelle in bezug auf die Fläche aufrecht erhalten.

Entsprechend der Erfindung kann die Strömungsmittelquelle, welche zur Ausbildung eines Stromes dient, mit einem Strömungsmittel wie z.B. Luft, einer Flüssigkeit, einem Gemisch von Luft und Flüssigkeit und dgl. beschickt werden. Die zur Ausbildung des Stromes dienende Vorrichtung bildet ein freies Strömungsmittelsignal aus, welches auf den Gegenstand bzw. die Fläche auftrifft» dessen bzw. deren Stellung ermittelt oder abgetastet werden soll. Eine Signalvorrichtung ist mit der den Strom ausbildenden Vorrichtung und insbesondere mit dem Stromweg auf der Aufstromseite des freien Stroms oder Signals verbunden und dient dazu, die Eigenschaft des freien Stroms zu ermitteln. Die den Strom ausbildende Vorrichtung besteht im allgemeinen aus einer Düse, die einen Strömungsmittelstrahl ausbildet, dessen Druck- und Strömungseigenschaften proportional sind der Länge des Zwischenraums zwischen der Düse und der zu ermittelnden Fläche. Dieses Signal ist ein Strömungsmittelsignal, das durch eine entsprechende Verstärkervorrichtung rückgekoppelt wird und eine Regelung für einen Antriebsmotor bildet, um eine,verhältnismäßig konstante Stellung oder einen konstanten Abstand zwischen der Fläche und der den Strom ausbildenden Vorrichtung aufrecht zu erhalten und dadurch eine genaue Anzeige der Eigenschaft oder der Formgebung des Gegenstandes oder der Fläche zu liefern, indem die Fläche mit dem Signalstro»

209808/1296

abgetastet wird. Auch dann, wenn die Abtastkennlinie nichtlinear ist, wird durch das kontinuierliche Nachführen der Zwischenraum im wesentlichen konstant gehalten und damit ein Abtasten über einen kleinen Teil der Abtastkennlinie bewirkt, so daß ein lineares Ansprechverhalten der Vorrichtung erhalten wird, so lange wie der Antrieb eine lineare Xennlinie aufweist. Entsprechend der Erfindung kann die Abtasteinrichtung aus jeder beliebigen Analogeinrichtung bestehen, die für eine verhältnismäßig kleine Bewegung ein genaues Ansprechen liefert.

Ganz allgemein besteht die Verstärkervorrichtung vorzugsweise aus einem Strömungsmittelverstärker, der nach dem Prinzip des Aufprallstroms arbeitet und bei Verwendung einer Hochdrucksignalanordnung zur Steuerung der Antriebsvorrichtung geschaltet ist. Wenn ein Steuersignal niedrigen Drucks wie beispielsweise ein zur Anzeige dienendes Signal vorhanden ist, wird ein Leistungsverstärker wie z.B. ein Strömungsmifctel-Membranverstärker zwischen dem Ausgang des Strömungsmittelverstärkers und dem Strömungsmittelmotor zwischengeschaltet. Die Gegendruckeigenschaft des Signalstroms kann beispielsweise ein Drucksignal unmittelbar an einen Strömungsmittelverstärker liefern, dessen Ausgang so geschaltet ist, daß er eine Einstellvorrichtung für die den Strom ausbildende Vorrichtung steuert.

Andererseits kann die zur Abtastung dienende Strahlströmung auch mit einer Strömungsmittel-Signaldüse gekoppelt sein und

209808/1296

ein Ansaugdrucksignal liefern, das dem Verstärkerabschnitt zugeführt wird und dazu dient, die Stellung in bezug auf die Fläche des Gegenstands entsprechend zu steuern. Die Strömungsmittelsignalabtasteinrichtung gestattet in Verbindung mit dem Strömungsmittelregelkreis die Ausdehnung des Abtastbereiches, so daß dieser unter Beibehaltung der gleichen Genauigkeit der Reichweite der bekannten Strömungsmittelmotoren entspricht. Die Verwendung eines Strömungsmittelsignals ist in höchstem Maße wünschenswert, da durch diese ein mechanischer Kontakt mit dem Gegenstand im wesentlichen in Fortfall kommt. Der zur Abtastung dienende Strömungsmittelstrom kann einen äußerst niedrigen Druck aufweisen, wodurch eine Belastung oder Beaufschlagung des Gegenstandes auf ein Minimum herabgesetzt ist. Infolgedessen ist die Abtstvorrichtung nicht nur zum Abtasten fester, selbsttragender Gegenstände und dgl., sondern auch für nicht selbsttragende Flächen von beispielsweise pulvrigen Stoffen, weichen Geweben, Flüssigkeiten und dgl. geeignet.

Wenngleich sich jede geeignete Strömungsmittel-Verstärkervorrichtung verwenden läßt, werden mit Strömungsmittelverstärkern, die nach dem Prinzip des Aufprallstroms arbeiten, außergewöhnlich gute Verstärkungsregeleigenschaften für die Anpaßsteuerung zwischen dem von der Strömungsmittelvorrichtung abgegebenen Signal und der Steuerung erhalten. So ist bei^- spielsweise in der U.S.-Patentschrift 3 417 769 von Bjornsen u.a. ein Summieraufprallmodulator beschrieben, der eine Eingangsdüse aufweist, mit der das Abtastsignal als Hauptstrom—

209808/1296

quelle verbunden sein kann. Ein entgegenwirkender, unveränderlicher Strom erzeugt in bezug auf eine Steueröffnung eine Aufprallstellung, wobei am Ausgang ein Druckfehlersignal erscheint, das dazu dient, einen Strömungsmittelmotor zur Einstellung der Strömungsmittelabtasteinrichtung wahlweise zu steuern. Der Summieraufprallmodulator liefert die hohe Verstärkungseigenschaft nach dem Prinzip des Aufprallstroms und eignet sich besonders gut zur Stellungssteuerung, da er im wesentlichen ohne eine Phasenverschiebung arbeitet und damit einen höheren Regelverstärkungsgrad für die Einstellvorrichtung gestattet.

Der Strömungsmittelmotor kann beispielsweise aus einem Balg, einem Kolben, einer gewellten Druckdoseneinheit oder dgl. bestehen. Die gewellte Druckdoseneinheit stellt einen besonders gut geeigneten Motorantrieb dar, da sie ein lineares Ansprechverhalten aufweist. Bei einer Einstellvorrichtung mit einem derartigen Strömungsmittelmotor ist der Ausgangsdruck infolge des Regelverhaltens bei hoher Regelverstärkung im wesentlichen unabhängig vom Durchsatz, wodurch ein genaues Abtasten der Fläche erzielt wird. Außerdem ist die Umsetzung der Bewegung in einen Druck im wesentlichen umgekehrt proportional dem Druckmodul der Motorvorrichtung. Die Druckvorrichtung kann in der Weise ausgebildet sein, daß sie die Strömungsmittelabtasteinrichtung in eine zum Abnehmen oder Einstellen in bezug auf die Fläche dienende Minimalstellung zurückzieht und diese dann auf einen Befehl in die gleiche

