DE2144052A1 - Messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung

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DE2144052A1 DE19712144052 DE2144052A DE2144052A1 DE 2144052 A1 DE2144052 A1 DE 2144052A1 DE 19712144052 DE19712144052 DE 19712144052 DE 2144052 A DE2144052 A DE 2144052A DE 2144052 A1 DE2144052 A1 DE 2144052A1
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Description

Patentanwalt Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsoh.-Ing.
Erwin Z m y j 8 München 90
Grünwalder Str. 175a
SOCIETE GENEVOISE D'INSTRUMENTS DE PHYSIQUE 8, rue des Vieux-Grenadiers, GENEVE, Schweiz
Me s svo rri chtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung mit hochpräziser numerischer Ablesung und Einstellung.
Die bestehenden numerischen Messvorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass sie mit verschieblichen Messelementen arbeiten, die weniger genau sind als die beispielsweise in Millimeter unterteilten Meßstäbe. Andererseits sind die mit derartigen Meßstäben ausgerüsteten Messvorrichtungen mit Einrichtungen zur analogen Ablesung versehen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messvorrichtung mit numerischer Ablesung und Einstellung zu schaffen, deren Genauigkeit ebenso gross ist wie diejenige, die bei Messvorrichtungen mit analoger Messung der Einstellung erreicht wird.
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Die erfindungsgemässe Messvorrichtung umfasst ein Gehäuse, das ein ihm gegenüber in mindestens einer Richtung verschiebbares Bewegungsorgan trägt, sowie einen mit einer Servoeinrichtung ausgerüsteten Motor, der das Bewegungsorgan zur Ausführung der Verschiebungen antreibt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, dass die Servoeinrichtung über eine Schaltstufe alternativ von einer numerischen Steuereinrichtung mit einem umsteuerbaren Zähler bzw. einer analogen Steuereinrichtung gesteuert v/ird; dass die analoge Steuereinrichtung eine an dem Bewegungsorgan angebrachte Präzisions-Meßschiene sowie, ein fotoelektrisches Mikroskop mit einer optischen Beobachtungseinrichtung umfasst, die eine rotierende Feldblende darstellt und zwischen Stellungen verschiebbar ist, die den auf zwei verschiedene Teilstriche der Einteilung der Präzisions-Meßschiene zentrierten Abschnitten des Messfeldes entsprechen; dass ferner ein mit der Feldblende drehfester Impulsgenerator vorgesehen ist, der dem Zähler Steuersignale zur algebraischen Differenzbildung aus dem im Zähler gespeicherten Wert und einer Zahl von Einheiten, die gleich der der Winkeldrehung der Blende entsprechenden linearen Verschiebung des Bewegungsorgans ist, zuführt; und dass schliesslich eine von dem Zähler gesteuerte Kupplung ein Ankuppeln des Motors und damit des Bewegungsorgans an die Blende gestattet, wobei der Motor mit der Blende starr gekuppelt ist, wenn der Zähler einen von Null verschiedenen Zustand aufweist, jedoch entkuppelt ist, wenn der Zähler sich im Null-Zustand befindet, und wobei gleichzeitig
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die Schalteinrichtung die Servoeinrichtung mit der numerischen Steuereinrichtung verbindet, wenn der Zähler einen von Null
verschiedenen Zustand aufweist, bzw. die Servoeinrichtung mit
der analogen Steuereinrichtung verbindet, wenn sich der Zähler im Null-Zustand befindet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Messvorrichtung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils der Messvorrichtung mit den mechanischen und optischen Einrichtungen
des Bewegungsorgans, jedoch ohne die elektrischen Einrichtungen;
Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung zur
Darstellung der Anordnung der Elemente nach Fig. 1 in der Vorrichtung; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur genaueren Veranschaulichung des elektrischen Teils der Messvorrichtung.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sollen nur die
Steuerelemente des vertikal verschiebbaren Bewegungsorgans beschrieben werden; selbstverständlich umfasst die Messvorrichtung ausserdem zwei rechtwinklig zueinander und zu der vertikalen Koordinate verschiebbare Bewegungsorgane, deren Steuerungen identisch mit derjenigen sein können, die für die Z-Koordinate beschrieben wird.
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Die vorliegende Messvorrichtung umfasst ein Gehäuse 1 und einen Schlitten 2, der relativ zu dem Gehäuse 1 senkrecht verschiebbar und an diesem durch Führungen 3, 4 geführt ist, von denen die eine eben und die andere keilförmig ausgebildet ist.
