DE2232207C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere zur Feinmessung an Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Meßeinrichtungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei welchen ein Meßfühler entlang der Koordinatenachsen bewegbar ist und das Ausmaß der Bewegung gemessen wird, um die Abstände zwischen zwei Punkten in einer durch zwei Achsen gebildeten Ebene oder in einem durch die drei Achsen gebildeten dreidimensionalen Raum zu messen. «0

Bekannt sind Meßeinrichtungen, bei welchen ein Meßfühler an Punkte des zu messenden Gegenstandes herangeführt wird. Das Ausmaß der Bewegung wird gemessen und durch eine Präzisionsanordnung angezeigt, so durch ein elektro-optisches System, um den Abstand zwischen den Punkten des jeweiligen Gegenstandes zu messen.

Bei Einrichtungen dieser Konstruktion wird der Meßfühler mit Hilfe gelagerter Laufwerke entlang der verschiedenen Achsen bewegt. Das elektro-optische so Gerät oder andere Meßeinrichtungen messen die Bewegungsstrecke des Laufwerkes, um die Position des Fühlers bestimmen zu können.

Diesen Einrichtungen ist jedoch eine Ungenauigkeit eigen, da sie normalerweise voraussetzen, daß die Position der Fühlerspitze und die Position des Laufwerkes während des Messens genau korrespondieren bzw. übereinstimmen. In der Wirklichkeit existiert dieses Verhältnis nicht, da in den Lagern Reibkräfte, wenn auch geringe, immer bestehen. Diese Reibkräfte können eine Auslenkung des Aufbaues aus Laufwerk und Fühlerspitze hervorrufen und somit eine Relativbewegung zwischen diesen Teilen auslösen. In diesem Fall ist während des Messens eine exakte Zuordnung zwischen Bewegungslaufwerk und Bewegung des ti 5 Meßfühlers nicht mehr möglich

Die Messungen können infolgedessen mit Fehlern behaftet werden, deren Größe von den Reibkräften und von der Steifheit der betreffenden Teile abhängen.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin die durch fehlende Anpassung zwischen Fühlerspitze und tragenden Aufbau erzeugten Meßfehler auf ein Minimum zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird auf die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beanspruchte Weise gelösL

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 ist eine Seitenansicht eines Laufwerkes und eines Meßfühleraufbaues mit einer als Blockdiagramm wiedergegebenen Darstellung des zugehörigen Wandlers und der Signalverarbeitungs- und Anzeigeschaltung; und

Fig.2 ist eine als Blockschaltbild wiedergegebene Ansicht einer bevorzugten Mitlelwerts-Anordnung zur Verwendung in einem Meßgerät gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Meßfühler 10 dargestellt Dieser ist mit Hilfe eines Laufwerkes t2 in Querrichtung entlang der »Wf-Achse verlagerbar. Das Laufwerk 12 ist zu diesem Zweck auf einem entlang der K-Achse sich erstreckenden Träger 14 abgestützt und ist mittels drehbar gelagerter Rollen 18 entlang einer Schiene 16 bewegbar.

Eine Wandlereinrichtung erzeugt Ausgangssignale, welche das Ausmaß und die Richtung der Bewegung des Laufwerkes 12 relativ zum Träger 14 der K-Achse anzeigen. Die beschriebene Anordnung besitzt vorzugsweise die Form eines elektro-optischen Systems der eingangs beschriebenen Art und arbeitet mit einem Meßkopf 20 und mit einem am Träger 14 der K-Achse befestigten Präzisionsraster 22. Durch diese Anordnung werden Digitalimpulse erzeugt, welche Bewegungsänderungen angeben. Eine Bewegung in »Vorwärts«-Richtung löst Impulse über die Leitung 24 aus, während eine Bewegung in »Rückwärts«-Richtung Impulse über die Leitung 26 auslöst

Da diese Systeme als bekannt anzusehen sind erübrigt sich eine ins einzelne gehende Beschreibung.

Die Impulse werden normalerweise gezählt, um zu jedem Zeitpunkt die Gesamtbewegung bezüglich eines bestimmten Bezugspunktes und die Anzeige der tatsächlichen Position des Laufwerkes 12 bezüglich des Trägers 14 wiederzugeben. Diese Zahl wird durch eine Zähl- und Mittelwertsschaltung 28 auf einen Durchschnitt bzw. Mittelwert gebracht, wobei die Durchschnittszahl in regelmäßigen Zeitabständen in der Anzeigeeinheit 30 dargestellt wird.

Um die erzwungenen Schwingungen des Laufwerkes 12 zu induzieren ist ein hin- und herbewegbarer Schwingungsgeber bzw. Vibrator 32 am Laufwerk 12 angebracht. Bei Betrieb löst er Schwingungsbewegungen aus, welche eine Hauptkomponente in Richtung der K-Achse aufweisen. Es kann jeder geeignete Schwingungsgeber bzw. Vibrator benutzt werden. Die durch den Vibrator erzeugte Amplitude und die Schwingungskräfte müssen angemessen sein, um die Bewegung des Laufwerkes und der Fühlermassen durch den Nullpunkt der Auslenkung der betroffenen Teile zu gewährleisten.