20980871296

Relativlage zurückbringt. Dadurch wird für aufeinanderfolgendes Nachführen der gleichen oder anderer Flächen ein hoher Grad von Reproduzierbarkeit erreicht. Wenn außerdem ein Strom mit einem verhältnismäßig kleinen Querschnitt verwendet wird, läßt sich ein verhältnismäßig hoher Frequenzgang erzielen, um stufenartig auftretende Oberfläehenveränderungen zu ermitteln. Durch die Erfindung wird somit eine äußerst zuverlässige Stellungsabtast- und Nachführeinrichtung geschaffen, durch welche eine Fläche bzw. ein Gegenstand nicht beaufschlagt wird und die durch eine relative seitliche Bewegung die Oberfläche des Gegenstandes abtasten, dabei einen genauen und festgelegten mittleren Abstand einhalten und ein kontinuierliches Signal erzeugen kann, durch welches die Eigenschaft der Fläche und/oder eines Werkzeugs oder dgl. aufgezeichnet wird. Außerdem läßt sich die Erfindung auf herkömmliche Gegendruck-Abtasteinrichtungen anwenden, um eine Bezugsstellung herzuleiten, die ihrerseits wiederum voneinander abhängige Steuer- und Ausgangssignale von den Gegendruckfühlern liefert.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann dazu verwendet werden, die Dicke eines Gegenstandes zu messen, indem diese von einem vorgegebenen Bezugswert aus gemessen wirdoder entsprechend einem neuen Merkmal der Erfindung zwei Abtaster vorgesehen werden, die jeweils mit sich diametral gegenüberliegenden Flächen des Gegenstandes ausgerichtet sind. Durch die Erfindung wird somit eine Stellungsabtasteinrichtung geschaffen,

209808/1296

bei der die Stellung eines Strömungsmittel-Tastgebers dadurch hergeleitet wird, daß ein zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Relativstellung erforderlicher Druck oder Durchsatz überwacht wird. Das erfolgt in der Weise, daß ein verstärktes Ausgangssignal dem zum Einstellen der Abtasteinrichtung dienenden Strömungsmittelmotor zugeführt und ein verhältnismäßig hoher Strömungsmittelverstärkungsgrad angewandt wird, um für alle Ausgangsdrücke innerhalb des Betriebsbereiches der Einrichtung einen im wesentlichen konstanten mittleren Abstand einzuhalten.

Die Strömungsmittelvorrichtung eignet sich sehr gut zum Zurückziehen der Abtasteinrichtung und zum erneuten Einrichten derselben nach einwandfreier Anbringung in bezug auf eine Arbeitsfläche und ist daher besonders gut für den industriellen Einsatz geeignet. Außerdem werden Strömungsmittelsteuervorrichtungen im allgemeinen nicht von Umgebungseinflüssen wie z.B. Geräuschen, elektrischen Signalen und dgl. beeinflußt und sind daher für manche Anwendungen besonders vorteilhaft.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird im nachfolgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Stellungsabtast- und Steuereinheit entsprechend der Erfindung, die mit einem Gegendruck-Steuer-

209808/1296

signal arbeitet.

Pig. 2 ist eine schematische Darstellung einer StrÖ-mungsmittelabtasteinrichtung entsprechend der Erfindung für ein drehbares Element, wobei zur Erzeugung eines Fehlersignals ein Ansaugdruck-Steuertaster verwendet wird.

Fig. 3 zeigt eine Strömungsmittel-Abtasteinrichtung entsprechend der Erfindung zum Ermitteln der Dicke oder Breite eines Elements.

Fig. 4 ist eine Berührungslose Meßeinrichtung für Blindbohrungen entsprechend der Erfindung, bei der ein besonders langsam wirkender Abtastdruckwert verwendet wird.

Fig. 5 ist eine ähnliche schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung in der Anwendung auf das kontinuierliche Einstellen in der Anwendung auf eine herkömmliche Gegendruck-Abtasteinrichtung.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist eine Meßlehre 1 dargestellt, die von einem feststehenden Bett 2 gehalten wird und eine obere, gekrümmte oder gewölbte Oberfläche 3 aufweist. Eine Stellungsabtasteinheit 4 ist in solcher Weise gelagert, daß sie über die gewölbte Oberfläche hinweggeführt werden kann und entsprechend der Formgebung der Oberfläche 3 ein Ausgangssignal liefert. Der Ausgang der Einheit ist mit einer geeigneten Ausgabevorrichtung

209808/1296

verbunden, vermittels welcher entweder die Formgebung der Oberfläche 3 aufgezeichnet oder ein Istwert-Steuerungausgangssignal erhalten wird. Die Ausgabevorrichtung 5 kann beispielsweise zur Steuerung eines Werkzeuges 6 für die Bearbeitung eines getrennten Teils oder Werkstücks 7 dienen, das eine der Oberfläche 3 entsprechende Formgebung erhalten soll. Die Abtasteinheit 4 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar und bildet eine berührungslose Strömungsmittel-Abtasteinrichtung, welche ein kontinuierliches Ausgangssignal ™ entsprechend der Lage der Oberfläche 3 in bezug auf die Einheit und aufgrund von Veränderungen ein entsprechendes Steuersignal liefert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Abtaststrahldüse 8, die einen Teil der Einheit k bildet, in solcher Weise angeordnet, daß sie einen Strom 9 eines geeigneten Strömungsmittels wie z.B. eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Gemisches derselben ausbildet. Der Strom 9 besteht vorteilhafterweise aus Luft, die an die freie Atmosphäre abgegeben werden kann. Der Strom 9 ist gegen die Oberfläche 3 gerichtet und trifft auf diese auf. Die Düse 8 befindet sich in einem kleinen Abstand von der Oberfläche 3, so daß ein verhältnismäßig kurzer freier Strom ausgebildet wird und der Gegendruck in dem Strom 9 innerhalb der Düse 8 für verhältnismäßig kleine Änderungen in der Stellung der Düse von der Länge des

209808/1296

Zwischenraums, d.h. dem Abstand von Düse 8 zu Oberfläche 3 abhängig und diesem unmittelbar proportional ist. Dadurch wird ein Proportionalsignal erhalten, das einem geeigneten Ströraungsmittelverstärker Io zugeführt wird, dessen Ausgang zur Betätigung der Ausgabevorrichtung 5 und eines Einstellmotors 11 geschaltet ist, durch den eine Halterung für die Düse 8 mit einem geeigneten Träger 12 verbunden ist» Das Ausgangssignal des Verstärkers Io steht daher in direkter Beziehung zur Stellung der Düse 8 in bezug auf die Oberfläche 3· Das Ausgangssignal wird dazu verwendet, die Ausgabevorrichtung 5 zu betätigen, durch welche eine relative Veränderung in dem Zwischenraum an der Oberfläche aufgezeichnet wird, und den Motor 11 zu betätigen, um die Düse 8 gleichzeitig in eine neue Stellung zu bringen, so daß ein konstanter Zwischenraum aufrecht erhalten wird. Der Träger 12 ist in bezug auf das Bett 2 feststehend angeordnet, um eine genaue Bezugsstellung vorzugeben, und ist verfahrbar gelagert, um die gekrümmte Oberfläche 3 abzutasten und die Düse 8 entsprechend einzustellen. Das durch die Strahlströmung 9 entwickelte Strömungsmitteldrucksignal verändert sich mit Veränderungen des dem Strom zur Verfügung stehenden Zwischenraums, um das Fehlersignal zu erzeugen, welches zu der Steuervorrichtung rückgekoppelt wird. Der Druck der Strahlströmung kann einen verhältnismäßig niedrigen Wert aufweisen, so daß folglich eine im wesentlichen sehr minimale Belastung oder Beaufschlagung der Meßlehre

209808/1296

1 erfolgt und die Abtasteinrichtung im wesentlichen berührungsfrei arbeitet. Außerdem kann die Strahlströmung mit einem äußerst geringen Querschnitt ausgebildet werden, so daß ein.sehr genaues Nachführen eines Linienverlaufs oder dgl. möglich ist. Wenngleich die Strahlströmung hier als Nachführglied zur Steuerung eines Werkzeuges 6 in bezug auf ein getrenntes Werkstück 7 dargestellt ist, läßt sie sich bei entsprechender Konstruktion und Lage der Strahlstromdüse auch in unmittelbarer Nähe des Werkzeuges 6 anordnen und zum unmittelbaren Nachführen an einer Bearbeitungslinie verwenden, um das Werkzeug mit dieser ausgerichtet zu halten.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht die Einstellvorrichtung oder der Einstellmotor 11 für die Düse aus einer Druckdoseneinheit, die aus einem Paar sich gegenüberliegender, napfförmiger, mehrfach gewellter Membranen 13 besteht, die an ihrem Umfang einen kleinen gegenseitigen Abstand aufweisen und an diesem mit einem umlaufenden Wulst oder Band 14 abdichtend verbunden sind. Die mittigen Abschnitte der sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Druckdose sind mit ebenen Befestigungsflächen versehen. Eine Zuleitung 15 ist mit dem mittigen Abschnitt der oberen Membran 13 verbunden und innerhalb einer Ausnehmung vermittels entsprechender Kerben mit der Trägerplatte 12 verbunden. Die Zuleitung 15 ist außerdem in der nachstehend beschriebenen Weise mit dem Strömungsmittelverstärker Io verbunden. Vermittels eines als Halterung

209808/1296

und Strömungsmittelverbindungsstück 16 dienenden Teils ist die Düse 8 fest mit der Mitte der unteren, napfformigen, gewellten Membran 13 verbunden.