Der Schlitten 2, der das Bewegungsorgan für die Z-Koordinate der beschriebenen Vorrichtung bildet, ist zum Antrieb für seine Bewegungen vertikal zum Gehäuse 1 mit einer Betätigungsspindel 5 mechanisch verbunden, die mit einer an dem Schlitten 2 befestigten Mutter 6 in Eingriff steht. Die Betätigungsspindel -5 ist an dem Gehäuse 1 drehbar montiert, ohne dass sie sich in Längsrichtung zu dem Gehäuse 1 verschieben kann; an der Betätigungsspindel 5 ist ein Schneckenrad 7 befestigt, das mit einem Antriebsritzel 8 in Eingriff steht. Das Ritzel 8 wird von einem Motor 9 der Einrichtung zur Betätigung des Schlittens 2 über eine in dem Gehäuse 1 drehbar gelagerte Antriebswelle 10 getrieben. Das von dem Schneckenrad 7 und dem zugehörigen Ritzel 8 bewirkte Untersetzungsverhältnis sorgt dafür, dass eine Verschiebung des Schlittens 2 um den Abstand zwischen zwei Einteilungen einer am Schlitten 2 starr befestigten Präzisions-Meßschiene 12 einer Umdrehung der Welle 10 entspricht.
Vorgesehen ist ferner eine Servoeinrichtung 13, die einen Tacho-Generator 14, einen Komparator 15 (beispielsweise
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von dem Typ, wie er in P.Naslin, "Technologie et calcul pratique des syst^mes asservis", Dunod Paris, 1968, Seiten 21, 22 und 352 bis 362 beschrieben ist) sowie einem Steuerverstärker 16 umfaßt.
Wie weiter unten erläutert wird, erzeugt der Komparator 15 ein Fehl er signal, das dem Unterschied zwischen dem von dem Tacho-Generator 13 abgegebenen, der Ist-Geschwindigkeit des Motors 9 entsprechenden Signal und einem von einer Schaltstufe 17 abgegebenen Sollwertsignal C entspricht.
Die numerische Steuerschaltung 18 für die Verschiebungen des Schlittens 2 umfasst einen optischen Impulsgenerator 19, dessen Scheibe an einer Welle 20 befestigt ist. Die Welle 20 fluchtet mit der Antriebswelle 10 und kann zur gemeinsamen Drehung mit dieser über eine Kupplung, in diesem Fall eine elektromagnetische Kupplung 21, verbunden werden. Der optische Impulsgenerator 19 erzeugt einen Impulszug, der den Verschiebungen des Schlittens 2 entspricht, wenn er von dem Motor 9 über die elektromagnetische Kupplung 21 angetrieben wird. Dieser Impulszug wird einem umsteuerbaren Zähler 22 zugeführt. Bei dem optischen Impulsgenerator 19 kann es sich um das von der Firma Contraves S.A. hergestellte Modell "CODIROT" handeln, während der umsteuerbare Zähler 22 von dem Typ sein kann, wie er in der schweizerischen Patentschrift 463 130 beschrieben ist, der eine Unterscheidung des Drehsinns der Welle 20 gestattet.
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Der umsteuerbare Zähler 22 umfasst eine Rückstellung 23 und einen Eingang 24, über den der Zähler auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.
Die numerische Steuerschaltung umfasst schliesslich eine Anzeige 25, die den Stand des Zählers 22 wiedergibt, sowie einen mit dem Ausgangssignal des Zählers 22 gespeisten Digital -Analog-Wandler 26, der der Schaltstufe 17 ein numerisches Steuersignal Cn zuführt. Die Anzeige 25 kann von dem Typ sein, wie er in der genannten schweizerischen Patentschrift 463 130 offenbart ist, während es sich bei dem Digital-Analog-Wandler 26 um einen Gerättyp handeln kann, wie er in Alan Arthur, "Digital analogue conversion" in der Zeitschrift "Electrotechnology11, November 1964, beschrieben ist.
Der umsteuerbare Zähler 22 weist einen Ausgang 27 auf, der dann, wenn der Zähler auf Null steht, ein Steuersignal einerseits an die elektromagnetische Kupplung 21 und andererseits an die Schaltstufe 17 abgibt.
Die Messvorrichtung umfasst ferner einen analoge Steuerschaltung 29 mit einem fotoelektrischen Mikroskop 30 sowie mit elektrischen Schaltkreisen 31, 32, die die von dem fotoelektrischen Mikroskop 30 abgegebenen elektrischen Signale formieren und zu einem Fehlersignal Ca verarbeiten, das der Schaltstufe 17 zugeführt wird.
