DE2144052C3 - Koordinaten-MeBmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Einstellvorrichtung für den Schlitten einer Koordinaten-Meßitiaschine mit
hochpräziser numerischer Ablesung gemäß dem Oberbeeriff des Ansoruchs 1.
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 Einrichtung zur
analogen Ablesung versehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einstellvorrichtung der eingangs genannten Art mit numerischer
ίο Ablesung zu schaffen, deren Genauigkeit ebenso groß
ist wie diejenige, die bei Meßvorrichtungen bei analoger Ablesung der Einstellung erreicht wird. '
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst
Der durch die Erfindung .erzielbare technische
Fortschritt ergibt sich aus dem Vergleich bekannter Vorrichtungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Einerseits existieren Systeme wie Gitter mit Moire-Streifen, die fotoelektrisch abgelesen werden und die
nicht besonders präzis sind, jedoch eine numerische Ablesung gestatten, was notwendig ist, wenn man den
abgelesenen Wert drucken will. Andererseits existieren Meßstäbe mit Teilstrichen, die extrem präzis sind und
die auch vom Eichamt als Sekundär-Meßstäbe verwen-
2r> det werden, wo sie mit der Urlehre verglichen werden
können, jedoch konnten diese Meßstäbe vor dieser Erfindung keine numerische Ablesung liefern. Der
erhaltene Fortschritt besteht nach der Erfindung also darin, daß es ;nöglich ist, bei einer Koordinaten-Meßmaschine
extrem präzise Meßstäbe mit Teilstrichen zu verwenden und trotzdem eine numerische Ablesung zu
ermöglichen, was vorher nur mit weniger präzisen Vorrichtungen möglich war. Der technische Fortschritt
besteht also darin, trotz einer numerischen Ablesung
r> eine besonders hohe Genauigkeit bei der Koordinaten-Meßmaschine
zu erhalten.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im folgenden an Hand der
Zeichnungen beschrieben; darin zeigt:
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung mit den mechanischen und optischen
Einrichtungen des Bewegungsorgans, jedoch ohne die elektrischen Einrichtungen,
F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung zur Darstellung der Anordnung der Elemente nach
Fig.!,
F i g. 3 ein Blockschallbild zur genaueren Veranschaulichung
des elektrischen Teils der Vorrichtung.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sollen nur die Steuerelemente eines vertikal verschiebbaren Bewegungsorgans beschrieben werden; selbstverständlich umfaßt die Vorrichtung 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.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sollen nur die Steuerelemente eines vertikal verschiebbaren Bewegungsorgans beschrieben werden; selbstverständlich umfaßt die Vorrichtung 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.
Die vorliegende Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 und einen Schlitten 2, der relativ zu dem Gehäuse 1
senkrecht verschiebbar und diesem durch Führungen 3,
bo 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 Lias Ritzel 8 wird von einem Motor 9 der Einrichtung
zur Betätigung des Schlittens 2 Ober eine in dem Gehäuse 1 drehbar gelagerte Antriebswelle 10 getrieben.
Das von dem Schneckenrand 7 und dem zugehörigen Ritzel 8 bewirkte Untersetiyngsverhältnis
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 von dem Typ, wie er in P. N a s 1 i η, »Technologie et calcul pratique des systemes asservis«,
Dunod Paris, 1968, Seite 21, 22 und 352 bis 362 beschrieben ist) sowie einem Steuerverstärker 16
umfaßt
Wie weiter unten erläutert wird, erzeugt der Komparator 15 ein Fehlersignal, das dem Unterschied
zwischen dem von dem Tacho-Generator 14 abgegeben, der Ist-Geschwindigkeit des Motors 9 entsprechenden
Signal und einem von einer Schaltstufe 17 abgegebenen Sollwertsignal Centspricht
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 Impuls generator 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 ein beliebiges bekanntes Modell handeln, während der umsteuerbare
Zähler 22 von dem Typ sein kann, wie er in der schweizerischen Patentschrift 4 63 130 beschrieben ist,
der eine Unterscheidung des Drehsinns der Welle 20 gestattet.
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 4 63 130 offenbar 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 »Electrotechnology«, November 1964, beschrieben ist.
Der umsteuerbare Zähler 22 weist einen Ausgang 27 auf, der dann wenii der Zähler auf Null steht, ein
Steuersignal einerseits an die elektromagnetische Kupplung 21 und andererseits an die Schaltstufe 17
abgibt.
Die Vorrichtung 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.