Die Druckdoseneinheit 11 stellt eine sehr geeignete Einstellsteuervorrichtung dar, da sie in Abhängigkeit von einem Strömungsmitteleingangssignal eine streng linear druckabhängige Einstellung liefert. Das Strömungsmitteleingangssignal wird wie folgt erzeugt. Die Düsenhalterung 16 weist einen Abgriffs- oder Zuführanschluß 17 auf, der gemeinsam mit dem Strömungsmittelverstärker Io über eine Trenndrosselstelle 19 mit einer Hauptdruckluftquelle 18 verbunden ist. Wenngleich sich für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform jeder geeignete negative Strömungsmittelverstärkungsgrad verwenden läßt, stellt ein Summieraufprallmodulator eine solche Vorrichtung dar, die aufgrund ihrer hohen Verstärkungsexgenschaften außergewöhnlich gute Ergebnisse liefert. Eine Vorrichtung dieser Ausführung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Verstärker Io weist ganz allgemein eine erste Düse 2o auf, die gemeinsam mit dem Düsenzuführanschluß 17 über die Drosselstelle 19 mit der Quelle 18 verbunden ist. Eine zweite Düse 21 befindet sich in Ausrichtung gegenüber der Düse 2o und ist mit der Quelle 18 über eine Sollwert-Einstelldrosselstelle 22 verbunden. Die Düse 2o ist außerdem unmittelbar mit der. Zuführleitung 17 verbunden. Vermittels des zugeführten Strömungsmittels wird ein Paar sich entgegenwirkender Ströme

209808/1296

23 und 24 jeweils von der Düse 21 bzw. 2o ausgebildet. Eine mit den beiden Strömen ausgerichtete und mit dem Verstärkergehäuse verbundene Steueröffnung 25 bildet in der Nähe der Düse 2o eine Ausgangskammer und auf der Seite der Düse 21 eine Bezugswertkammer. Die Drosselstellen 19 und 22 verringern den Druck des den Düsen zugeführten Strömungsmittels, so daß sich die Aufprallstelle im allgemeinen auf der (in der Zeichnung) linken Seite der Steueröffnung 25 und innerhalb der durch diese gebildeten Ausfc gangskammer befindet. Wenn sich nun die Aufprallstelle innerhalb der Ausgangskammer und auf der (in der Zeichnung) linken Seite der Steueröffnung 25 befindet, wird ein maximales Ausgangssignal erzeugt, das über geeignete Rohrleitungen an die Druekdoseneinheit 11 und die Ausgabevorrichtung 5 angelegt wird.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Ausgang des Verstärkers Io außerdem mit einer Ableseeingangssteuerung . verbunden, die ein Einwegventil 26 aufweist, das so geschal-) tet ist, daß es den Ausgangsdruck einem von Hand betätigbaren Dreiwegventil 27 zuführt. Das Ventil 27 verbindet das Einwegventil 26 normalerweise mit einer Auslaßleitung 28, so daß' der Ausgangsdrusk durch das Einwegventil 26 entlüftet wird und an der Druekdoseneinheit 11 und der Ausgabevorrichtung 5 kein Ausgangs signal anliegt. Wenn das Ventil 27 verstellt wird, wird die Verbindung zwischen Auslaßseite des Ventils 26 und Leitung 28 unterbrochen und

209808/1296

das Ventil 26 wird mit einer Ableseleitung 29 verbunden, die ihrerseits mit einer unter hohem Druck stehenden Strömungsmitte lquelle 3o verbunden ist. Der Druck der Quelle 3ο ist höher als der maximale Ausgangsdruck des Verstärkers Io, so daß dadurch das Einwegventil 26 in die Sperrstellung beaufschlagt wird. Somit ist die Ausgangskammer des Verstärkers Io unmittelbar mit der zu der Doseneinheit 11 und der Ausgabevorrichtung 5 führenden Ausgangsleitung verbunden und überträgt einen entsprechenden Ausgangsdruck.

Im Betrieb befindet sich die verstellbare Abtasteinheit 4 in bezug auf die Oberfläche 3 zunächst an einem Ausgangspunkt. Die Drosselstellen 19 und 22 werden so gewählt, oder falls sie einstellbar sind, so eingestellt, daß an den entsprechenden Düsen 2o und 21 des Verstärkers Io ein vorbestimmtes Drucksignal angelegt ist, wenn sich die Düse 8 in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche 3 befindet. Wenn der vorbestimmte, gewünschte Abstand nicht eingestellt ist, wird das Ableseventil 27 betätigt, um die Iststellung abzulesen. Wenn sich das Ventil nicht in der gewünschten Einstellung befindet, bewirkt die Rückkopplungskennlinie, daß die gewünschte Anfangseinstellung selbsttätig eingestellt wird. Bei geschlossenem Ableseventil 27 sind die Druckdoseneinheit 11 und der Verstärker Io mit der Entlüftung oder dem Bezugswert verbunden. Die Druckdoseneinheit 11 zieht sich dann in die Maximaleinstellung zurück und erzeugt in dem Strom 9 einen minimalen Gegendruck,

209808/1288

der durch die Verbindungsrohrleitung 17 zur Düse 2o übertragen wird. Folglich ist die Stärke des Stroms 24 minimal, und der volle oder maximale Ausgangsdruck wird in der Ausgangskammer erzeugt. Wenn das Ableseventil 27 in die Ablesestellung verstellt ist, ist die Auslaßleitung 28 geschlossen, und der volle Druck wird zur Druckdoseneinheit 11 und zur Ausgabevorrichtung 5 übertragen. Dadurch wird die Einheit 11 gedehnt und bewegt ihrerseits die Düse 8 nach unten. Durch die nach unten gerichtete Bewegung der Düse 8 wird der Zwischenraum zwischen der Düse 8 und der Oberfläche 3 kleiner. Dadurch ergibt sich ein gesteigertes Gegendrucksignal innerhalb des Stroms 9j das zur Düse 2o übertragen wird und verursacht, daß sich die Aufprallstelle durch die öffnung 25 hindurch verlagert. Das hat wiederum eine Verringerung des Ausgangsdruckes zur Folge, so daß der Druck zur Ausgabevorrichtung 5 und zur Druckdoseneinheit 11 so lange geringer ist, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Wenn sich die Abtasteinheit 4 über die Oberfläche 3 bewegt, wird der Gleichgewichtszustand entsprechend den sich ändernden Eigenschaften der Oberfläche 3 gestört. Wenn die Oberfläche eine Erhebung aufweist, wie unmittelbar zur linken der Düse 8 dargestellt ist, werden der Zwischenraum und damit die Länge des Stroms verringert. Damit steigt der Gegendruck in dem Strom 9 an, so daß der Düse 2o ein höheres Signal zugeführt wird. Dadurch wird wiederum die Auf-