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Bei dem fotoelektrischen Mikroskop handelt es sich um den in der genannten schweizerischen Patentschrift 463 130 beschriebenen Typ; es umfasst eine optische Beobachtungseinrichtung mit einer von einer Glühlampe gebildeten Lichtquelle 33 und einem halbdurchlässigen Spiegel 34, der die von der Lichtquelle 33 einfallenden Strahlen durch ein Objektiv 35 auf die Präzisions-Meßschiene 12 reflektiert. Die von der Meßschiene 12 reflektierten Strahlen durchsetzen das ,Objektiv 35 und den halbdurchlässigen Spiegel 34, werden der Wirkung eines vibrierenden Spiegels 36 ausgesetzt, der eine oszillierende Ablenkung des -Bildes des betrachteten Teilstrichs auf der Skala der Meßschiene 12 erzeugt, und werden über Spiegel 37, 38 auf einen Spiegel 39 gerichtet, der innerhalb einer rotierenden Feldblende 42 angeordnet ist. Von diesem Spiegel 39 aus durchsetzen die Strahlen den lichtdurchlässigen schraubenförmigen Schlitz 40 der Feldblende, auf deren Fläche sich das Bild der Teilstriche auf der Präzisions-Meßschiene 12 abbilden, und treffen auf eine Fotozelle 41, die die elektrischen Schaltkreise 31, 32 des fotoelektrischen Mikroskops speist.
Die rotierende Feldblende 42 ist zylindrisch und weist eine lichtundurchlässige Wand auf. Der in dieser Wand vorgesehene schraubenförmige Schlitz 40 weist mindestens eine Windung auf', deren Steigung unter Berücksichtigung der optischen Vergrösserung der Beobachtungseinrichtung dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Teilstriche auf der Skala der Prä-
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zisions-Meßschiene 12 entspricht. Die Feldblende 42 ist an der Welle 20 befestigt, die die Drehscheibe des optischen Impulsgenerators 19 antreibt.
Die beschriebene Messvorrichtung umfasst schliesslich zwei manuelle Steuerorgane, nämlich eine Drehzahlsteuerung 43 und einen Feinregler 44.
Die Drehzahlsteuerung 43 gibt an die Schaltstufe 17 ein Steuersignal"Cv ab, dessen Amplitude beispielsweise mittels eines Potentiometers 45 veränderbar ist. Der Abgriff des Potentiometers 45 steuert einen Unterbrecher 46, der dann, wenn er eingeschaltet ist, d.h. wenn die Drehzahlsteuerung in Betrieb ist, der elektromagnetischen Kupplung 21 sowie der Schaltstufe 17 ein Steuersignal 47 zuführt. Der Feinregler 44 umfasst einen Regelknopf (in Fig. 1 ist der Regelknopf selbst mit 44 bezeichnet), der die Welle 20 über ein Kegelradpaar 50 oder ein konisches Reibradpaar in Drehung versetzt.
Die Schaltstufe 17 umfasst zwei Umschalter 48, 49, von denen der Umschalter 48 über ein (nicht gezeigtes) Relais durch das von dem Zähler 22 am Ausgang 27 abgegebene Steuersignal und der andere Umschalter 49 ebenfalls über ein (nicht gezeigtes) Relais von dem Steuersignal 47 der Drehzahlsteuerung 43 betätigt wird. Wie ersichtlich, gestattet die Schaltstufe 17 je nach der Betriebsweise der Messvorrichtung die Zuführung
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des Steuersignals Cn, des Steuersignals Ca oder des Steuersignals Cv als Sollwert-Signal C zu dem Komparator 15.
Die oben beschriebene Messvorrichtung kann in zwei verschiedenen Arten betrieben werden: zum einen wird zur automatischen Einstellung des Schlittens auf eine Position, die der Soll-Masszahl eines zu messenden Werkstücks entspricht, der Abstand zwischen dieser Sollposition und der Istposition des Werkstücks gemessen; zum anderen wird von einem bestimmten Ausgangspunkt durch manuelle Steuerung das zu messende Werkstück abgetastet, um das Ist-Mass dieses Werkstücks zu bestimmen.
Die erste Arbeitsweise, d.h. der automatische Betrieb der erfindungsgemässen Messvorrichtung erfolgt so:
Die Bedienungsperson stellt den Zähler 22 über den Steuereingang 24 auf den gewünschten Wert, d.h. auf die Masszahl, die der gewünschten Verschiebung des Schlittens 2 entspricht. Da nun der Zähler 22 nicht mehr auf Null steht, erscheint an seinem Ausgang 27 ein Steuersignal, das die elektromagnetische Kupplung 21 in Eingriff bringt und damit zwischen der Welle 20 und der Welle 10 eine starre Verbindung herstellt und das den Umschalter 48 in die (gezeigte) Stellung 1 legt. Da sich die Drehzahlsteuerung 43 in der Null-Lage befindet, liegt der Umschalter 49 in der Stellung 2.