Bei dem Fotoelektrischen Mikroskop handelt es sich um den in der genannten schweizerischen Patenschrift
4 63 130 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 ίο Präzisions-Meßschiene 12 reflektiert Die von der
Meßschiene 12 reflektierten Strahlen durchsetzen des Objektiv 35 und den halbdurchlässigen Spiegel 34,
werden der Wirkung eines vibrierenden Spiegels 36 ausgesetzt, um eine oszillierende Ablenkung des Bildes
des betrachteten Teilstrichs der Skala der Meßschiene 12 zu erzeugen, und werden über Spiegel 37 und 38 auf
einen £;·'' gel 39 gei ichtet, der innerhalb einer
rotierenden Feldblende 42 angeordnet ist, wobei sie einen lichtdurchlässigen schraubenförmigen Schlitz 40
der Feldblende durchsetzen, auf deren Fläche sich das Bild der Teilstriche der Präzisions-Meßschiene 12
abbildet, und treffen auf eine Fotozelle 41, die die elektrischen Schaltkreise 31 und 32 des fotoelektrischen
Mikroskops speist.
2", 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
jo Beobachtungseinrichtung dem Abstand zweier aufeinanderfolgender
Teilstriche auf der Skala der Präzisions-Meßschiene 12 entspricht. Die Feldblende 42 ist an der
Welle 20 befestigt, die die Drehscheibe des optischen Impulsgenerators 19 antreibt.
j-, Die beschreibene Vorrichtung umfaßt schließlich zwei manuelle Steuerorgane, nähmlich 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 Ar, Steuersignal 47 zuführt. Der Feinregler 44 umfaßt einen
Regelknopf (in F i g. 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), ίο 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 Vorrichtung die Zuführung des Steuersignale Cn des Steuersignals Ca oder des
Steuersignals Cv als Sollwert-Signal C zu dem Komparator 15.
bo Die oben beschriebene Vorrichtung kann in zwei
verschiedenen Arten betrieben werden: zum einen wird zur automatischen Einstellung des Schlittens auf eine
Position, die der Soll-Maßzahl eines zu messerden Werkstücks entspricht, der Abstand zwischen dieser
h5 Sollpo<iition 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.
Der automatische Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt so:
Die Bedienungsperson stellt den Zähler 22 über den Steuereingang 24 auf den gewünschten Wert, d. h. auf
die Soll-Maßzahl, die der gewünschten Verschiebung des Schlittens 7 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 Stellung 1 legt (Fig. 3). Da sich
die Drehzahlsteuerung 43 in der Null-Lage befindet, liegt der Umschalter 49 in der Stellung 2.
Die Bedienungsperson schließt nun den Netzschalter 5! und setzt damit den Motor 9 in Gang. Der Motor 9
versetzt die Welle 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 Soll-Maßzahl eine Anzahl von Einheiten
abgezogen wird, die gleich dem von dem Schlitten 2 durchlaufenen Weg ist. Gleichzeitig erzeugt, dies eine
Verminderung der Amplitude des numerischen Steuersignals Cn, 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 Soll-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.
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 Motot 9 von der analogen Steuerschaltung 29 ein
Sollwert-Signal C erhält. Dieses Signal bewirkt, daß
dann, wenn das fiber das fotoelektrische Mikroskop 30 beobachtete Bild der Skala auf der Präzisions-Meßschiene
12 bezüglich des schraubenförmigen Schütze: 40 (oder mindestens bezüglich eines Teiles de^
genannten oszillierenden Ablenkung der reflektierter Strar.ien) nicht genau zentriert ist, der Motor 9 der
Schlitten 2 weiter verschiebt, um ihn in seine absolu genaue Position zu bringen. Auf diese Weise werder
Ungenauigkeiten in der Einstellung des Schlittens 2, die sich aus der mechanischen Antriebsverbindung ergeben
in der Phase der analogen Feineinsteilung unterdrückt
in Tatsächlich ist die in der ersten Phase der numerischer
Einstellung erzielte Position der Feldblende 42 absolu genau, Ja die Feldbleche in dieser Phase direkt mit dei
Welie 10 des Motors 9 verbunden ist, der seinerseit;
über das Steuersignal Cn an den Stand des Zählers 22 gebunden ist. Die Wirkungsweise des fotoelektrischer
Mikroskops selbst ist bekannt und soll hier nich! beschrieben werden. Sie ist ähnlich der Wirkungsweise
des in der genannten schweizerischen Patenschrif! 4 63 130 beschriebenen fotoelektrischen Mikroskops.
Soll die Vorrichtung mit manueller Steuerung zur Schlitteneinstellung 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 geöffnei und der Umschalter 48 in seiner Stellung 2 gelegt wird
daß der Abgriff des Potentiometers 45 betätigt wird unc die Verbindung des Ausgangs 27 über einen Unterbrecher
52 löst und daß die elektromagnetische Kupplung 21 das Steuersignal 47 eingelegt sowie der Umschalte!