209808/1296

prallstelle in bezug auf die Steueröffnung 25 noch weiter nach rechts verlagert und der Ausgangsdruck innerhalb des Verstärkers Io noch weiter verringert. Der verringerte Ausgangsdruck wird in der Ausgabevorrichtung 5 aufgezeichnet, das Werkzeug 6 wird entsprechend eingestellt und gleichzeitig wird der der Druckdoseneinheit 11 zugeführte Druck verringert, so daß diese· die Düse 8 nach außen zurückzieht und den gewünschten Zwischenraum wiederherstellt»

Vermittels der Rückkopplung durch den Verstärker zu der Einstellvorrichtung wird ein festgelegter, mittlerer Ziiischenraum aufrecht erhalten, der von dem Strom 9 zurückgelegt wird«, Durch Verwendung einer Verstärkervoirichtung hohen Verstärkungsgrades wird der Ausgangsdruck im wesentlichen unabhängig von dem Ausgangsdurchsatz gehalten. Der Abtaststrom kann jeden geeigneten Wert aufweisen, der mit dem Regelkreis verträglich ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann ein Druckstrom in der Größenordnung von 0,70 atü verwendet werden. Zur weiteren Verringerung der Abtastdruckhöhe kann der Regelkreis mit weiteren Verstärkerstufen beliebiger Ausführung versehen werden₉ beispielsweise mit den nachstehend beschriebenen Verstärkervorrichtungen. Somit kann die Druckhöhe ohne weiteres auf die Größenordnung von einigen 1/10 nun Wassersäule verringert werden_s so daß eine im wesentlichen minimale Kraftausübung auf den abgetasteten Gegenstand bzw. die Fläche ausgeübt wird. Das ist besonders dann ausschlaggebend, wenn die Lage einer

209808/1296

- 2ο -

verhältnismäßig weichen Oberfläche wie z.B. die eines Gewebestoffes, eines trockenen Pulvers, einer Flüssigkeit oder dgl. "abgetastet oder geregelt werden soll. Der in Fig. 1 dargestellte Suiranieraufprallmodulator eignet sich besonders gut für Anwendungen dieser Art, da er hohe Verstärkungseigenschaften aufweist und außerdem keine oder höchstens minimale Phasenverschiebungen in die Signalübertragung einführt. Das ermöglicht einen verhältnismäßig hohen Schleifenverstärkungsgrad ohne Beeinträchtigung der Betriebsstabilität. Der hier dargestellte Summierauf prallmodulator kann vorteilhafterweise entsprechend einer weiteren Patentanmeldung derselben Anmelderin, Erfinder Björn G. Bjornson und Louis D. Atkinson, mit dem Titel "Gemeinsame Speisung für eine Strömungsmittelvorrichtung mit gegeneinander wirkenden Strahlatrömungen" vom gleichen Anmeldetag ausgebildet sein. Der Flüssigkeitsverstärker Io mit seiner Eingangssteuerung stellt ein sehr bequemes Mittel zum Zurückziehen der Abtasteinheit zum Zwecke des Entfernens oder Einsetzens von Teilen dar, wobei er gleichzeitig eine sehr genaue und reproduzierbare erneute Einstellung der Abtasteinheit in bezug auf die Lehrenoberfläche oder das Bett 2 ermöglicht. Dadurch wird ein sehr hoher Grad der Nachführreproduzierbarkeit erzielt, so daß sich infolgedessen eine genaue Produktionssteuerung erhalten läßt.

Aufgrund der entsprechend der Erfindung mgölichen wiederholten Einstellsteuerung wird die Reichweite der Bewegung,

209808/1296

die ermittelt und abgetastet werden kann, ohne nennenswerten Genauigkeitsverlust auf die linear arbeitender Bälge und Druckdosen erweitert. So sind Gegendruckabtaster im allgemeinen auf die Ermittlung von Gesamtänderungen in der Größenordnung von 0,152 mm beschränkt. Andererseits gibt es jedoch linear arbeitende Bälge und Druckdosen, die insgesamt einen linearen Bereich zwischen 1,270 bis 2,539 mm aufweisen. Entsprechend der Erfindung lassen sich durch die gegenseitige Verbindung von Verstärkungs- und Rückkopplungssteuersignal wenn gewünscht oder erforderlich maximale Reichweiten ausnutzen.

Kurz gesagt, die Gegendruck-Abtasteinrichtung liefert ein Signal, das verstärkt und umgekehrt wird, und das verstärkte Signal wird der zur erneuten Einstellung dienenden Vorrichtung in der erforderlichen Richtung in bezug auf den abgetasteten Gegenstand zugeführt, um das Fehlersignal zu verringern und einen gewünschten mittleren Abstand einzuhalten. Durch Verwendung eines verhältnismäßig hohen Schleifenverstärkungsgrades und eines linearen Reziprokverhältnisses zwischen Fehlersignal und der Stellung der Abtastdüse 8 ist der Abstand zwischen der Abtastein^heit 4 und dem abgetasteten Gegenstand oder der Fläche 3 für alle Ausgangsdrücke im wesentlichen konstant. Gegendruckabtastvorrichtungen sprechen typischerweise in der Größenordnung von 0,1406 atü pro 0,025 mm an. Eine derartige Empfindlichkeit

20980Ö/1296

in Verbindung mit Strömungsmittelvorrichtungen, auch solchen, die einen verhältnismäßig niedrigen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 600 oder dgl. aufweisen, führt bei einem über 0,843 atü reichenden Ausgangsbereich des Verstärkers zu Einstellungsfehlern von weniger als 0,00025 mm. Strömungsmittelvorrichtungen der hier beschriebenen Ausführung sind aufgrund der kleinen Hysterese und des hohen Frequenzansprechvermögens der Strömungsmittelelemente besonders stabile Systeme. Bei geeigneter Konstruktion läßt sich für den vollen Ausgangsbereich der Antriebsvorrichtung eine Einstellabweichung von weniger als 0,00025 nna erzielen. Das entspricht einem Einstellfehler von weniger als 0,02? für eine Balgreichweite von 1,27 mm und Druckunterschiede von 0,2109 bis 1,05*15 atü. Der Systemfehler steht daher in Beziehung zu und wird im wesentlichen vorgegeben durch den Fehler der Einstellvorrichtung 11.

In Fig. 2 ist ein berührungsloser Tastgeber für Dreh- oder Winkelstellungen dargestellt, der eine Ansaug-Meßtaster-Steuerdüse aufweist. Wie in Fig. 2 allgemein dargestellt, weist ein drehbares Element oder eine Trommel 31 eine spiralförmige ümfangsflache 32 auf. Die Trommel 31 ist um eine waagerechte Achse drehbar gelagert. Eine Abtastdüseneinheit 33 befindet sich unmittelbar oberhalb des Umfangs des drehbaren Elements und ist vermittels einer geeigneten Mot or vorrichtung, die hier als Balg 3¹J dar-

209808/1296

gestellt ist, mit einem feststehenden Träger 35 verbunden. Die Düseneinheit 33 wird somit entsprechend der Ausdehnung und dem Zusammenziehen des Balges 34 in bezug auf die Fläche eingestellt, wobei diese Einstellung in ähnlicher Weise wie die vermittels der in Fig. 1 dargestellten Druckdoseneinheit 11 erfolgt. Der Balg 3¹J stellt jedoch nur einen möglichen Einstellmotor dar, der gemeinsam mit einer Aufzeichnungsvorrichtung 37 wie z.B. einem Linienschreiber, einem Druckmesser oder dgl. mit dem Ausgang eines geeigneten Druckverstärkers 36 mit negativem Verstärkungsgrad verbunden ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform weist die Düseneinheit 33 einen Ansaug-Drucktastgeber auf, der eine erste, einen Hauptstrom ausbildende Düse 38 aufweist, die durch eine entsprechende Rohrleitung oder einen Kanal 39 mit einer Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmittels verbunden ist. Die Düse 38 bildet einen vorbestimmten Strom 4o aus, der nach unten gerichtet ist und auf die spiralförmige Fläche der Trommel 31 auftrifft. Der Strom tritt durch eine Saugdüse ¹M hindurch nach unten aus, die mit der Düse 38 ausgerichtet und an deren Unterseite befestigt ist und mit dieser zusammen eine Saugkammer bildet, welche durch eine Rohrleitung U2 mit dem Eingang des Verstärkers 36 verbunden ist.