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Die Bedienungsperson schliesst nun den Netzschalter 51 und setzt damit den Motor 9 in Gang. Der Motor 9 versetzt die Wellen 10 und 20 in Drehung und bewirkt dadurch eine lineare Verschiebung des Schlittens 2 in der vom Drehsinn des Motors 9 abhängigen gewünschten Richtung sowie die Drehung des optischen Impulsgenerators 19. Bei jeder vollständigen Umdrehung der Welle 20 erzeugt der Impulsgenerator 19 eine Impulsfolge, die bewirkt, dass von der in den Zähler 22 eingegebenen Maßzahl eine Anzahl von Einheiten abgezogen wird, die gleich dem von dem Schlitten 2 durchlaufenen Weg ist. Es ist zu beachten, dass dies eine Verminderung der Amplitude des numerischen Steuersignals Cn erzeugt, das über den Umschalter 48 der Schaltstufe 17 dem Komparator 15 der Servoeinrichtung 13 des Motors 9 zugeführt wird.
Der Schlitten 2 wird somit über die numerische Steuerschaltung verstellt, bis der Zähler 22 seinen Null-Stand erreicht hat, d.h. bis der Schlitten 2 theoretisch um einen Betrag verschoben worden ist, der gleich der anfangs in den Zähler 22 eingegebenen Masszahl ist.
Wie leicht einzusehen, könnten andere Ausführungsformen mit Verzögerungslagern versehen sein, um die Verschiebungsgeschwindigkeit des Schlittens zu vermindern, wenn sich dieser in der Nähe der gewünschten Position befindet, um ein Überschreiten dieser Position aufgrund der Trägheit des Schlittens zu vermeiden.
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Von dem Moment an, in dem der Zähler 22 auf Null steht, bewirkt das Signal an seinem Ausgang 27, dass die elektromagnetische Kupplung 21 gelöst und damit die Wellen 10 und 20 voneinander getrennt werden sowie dass der Umschalter 48 in seine Stellung 2 umgelegt wird und damit den Komparator 15 der Servoeinrichtung 13 mit der analogen Steuerschaltung 29 verbindet.
Von diesem Moment an sind der optische Impulsgenerator 19 und die rotierende Feldblende 42 des fotoelektrischen Mikroskops 30 stationär, während der Motor 9 von der analogen Steuerschaltung 29 ein Sollwert-Signal C erhält; dieses Signal bewirkt, dass dann, wenn das über das fotoelektrische Mikroskop 30 beobachtete Bild der Skala auf der Präzisions-Meßschiene 12 bezüglich des schraubenförmigen Schlitzes 40 (oder mindestens bezüglich eines Teiles der genannten oszillierenden Ablenkung der reflektierten Strahlen) nicht genau zentriert ist, der Motor 9 den Schlitten 2 weiter verschiebt, um ihn in seine absolut genaue Position zu bringen. Auf diese Weise werden Ungenauigkeiten in der Einstellung des Schlittens 2, die sich aus der mechanischen Antriebs verbindung ergeben, in der Phase der analogen Feineinstellung unterdrückt. Tatsächlich ist die in der ersten Phase der numerischen Einstellung erzielte Position der Feldblende 42 absolut genau, da die Feldblende in dieser Phase direkt mit der Welle 10 des Motors 9 verbunden ist, der seinerseits über das Steuersignal Cn an den Stand des Zählers 22 ge-
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bxonden ist. Die Wirkungsweise des fotoelektrischen Mikroskops selbst ist bekannt und soll hier nicht beschrieben werden. Sie ist ähnlich der Wirkungsweise des in der genannten schweizerischen Patentschrift 463 130 beschriebenen fotoelektrischen Mikroskops.
Soll die Messvorrichtung mit manueller Steuerung benützt werden, so stellt die Bedienungsperson den Zähler 22 über die Rückstellung 23 auf Null, was bewirkt, dass die elektromagnetische Kupplung 21 über das Signal am Ausgang 27 geöffnet und der Umschalter 48 in seine Stellung 2 gelegt wird, dass der Abgriff des Potentiometers 45 betätigt wird und die Verbindung des Ausgangs 27 über einen Unterbrecher 52 löst, und dass die elektromagnetische Kupplung 21 über das Steuersignal 47 eingelegt sowie der Umschalter 49 in seine Stellung 1 versetzt wird. Nach Schliessen des Unterbrechers 51 wird die Motordrehzahl manuell über die Drehzahlsteuerung 43 gesteuert. Da die Welle 20 mit der Welle 10 drehfest verbunden ist, wird die Verschiebung des Schlittens 2 automatisch bei 22 gezählt und bei 25 angezeigt, so dass die Bedienungsperson die gewünschte Masszahl annähern kann, indem sie die Geschwindigkeit über die Geschwindigkeitssteuerung 43, deren Ausgangssignal dsm Komparator 15 zugeführt wird, verändert.