3d 49 in seine Stellung 1 versetzt wird. Nach Schließen de«
Unterbrechers 52 wird die Motordrehzahl manuell übei die Drehzahlsteuerung 43 gesteuert. Da die Welle 20 mil
der Weiie 10 drehfest verbunden ist, wird die Verschiebung des Schlittens 2 automatisch bei 22
gezählt und bei angezeigt, so daß die Bedienungsperson die Schlitteneinstellung der gewünschten Maßzahl
annähern kann, indem sie die Geschwindigkeit über die Geschwindigkeitssteuerung 43, deren Ausgangssignale
dem Komparator 15 zugeführt wird, verändert.
AO Ist der Schlitten 2 in der Nähe der gewünschten
Soll-Maßzahl gelangt, so wird die Drehzahlsteuerung 43 auf Null gestellt, was über das Steuersignal 47 die
elektromagnetische Kupplung 21 löst und den Umschalter 49 in seine Stellung 2 legt. Nun empfängt die
Servoeinrichtung 13 das Sollwert-Signal C wieder von der analogen Steuerschaltung 29. Die Bediengungsperson
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 und andererseits der optische Impulsgenerator 19 gedreht wird, wobei 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.
In einer anderen Ausführungsform kann der Feinregler-Knopf 44 mit der Welle 20 auch über eine ausrückbare Kupplung verbunden sein.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Einstellvorrichtung für den Schlitten einer Koordinaten-Meßmaschine mit hochpräziser numerischer
Ablesung, mit einem Gehäuse und einem bewegbaren Schlitten, der relativ zu dem Gehäuse in
mindestens einer Richtung verschiebbar ist, und einem mit einer Servoeinrichtung versehenen Motor
zum Antrieb der Verschiebungen des bewegbaren Schlittens, dadurch gekennzeichnet, daß
die Servoeinrichtung (13) über eine Schaltstufe (17) alternativ durch eine numerische Steuerschaltung
(18) mit einem umsteuerbaren Zähler (22) bzw. durch eine analoge Steuerschaltung (29) steuerbar ist; daß
die analoge Steuerschaltung (29) eine an dem bewegbaren Schlitten (2) angebrachte Präzisions-Meßschiene
(12) sowie ein fotoelektrisches Mikroskop (30) mit einer optischen Beobachtungseinrichtung
umfaßt, die eine rotierende Feldblende (42) mit einem schraubenförmigen Schlitz (40) aufweist,
dessen Windungssteigung dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Teilstriche auf der Skala der
Meßschiene (12) entspricht; daß weiterhin mit der rotierenden Feldblende (42) ein Impulsgenerator
(19) verbunden ist, der dem umsteuerbaren Zähler (22) Steuersignale zuführt, zur algebraischen Differenzbildung
der im Zähler (22) gespeicherten Soll-Maßzahl und einer der Winkeldrehung der Feldblende (42) und damit dem linearen Verschiebungsweg
des Schlittens (2) entsprechenden Impulszahl; und daß außerdem eine von dem Zähler (22)
gesteuerte elektromagnetische Kupplung (21) ein Ankuppeln des Motors (9) und damit des Schlittens
(2) an die Feldblende (42) gestattet, wobei der Motor (9) mit der Feldblende (42) starr gekuppelt ist, wenn
der Zähler (22) einen von Null verschiedenen Wert besitzt und von der Feldblende (42) entkuppelt ist,
wenn der Zähler (22) auf Null steht, und wobei gleichzeitig die Schaltstufe (17) die Servoeinrichtung
(13) mit der numerischen Steuerschaltung (18) verbindet, wenn der Zähler (22) einen von Null
verschiedenen Wert besitzt bzw. die Servoeinrichtung (13) mit der analogen Steuerschaltung (29)
verbindet, wenn der Zähler (22) auf Null steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine manuelle Steuerung, die eine Drehzahlsteuerung
(43) und einen Feinregler (44) umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlsteuerung (43) eine
Potentiometersteuerung ist, wobei bei Verstellung des Potentiometers (45) aus seiner Null-Lage die
Schaltstufe (17) die Servoeinrichtung (13) mit dem Ausgang der Drehzahlsteuerung (43) verbindet und
die Kupplung (21) zur mechanischen Verbindung des Motors (9) mit der Feldblende (42) einrückt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinregler (44) über ein
Untersetzungsgetriebe (50) mit der Feldblende (42) mechanisch verbunden ist, wenn die Feldblende (42)
von dem Motor (9) entkuppelt ist.
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