Der Strömungsmittelverstärker ist schematisch als Queraufprallmodulator dargestellt. Ein Paar sich gegenüberliegender

209808/1296

Düsen 43 und 44 sind durch eine gemeinsame Drosselstelle mit der zu der Strömungsmittelquelle führenden Rohrleitung 39 verbunden. In der zu der abhängigen Düse 44 führenden Rohrleitung befindet sich eine Druckminderdrosselstelle Ein Sammler 47 umgibt die abhängige Düse 44 und ist vermittels einer Ausgangsleitung 48 mit dem Balg 34 und der Aufzeichnungsvorrichtung 37 für den Ausgangsdruck verbunden.

Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind ein Einwegventil 49 und ein von Hand betätigbares Steuerventil 5o mit der Ausgangs'leitung 48 verbunden und gestatten, den Ausgangsdruck wahlweise zu entlüften, um ein gesteuertes Ablesen bzw. ein Zurückziehen des Abtastkopfes zu erhalten. Wenn das Ventil 5o so geschaltet ist, daß es die Auslaßleitung 48 entlüftet, ist der Ausgangsdruck zu dem Balg minimal, so daß sich dieser folglich zurückzieht und das Einsetzen oder Abnehmen der umlaufenden Trommel oder eines anderen Gegenstandes gestattet. Wenn das Ventil 5o geöffnet ist, wird ein Hochdrucksignal an das Einwegventil 49 angelegt, schließt dieses und überträgt damit den Ausgangsdruck zu dem Balg.

Eine quer angeordnete Signaldüse 51 befindet sich in der Nähe und senkrecht zum Ausgang der unabhängigen Düse 43 des Modulators. Die Düse 51 liefert somit einen in der Zeichnung nicht dargestellten, quer zu dem Hauptstrom verlaufenden Strom, welcher eine Ablenkung des Hauptstroms

209808/1296

in bezug auf den Ausgang der Düse 44 hervorruft. Wenn der von der Düse 43 abgegebene Strom gegenüber der Ausrichtung mit dem Ausgang der Düse 44 abgelenkt wird, wird seine effektive Stärke verringert, das Ausgangssignal bewegt sich nach links und damit von dem Sammler 47 weg₉ wodurch das Ausgangsdrucksignal verringert wird. Die quer angeordnete Signaldüse 51 ist mit der Leitung 52 verbunden, die wiederum mit der Saugdüse 41 verbunden ist.

Wenn das Ventil 5o so eingestellt ist,daß der Sammler 47 entlüftet wird, sieht sich der Balg 34 zurück und bringt die Düse 41 in einen maximalen Abstand von der Trommel 31· Zwischenraum und Durchsatz haben somit einen Maximalwert, wobei gleichzeitig der Gegendruck einen Minimalwert aufweist. Damit ergibt sich eine maximale Saugwirkung in der Leitung 42, wodurch der Steuersignalstrom von der Düse 51 weg abgelenkt und das Drucksignal zur Düse 51 effektiv verringert wird. Polglich sind die Ströme der Düsen 43 und 44 zueinander ausgerichtet» und der Ausgang befindet sich innerhalb des Sammlers 47. Dadurch wird ein maximaler Ausgangsdruck innerhalb des Sammlers 47 hervorgerufen, der jedoch über das Einwegventil 49 und das Ventil 5o entlüftet wird. Wenn eine Ablesung oder eine Steuerung bewirkt werden soll, wird das Ventil 5o so verstellt, daß das Ventil 49 geschlossen wird, so daß das maximale Drucksignal zu dem Bälg 34 gelangt. Der Balg bewegt sich somit nach unten zur Oberfläche hin. Durch Ausdehnung des Balges nach unten

209808/1296

wird jedoch der für den freien Strom zur Verfügung stehende Zwischenraum verringert, so daß der Gegendruck im Strom 4o zunimmt. Dadurch werden wiederum Durchsatz und Saugwirkung an der Düse 41 verringert. Bei der hier dargestellten Ausführungsform werden dann ein Drucksignal und ein Durchsatz in der Leitung 42 erzeugt und der quer angeordneten Aufpralldüse 51 zugeführt. Der Strom führt folglich zu einer Ablenkung des von der Düse 43 abgegebenen Stroms in bezug auf den von der Düse 44 abgegebenen Strom, so daß sich die Aufprallstelle in seitlicher Richtung aus dem Sammler 47 heraus verlagert. Dadurch wird wiederum das Drucksignal in der Leitung 48 verringert, so daß sich der Balg 34 zurückziehen kann. Auf diese Weise wird ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Tastgeber und der spiralförmigen Oberfläche 32 der Trommel 31 hergestellt.

Wenn sich die Trommel 31 dreht, wird dieser Gleichgewichtszustand gestört, so daß das an die quer angeordnete Düse 51 angelegte Signal ein entsprechendes Ungleichgewicht aufweist. Der Verstärker 36 kehrt das Drucksignalverhältnis um und bringt den Balg 34 und die Düseneinheit 33 wieder in die alte Stellung, in welcher der gewünschte mittlere Abstand eingehalten wird.

Diese Veränderungen werden ebenfalls in dem Linienschreiber oder der ansonsten vorhandenen Aufzeichnungsvorrichtung 37 wiedergegeben und liefern damit eine unmittelbare Anzeige

209808/1296

des Abstandes zwischen Düse. ¹Il und Troinme lober fläche 32. Wenn der Troinmelhalbmesser proportional dem Drehwinkel der Trommel gemacht wird, ist der Ausgangsdruck ebenfalls proportional der Winkelstellung der Trommel 31·

Somit ist die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform im wesentlichen gleich der in Fig. 1 dargestellten, wobei ein im wesentlichen berührungsloser Eingriff mit einer Oberfläche erfolgt, um deren Stellung beizubehalten oder zu ermitteln. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform sind ebenfalls die Vorteile der in Fig. dargestellten Ausführungsform gegeben, einschließlich einer minimalen Belastung der Fläche, einem schnellen Ansprechvermögen usw. Anhand der Ausführungsform der Fig. 2 läßt sich außerdem die Vielseitigkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung ersehen, die hier eine Saugabtastvorrichtung und einen Queraufprallmodulator aufweist.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Prinzip kann außer sum Abtasten einer Oberfläche zum Zwecke des Bestimmens derselben oder zum Nachführen entsprechend dem Verlauf der Oberfläche auch unmittelbar als Dickenabtastvorrichtung oder dgl. verwendet werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 3ist ein Gegenstand 53 dargestellt, dessen Dicke bestimmt werden soll. So kann beispielsweise gewünscht sein, die Dicke oder Breite des Gegenstands zu messen, der aus einer sich fortbewegenden Bahn oder dgl. bestehen