Ist der Schlitten 2 in die Nähe der gewünschten Masszahl gelangt, so wird die Drehzahlsteuerung 43 auf Null gestellt,
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was über das Steuersignal 47 die elektromagnetische Kupplung 21 löst und den Umschalter 49 in seine Stellung 2 legt. Nun empfängt die Servoeinrichtung 13 ihr Sollwert-Signal C wieder von der analogen Steuerschaltung 29. Die Bedienungsperson kann dann die Stellung des Schlittens durch Betätigung des Feinreglers 44 fein einstellen, wobei über den Feinregler 44 einerseits die Feldblende 42 gedreht und über das fotoelektrische Mikroskop 30 der Schlitten 2 bewegt wird und andererseits der optische Impulsgenerator 19 gedreht wird, wodurch die Zählung und Anzeige der Feinverstellung des Schlittens bewirkt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann der Feinregler-Knopf 44 mit der Welle 20 auch über eine ausrückbare Kupplung verbunden sein, da er für das Funktionieren der Messvorrichtung nicht benötigt wird.
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Claims (4)

  1. 2U4052
    Ansprüche
    M J Messvorrichtung mit einem Gehäuse und einem bewegbaren Organ, das relativ zu dem Gehäuse in mindestens einer Richtung verschiebbar ist, und einem mit einer Servoeinrichtung versehenen Motor zum Antrieb der Verschiebungen des bewegbaren Organs, dadurch gekennzeichnet , dass die Servoeinrichtung (-13) über eine Schaltstufe (17) alternativ durch eine numerische Steuerschaltung (18) mit einem umsteuerbaren Motor (22) bzw. durch eine analoge Steuerschaltung (29) steuerbar ist; dass die analoge Steuerschaltung eine an dem bewegbaren Organ (2) angebrachte Präzisions-Meßschiene (12) sowie ein fotoelektrisches Mikroskop (30) mit einer optischen Beobachtungseinrichtung umfasst, die eine rotierende Feldblende (42) darstellt und zwischen zwei Stellungen verschiebbar ist, die den auf zwei verschiedene Teilstriche der Meßschiene zentrierten Abschnitten des Messfeldes entsprechen; dass ferner ein mit der Feldblende drehfester Impulsgenerator (19) vorgesehen ist, der dem Zähler Steuersignale zur algebraischen Differenzbildung aus dem im Zähler gespeicherten Wert und einer Zahl von Einheiten, die gleich der der Winkeldrehung der Blende entsprechenden linearen Verschiebung des bewegbaren Organs ist, zuführt; und dass eine von dem Zähler gesteuerte Kupplung (21) das Ankuppeln des Motors (9) und damit des bewegbaren Organs an die Feldblende gestattet, wobei der Motor mit der Feldblende starr gekuppelt ist, wenn der Zähler einen von Null verschiedenen Stand aufweist, und von der Feldblende entkuppelt ist, wenn der Zähler auf Null
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    steht, und wobei gleichzeitig die Schaltstufe die Servoeinrichtung mit der numerischen Steuerschaltung verbindet, wenn der Zähler einen von Null verschiedenen Stand aufweist, und die Servoeinrichtung mit der analogen Steuerschaltung verbindet, wenn der Zähler auf Null steht..
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine manuelle Steuerung, die eine Drehzahlsteuerung (43) und einen Feinregler (44) umfasst.
  3. 3- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Drehzahlsteuerung (43) eine Poten- -tiometersteuerung ist und dass eine Einrichtung (17) vorgesehen ist, die dann, wenn das Potentiometer (45) aus seiner Null-Lage verstellt ist, 3e nach dem Stand des Zählers (22) die Servoeinrichtung (13) mit dem Ausgang der Drehzahlsteuerung verbindet und die Kupplung (£1) zur mechanischen Verbindung des Motors (9) mit der Feldblende (42) einrückt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Feinregler (44) über ein Untersetzungsgetriebe mit der Feldblende (42) mechanisch verbunden ist, wenn die Feldblende von dem Motor (9) entkuppelt ist.
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