209808/1296

kann. Der Gegenstand 53 befindet sich zwischen einem Düsenpaar 54 und 55. Die Düse 54 ist fest mit einem Balg 56 verbunden und wird von diesem gehalten. Der Balg 56 wird in einer geeigneten, feststehenden Beziehung in bezug auf den abgetasteten Gegenstand 53 gehalten. In entsprechender Weise ist die Düse 55 niit einem Balg 57 verbunden. Die Abtastdüse 54 stellt eine Gegendruck-Abtasteinheit dar, die der in Fig. 1 dargestellten Abtasteinheit ähnlich und in gleicher Weise wie diese gemeinsam mit einem entsprechen- ^ den Strömungsmittelverstärker 59 mit einer Zuleitung 58 verbunden ist. Die Düse 55 ist in entsprechender Weise mit der Gegendrucksignalleitung 60 verbunden, welche zu einem entsprechenden Strömungsmittelverstärker 61 führt. Der Ausgang des Verstärkers 59 ist direkt proportional, und der des Verstärkers 6l ist indirekt proportional dem Zwischenraum zwischen den Düsen 54 und 55 und der diesen jeweils gegenüberliegenden Fläche des Gegenstands 53· Die beiden Ausgangssignale der Verstärker 59 und 61 bilden die beiden Eingänge für einen Differential- oder Strömungsmittel-Differenzsummierer 62, der in der Leitung 63 ein Strömungsmittelausgangssignal erzeugt, das gleich ist dem Unterschied zwischen den AusgangsSignalen von Verstärker 59 und Verstärker 61. Der Ausgang des Summierers 62 ist daher direkt proportional der Dicke und Breite des zwischen den Düsen 5% und 55 befindlichen Gegenstands

209808/1296

Die Verstärker 59 und 61 können in gleicher oder ähnlicher Weise aufgebaut sein, mit der Ausnahme, daß sie wie oben beschrieben für entsprechende Eingangssignale jeweils einander entgegengesetzt gerichtete Ausgangssignale liefern. In Pig. 3 ist nur der Verstärker 59 in Einzelheiten dargestellt. Der hier dargestellte Verstärker 59 besteht aus einem Niederdruck-Abtastverstärker, welcher die Anwendung verhältnismäßig niedriger Abtastdrücke gestattet. Der hier dargestellte Verstärker 59 gestattet einen Betrieb mit Abtastdrücken im Bereich von 5o,8 bis 127 mm Wassersäule. Dagegen werden die vorstehend beschriebenen Kreise der Figuren 1 und 2 im allgemeinen mit Drücken in einem Bereich zwischen 0,211 bis 0,703 atü betrieben.

Der Strömungmittelverstärker 59 weist insbesondere einen Summieraufprallmodulator 64 mit einer unabhängigen Düse

65 auf, die durch eine geeignete Drosselstelle 66' mit der Strömungsmittelspeisequelle, sowie mit der Abtastleitung 58 verbunden ist. Die gegenüberliegende, abhängige Düse 66 ist über eine veränderlich einstellbare Drosselsteile 68 mit der Strömungsmittelspeisequelle verbunden. Der Ausgangssammler 69 befindet sich in der Nähe der Düse

66 und ist über ein Einwegventil Jo mit dem Eingang einer Ablesevorrichtung verbunden. Außerdem ist der Sammler 69 mit dem Eingang eines Membranverstärkers 71 verbunden, der ebenfalls wiederum in Verbindung mit der Strömungsmittelspeisequelle steht.

209808/1296

- 3ο -

Membranverstärker 71 für Strömungsmittel sind an sich bekannt, so daß sich hier eine ausführliche Beschreibung oder Darstellung erübrigt. Der Ausgang des Verstärkers 71 stellt ein Signal verhältnismäßig hohen Druckes dar, das unmittelbar zum Antrieb einer entsprechend ausgebildeten Lastvorrichtung wie z.B. des Balges 56 und des Differentialsummierers 62 oder dgl. verwendet werden kann.

Zum Zwecke der Betrachtung soll nun angenommen werden, daß der Zwischenraum zwischen dem Gegenstand 53 und der Düse 5II verringert wird. Damit nimmt der Gegendruck in dem Balg 56 und in der Leitung 58 zu. Dadurch wird wiederum der von der Düse 65 abgegebene Strom verstärkt, so daß sich die Aufprallstelle zu dem Sammler 69 hin verlagert und sich ein entsprechendes Fehlersignal ergibt, das durch den Verstärker 71 weiter verstärkt wird. Aufgrund des höheren Ausgangsdruckes wird der Balg 56 gedehnt und bringt die Düse 5¹* in eine solche Lage, in welcher der ausgewählte Zwischenraum wiederhergestellt ist. Der Verstärker 6l ist ähnlich dem Verstärker 59 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß der Sammler 69 bei diesem auf der Seite der Düse 65 angeordnet ist und die Aufpralleteile durch einen entsprechenden Strömungsmittelstrom zur Düse 66 in bezug auf den zur Düse 65 (entsprechend der Zeichnungsdarstellung) nach links verlagert wird. Wenn somit der Zwischenraum auf der Seite der Düse 55 verringert wird, verringert der gesteigerte Gegendruck das an den Balg 57 angelegte Signal, um die Düse

209808/1296

55 zurückzuziehen. Wie anhand des hier dargestellten Aufprallmodulators 64 ersichtlich, ergibt sich für den Verstärker 61 diese Arbeitsweise, wenn sich der Sammler 69 in der Nähe der Düse 65 befindet.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Düsen 54 und 55 die Abtastströme ausbilden, welche wiederum ihrerseits Gegendrucksignale erzeugen_s die direkt proportional sind dem Zwischenraum zwischen den Düsen und der einer Düse jeweils zugewandten Oberfläche des Gegenstands 53· Die Gegendrucksignale werden zu den Verstärkern 59 und 61 übertragen, die jeweils ein Ausgangssignal erzeugen, durch das die diesen zugeordneten Bälge 56 und 57 so eingestellt werden, daß ein mittlerer Abstand zwischen den Düsen und dem Gegenstand 53 aufrecht erhalten wird. Ein weiteres Paar entsprechender Signale wird dem Differentialsummierer 62 zugeführt, und das Aus gangs signal, in der Leitung 63 des Differentialsummierers 62 ist proportional der Dicke oder Breite des Gegenstands.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung dient dazu, den Durchmesser eines Loches oder einer Ausnehmung 72 in einem Gegenstand 73 zu bestimmen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Düse 74 in der Weise angeordnet, daß sie in die Ausnehmung 72 hineinragt. Die Düse 74 wird von einem Balg 75 oder einem anderen geeigneten Einstellmotor gehalten, der an einem feststehenden Träger

209808/1296

76 befestigt ist, welcher entsprechend der Darstellung eine zur Einstellsteuerung des Balges 75 dienende Verstärkereinheit 77 trägt. Die Düse 74 ist allgemein kegelförmig ausgebildet und steht in der Weise nach unten in die Ausnehmung 72 hinein vor, daß der Zwischenraum 78 zwischen dem Rand der Ausnehmung 72 und dem in der gleichen Ebene liegenden benachbarten Abschnitt der Düse Tk direkt proportional ist der relativen Axialstellung der Düse in bezug auf die Ausnehmung. Durch die Düse Jk wird ein Strömungsmitteldruck und -durchsatz innerhalb der Ausnehmung 72 ausgebildet, und das Strömungsmittel tritt durch den um die Düse 74 herum gebildeten Zwischenraum 78 aus. Die Größe des austrittsseitigen Zwischenraums 78 steht daher in direkter Beziehung zu dem Gegendruck in der Düse und gibt diesen vor, wobei in der Leitung 79 ein Gegendrucksignal erzeugt wird. Dieses Signal wird dem entsprechend ausgelegten Verstärker 77 zugeführt und liefert eine direkte Anzeige der Größe des Zwischenraums und damit der Größe der Ausnehmung.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht der Strömungsmittelverstärker 77 aus einer Kombination eines Queraufprallmodulators 8o und eines Membranverstärkers 81. Der hohe Verstärkungsgrad dieser Kombination gestattet die Verwendung äußerst niedriger Abtastdruckwerte und eignet sich besonders gut zur Ermittlung der Größe des Zwischenraums mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad. Der Queraufprallmodulator 8o ist ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten und

209808/1296

weist eine mit der Leitung 79 verbundene und quer angeordnete Signaldüse 82 auf. Die Hauptdüsen und die Signaldüse sind ganz allgemein entsprechend der Darstellung in Fig. 2 mit der Strömungsmittelspeisequelle verbunden. Ein Sammler 83 befindet sich in der Nähe der abhängigen Düse und ist in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben mit dem Membranverstärker 8l und einer Niederdruck-Ablesezweigleitung 84 verbunden. Der Ausgang des Membranverstärkers 81 ist zur Steuerung des Balges 75 mit diesem verbunden und außerdem zu einer Ausgabevorrichtung 85 geführt, welche zur Aufzeichnung der Größe der Ausnehmung dient. Der extrem hohe Verstärkungsgrad des Queraufprallmodulators gestattet in Verbindung mit der weiteren Verstärkung vermittels des Membranverstärkers 81 die Anwendung äußerst niedriger Abtastdruckwerte wie z.B. solchen im Bereich von 0,51 mm Wassersäule. Ansonsten entspricht die Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung den Arbeitsweisen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher sie zum kontinuierlichen Nachstellen einer herkömmlichen Gegendruck-Abtasteinheit

86 und insbesondere zum genauen Einstellen der Gegendruck-Abtasteinheit in bezug auf die Ebene einer Bezugsfläche

87 verwendet wird.

Die in Fig. 5 dargestellte Gegendruck-Abtasteinheit 86 ist in Reihe mit einer öffnung 89 mit einer geeigneten Quelle

209808/1296

eines unter Druck stehenden Strömungsmittels 88 verbunden. Die Ausgangsdruckleitung 9o ist unmittelbar mit der Gegendruck-Abtastdüse 86 verbunden. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Gegendruck-Abtasteinheit 86 fest mit einem Balg 91 verbunden, der einen Teil einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Einstellsteuerung bildet. Eine Abtastdüse 92 ist fest mit dem Balg 91 verbunden und zur Fläche 87 ausgerichtet. Die Düse 92 ist über eine Leitung 93 mit dem Eingang eines Druckverstärkers 9^ mit negativem Verstärkungsgrad einer im vorstehenden bereits beschriebenen Ausführung verbunden. Die beiden Gegendruck-Abtaster 86 und 92 sind an dem Balg 91 in der Weise befestigt, daß sich die Auslaßenden der Düsen in einer genauen gegenseitigen Zuordnung befinden und daher in bezug auf die Bezugsfläche 87 genau ausgerichtet sind. Die Abtastdüse 92 bildet ein Signal aus, durch welches die Düse 92 entsprechend einem vorgewählten Zwischenraum in einem genauen Abstand gehalten wird, so daß sich die Düse 86 in einer bestimmten und genau vorgelegten Lage in bezug auf die Fläche 87 befindet. Der Ausgang der Gegendruck-Abtasteinheit 86 liefert dann eine Messung des Abstandes zwischen dem Abtaster und der mit diesem ausgerichteten Fläche 95. Die abgetasteten Flächen 87 und 95 müssen nicht unbedingt parallel zueinander verlaufen. Die Bezugsfläche 87 kann sich auch an einer getrennten Abtastlehre befinden, die in bezug auf die Halterung der Abtasteinheit

209808/1296

in einer festgelegten Lage angeordnet ist oder entsprechend der Darstellung der Fig. 5 aus einer genau vermessenen Oberfläche an einem Teil 96 bestehen kann, das die Oberfläche

95 aufweist. Das Ausgangssignal der Stellungsabtasteinrichtung entsprechend dieser als letzte beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird lediglich zum Einstellen des Balges verwendet, um dadurch den herkömmlichen Gegendruck-Abtaster

86 in genauer Stellung in bezug auf die Bezugsfläche 87 zu halten. Falls gewünscht, liefert der Ausgang des Verstärkers 94 ein direktes Maß für den Abstand zwischen der Fläche

87 und der Bezugsfläche des Balges, wobei der Ausgang natürlich auch zum Antrieb einer entsprechend ausgebildeten Vorrichtung verwendet werden kann.

Der entsprechend der Darstellung von Fig. 5 an der hier aus dem Balg 91 bestehenden Einstellvorrichtung befestigte Gegendruck-Abtaster 86 kann selbstverständlich auch durch ein hier nicht dargestelltes Werkzeug wie z.B. einen Schweißstab, ein Schneidewerkzeug usw. ersetzt werden, mit dem der Teil

96 bearbeitet wird. Die Abtasteinrichtung kann anstelle der dreidimensionalen Ausbildung auch einen zweidimensionalen Aufbau aufweisen. Anstelle der hier dargestellten Gegendruckdüsen kann auch jede andere, geeignete Vorrichtung verwendet werden, durch die ein Strömungsmittelsignal ausgebildet wird, so daß ein Strömungsmittelzustand zwischen den Vorrichtungen und der Fläche bzw. dem Gegenstand entsteht, der in bestimmter Beziehung zu dem Abstand zwischen diesen steht.

209808/1296

Durch die Erfindung ist somit eine im wesentlichen berührungslose Stellungsabtasteinrichtung geschaffen worden, die dazu verwendet werden kann, verschiedene Steuerungs- und Aufzeichnungsfunktionen in entweder einer offenen oder einer geschlossenen Schleife wahrzunehmen. Die Erfindung wurde anhand mehrerer unterschiedlicher Anwendungen und Ausbildungen des Strömungsmittelkreises dargestellt, um verschiedene Gesichtspunkte der Erfindung aufzuzeigen. Die erfindungs-

^ gemäße Einrichtung ist jedoch nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern läßt sich in all den Fällen anwenden, bei denen eine Oberfläche abgetastet werden soll, die von einem eine verhältnismäßig schwache Kraft ausübenden Strömungsmittelsignal getroffen werden kann, wie es vermittels der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung anwendbar ist. Wie oben ausgeführt, läßt sich durch geeignete Wahl des Nachführantriebes ein lineares Ansprechverhalten erzielen, so daß ein genaues Nachführen an der von dem Strömungsmittelstrahl getroffenen Fläche erfolgt. Außerdem

* stellt bei den hier dargestellten Ausfuhrungsformen der Erfindung die Strömungsmitteleingangssteuerung ein sehr bequemes und zuverlässiges Mittel zum bedarfsweisen Zurückziehen der ,Abtasteinheit dar. Dieses Mittel eignet sich besonders gut zum von Hand oder automatischen Handhaben der Werkstücke und dgl. und stellt damit die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf industrielle Fertigungsverfahren dar.

209808/1296

Claims (22)

1. Patentansprüche

   Stellungsabtasteinrichtung zum Bestimmen der Stellung einer in der Nähe der Einrichtung befindlichen Fläche, gekennzeichnet durch eine in einem Abstand von der Fläche (3, 32, 53, 72, 87) gelagerte Strömungsmittelquelle (8_ä 41, 54, 55, 74, 92), die zur Ausbildung eines auf die Fläche auftreffenden Strömungsmittelsignalstroms (9» 4o) dient und mit einer zur Herleitung eines Fehlersignals entsprechend einer Eigenschaft der Strömungsmittelsignalquelle dienenden Ausgangsvorrichtung (5, 37, 85) versehen ist, wobei die Eigenschaft des Strömungsmittelsignals in Beziehung steht zu dem Abstand zwischen der Strömungsmittelquelle und der Fläche, und durch eine auf Strömungsmittel ansprechbare Einstellvorrichtung (11, 34, 56, 57, 75, 91), deren Eingang mit dem Ausgang der Strömungsmittelquelle verbunden und die derart angeordnet ist, daß durch sie die Strömungsmittelquelle entsprechend dem Fehlersignal zu der Hache bzw. von dieser weg bewegbar und in einem vorbestimmten und gleichbleibenden Abstand von der Fläche haltbar ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet₉ daß die auf das Strömungsmittel ansprechbare Einstellvorrichtung einen Verstärker (Io, 36, 71» 61, 81, 94), dessen Strömungsmittelsignaleingang mit dem Ausgang der Strömungsmittelquelle verbunden, und an dessen Ausgang ein entsprechendes Strömungsmittelausgangssignal abgebbar ist, und einen mit der

   209808/1296

   Strömungsmittelquelle verbundenen Strömungsmittelmotor auf-.weist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist.
3. 3. · Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verstärkerausgang eine zur Anzeige, Aufzeichnung oder Steuerung dienende und durch Strömungsmittel angetriebene Last verbunden ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker aus einem Stromungsmittelverstärker besteht.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß der Stromungsmittelverstärker aus einem Aufprallstrommodulator (36, 64, 80) mit einem mit dem Ausgang der Strömungsmittelquelle verbundenen und zur Erzeugung eines verstärkten Stromungamittelsteuersignals dienenden Steuereingang besteht.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromungsmittelverstärker aus einem Aufprallstrommodulator (80) mit einem mit dem Ausgang der Strömungsmittelquelle verbundenen Steuereingang und einem mit dem Modulator verbundenen und zur Erzeugung des verstärkten Strömungsmittelsteuersignals dienenden Membranverstärker (81) besteht.
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelmotor

   209808/1296

   aus einer linearen Druckdoseneinheit (11) besteht.
8. 8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelmotor aus einem Balg (34, 56, 57, 75* 91) mit einer beweglichen Endwand besteht und die Strömungsmittelquelle (41, 54, 55, 74, 92) fest mit der beweglichen Endwand verbunden ist.
9. 9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelmotor von einer ausdehnbaren Ausführung, vermittels einer Federvorrichtung in eine eingefahrene Stellung beaufschlagt, mit dem Verstärkerausgang verbunden, proportional dem Fehlersignaleingang ausdehnbar und bei nicht vorhandenem Verstärke raus gangs signal vermittels der Federvorrichtung zurückziehbar ist.
10. 10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche

    1 ~ 9» gekennzeichnet durch eine zum Bewegen der Strömungsmittelquelle in bezug auf die Oberfläche und zum kontinuierlichen Nachführen derselben entsprechend der Formgebung der Oberfläche dienende Vorrichtung.
11. 11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche

    2 - Io, gekennzeichnet durch einen Queraufprallmodulator (36, 80) mit einer mit der Ausgangsvorrichtung der Strömungsmittelquelle verbundenen, quer angeordneten Eingangsdüse

    209808/1296

    - 4ο -

    (51, 82), wobei durch den Modulator ein dem Fehlersignal proportionales verstärktes Strömungsmittelsteuersignal erzeugbar ist.
12. 12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die StrSmungsmittelquelle ein Paar zueinander ausgerichteter, in einem gegenseitigen Axialabstand angeordneter und zwischen sich eine Änsaugkammer bildender Düsen (38, 4i), und die Ausgangsvorrichtung eine Verstärker- und Steuervorrichtung (36) aufweist, deren Eingang mit der Saugkammer, und deren Ausgang mit der Einstellvorrichtung (34) verbunden ist»
13. 13* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Strömungsmittelquelle eine zur Ausbildung eines Strömungsmittelstroms dienende, mit einem Stromungsmittelvorrat verbindbare und einen unter Druck stehenden und auf die Fläche auftreffenden freien Strömungsimittelstrom ausbildende Vorrichtung aufweist, die Ausgangsvorriehtung auf der Aufstromseite des freien Stroms mit der den Stromungsmittelstrom ausbildenden Vorrichtung verbunden ist und ,dazu dient, das Fehlersignal entsprechend einer Arbeitseigens ehaft des freien Strömungsmittelstroms herzuleiten»
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch die den Strömungsmittelstrahl ausbildende Vorrichtung eine zu der Fläche hin gerichtete geradlinige Strahlströmung erzeugbar ist, die an der Ausgangsvorriehtung

    209808/1296

    ein dem Abstand zwischen der Fläche und der den Strom ausbildenden Vorrichtung proportionales Gegendrucksignal erzeugt.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, insbesondere zur -Ermittlung des Abstandes einer zweiten Fläche von der ersten Fläche, gekennzeichnet durch eine zweite, zur Ausbildung eines zweiten Strömungsmittelstrahls dienende Vorrichtung (55)» durch die eine zweite Strahlströmung parallel und entgegengesetzt der zweiten Strahlströmung und ein entsprechender Gegendruck gemäß dem Abstand von der zweiten Fläche erzeugbar ist, eine mit dem Ausgang der zweiten, einen Strömungsmittelstrom ausbildenden Vorrichtung verbundene und zum Einstellen der zweiten, einen Strömungsmittelstrahl ausbildenden Vorrichtung dienende Einstellvorrichtung (57) und durch eine mit der Abtastsignalvorrichtung gekoppelte und zur Vorgabe der relativen Stärke der Fehlersignale und zum Ermitteln des Abstandes zwischen den sich gegenüberliegenden und von den beiden Abtastströmen getroffenen Flächen dienende Differentialsignalanzeigevorrichtung (62).
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder zur Ausbildung eines Strömungsmittelsignals dienenden Vorrichtung und der entsprechenden Einstellvorrichtung (56, 57) jeweils ein Strömungsrnittelverstärker (6l, 71) geschaltet ist, jede Einstellvorrichtung einen in einer vorbestimmten Stellung befestigten aus-

    209808/1296

    dehnbaren Flüssigkeitsmotor aufweist und der eine Verstärker Vorrichtungen zum Umkehren des Eingangssignals aufweist, so daß die Motoren durch einander entsprechende Fehlersignale in entgegengesetzten Richtungen antreibbar sind.
17. 17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9» insbesondere zum Bestimmen der Größe einer Ausnehmung an einer Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelquelle aus einer sich konisch verjüngenden Düse (74) besteht, die

    in die Ausnehmung (72) einführbar und durch die innerhalb der Ausnehmung ein Strom ausbildbar ist, wobei das Fehlersignal proportional ist dem Abstand zwischen dem Rand der Ausnehmung und der Düse.
18. 18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsam mit der Strömungsmittelquelle (92) eine Gegendruck-Abtastvorrichtung (86) mit der Einstellvorrichtung (91) gekoppelt ist und dazu dient, die Gegendruck-Abtastvorrichtung in einer ausgewählten vorbestimmten Beziehung in bezug auf die Strömungsmittelquelle zu halten.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellsteuervorrichtung eine sich verlagernde
    Wand aufweist, und die Strömungsmittelquelle (92) und der Gegendruck-Abtaster jeweils eine mit der Wand verbundene Düse aufweisen und die Düsen in einer vorbestimmten Beziehung zueinander angeordnet sind.

    209808/1296
20. 20. Einrichtung nach einem der Anspräche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsam mit der Stromungsmlttelquelle (92) ein Merkzeug an der Einstellvorrichtung (91) befestigt Ist und diese dazu dient, das Werkzeug In einer vorbestimmten ausgewählten Beziehung In bezug auf die StrSmungsinlttelquelle und damit In bezug auf die Fläche (8?) zu halten.
21. 21. Verfahren zum Abtasten der Stellung einer Fläche bzw. eines Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, da® eine StrS-mungsmlttelquelle in die liähe der Fläche gebracht, ein auf die Fläche auftreffender Stromungsmittelstrom ausgebildet, eine Eigenschaft des Stromes ermittelt und entsprechend dieser Eigenschaft des Stromes ein Fehlersignal erzeiagt wird, wobei diese Eigenschaft des Stromes In direkter Beziehung zu dem ,Abstand zwischen Stromangsmittelquelle und Fläche steht, und daß die StrSimangsmlttelqiielle kontinuierlich eingestellt und eine vorbestimmte Lage der Strömungsmittelquelle in bezug auf die Fläche eingehalten wird.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in Form einer geradlinigen Strahlströmung ausgebildet und als Eigenschaft ein GegendruckstrSmungssIignial Innerhalb der Stromungsmlttelquelle verwendet wird, sowie dieses Signal verstärkt und einem StrSmungsmittelmotor zur Einstellung der StrSmungsmlttelquelle zugeführt wird«

    209888/1296

    Lee rseiie