Durch die Addition der induzierten Schwingungen wird ein coulombgedämpftes, erzwungenes Federmassensystem erzeugt, innerhalb welchem die Coulomb-Dämpfung durch die Reibkräfte ausgelöst wird, während die Feder durch die Elastizität des dadurch ausgelenkten Teiles bzw. Aufbaues gebildet ist.

Solche Systeme besitzen die Neigung, um den Punkt der Nullpunktabweichung der Feder zu schwingen, falls

die Federkonstante und/oder die Kraft- oder Zwangsfunklion ausreichen, die Massen gegen die Coulomb-Oämpfungs-Kräfie durch den Nullpunkt zu bewegen, so daß die Mittelwertsposition diejenige der NuHauslenkung isL Da der Punkt der Nullauslenkung derjenige Punkt ist, bei welchem die Position des Fühlers mit derjenigen des Laufwerkes übereinstimmt, entspricht die Mittelwertsanzeige dem korrekten Wert des Laufwerkes, und zwar frei von Auslenkungseffekten der Lagerreibung. Eine derartige Anordnung is* für d:is Laufwerk jedpr Achse vorgesehen.

In Fig.2 ist eine für das beschriebene System in geeigneter Weise verwendbare Mitlelwertsanordnung dargestellt. Der Meßkopf 20 erzeugt über die Leitungen 24 und 26 Impulse, welche Bewegungsschritten des Maschinen- bzw. Meßfühlers t2 in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entsprechen.

Die Impulse über die Leitungen 24 und 26 gelangen in eine Steuer- bzw. Gatterschaltung 34, welche die Impulse entweder direkt über die Leitungen 30 und 40 der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 oder über die Leitungen 44,46 dem Hilfszähler 42 zustellt. Dies hängt vom Zustand des Hilfszählers 42 ab.

Der Hilfszähler 42 ist ein Auf- und Abzähler verhältnismäßig kleiner Leistung (beispielsweise vier Bits), bei welchem durch Impulse an der Leitung 46 Aufwärtszählen und durch Impulse an der Leitung 44 Abwärtszählen erfolgt.

Ein Vorzeichen-Flip-Flop kann benutzt werden, um die Zahl des Hilfszählers 42 hinsichtlich der Vorwärtsoder Rückwärtsrichtung zu kennzeichnen.

Falls der Hilfszähler 42 in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung seine entsprechende volle Kapazität erreicht hat, steuert ein Überlaufsignal über die Leitung 48 das Gatternetzwerk 34. Falls ein weiterer Impuls über die Leitungen 24 und 26 empfangen wird und sich dieser Impuls der Zahl des Zählers 42 voller Kapazität hinzuaddieren würde, wird dieser Impuls über die Leitung 38 oder 40 direkt der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 zugestellt.

Solange der Hilfszähler 42 seine volle Kapazität noch nicht erreicht hat, werden die Impulse über das Gatternetzwerk 34 an diesen Zähler angelegt, also nicht an der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36.

Die im Hilfszähler 42 enthaltene Zahl wird periodisch durch die Entnahme- und Mittelswertseinheit 50 entnommen, wobei der Durchschnitt der Entnahme in regelmäßigen Zeitintervallen errechnet wird. Eine Vielzahl bekannter Verfahren besteht, um dieser Funktion gerecht zu werden.

Die Zahl der Entnahme- und Mittelwerteinheit 50 wird einem Impulsgeber 52 übertragen. Dieser erzeugt eine Impulszahl, die dem in der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 enthaltenen Wert hinzuaddiert und vom Hilfszähler-Inhalt über die Leitungen 62 und 64 subtrahiert wird. Das Vorzeichen dieser Impulszahl wird dabei so gewählt, daß der Proben- bzw. Entnahmemittelwert nach dem nächsten Zyklus der Mittelwertbildung näher an Null liegt-

Diese Impulszah! kann entweder aus einem einzelnen Impuls oder aus dem ganzzahligen Wert des Entnahniedurchschnilts bestehen. Im ersten Fall ist die erforderliehe Schaltung wesentlich vereinfacht, wobei jedoch eine verhältnismäßig große Zahl von Mittelwertsbestimmungen erforderlich ist, um den Hilfszähler auf Null zu reduzieren. Im letzteren Fall stellt sich das System innerhalb von höchstens zwei Mittelwertsperioden bzw.

ίο -takten ein, jedoch ist die erforderliche Schaltung komplexer aufgebaut.

Falls der Meßfühler 12 bei Betrieb durch den Bedienungsmann bewegt wird, erhält man über die Leitung 24 oder über die Leitung 26 einen Impulszug.

Die Impulse werden entweder über Leitung 44 oder 46 am Hilfszähler 42 angelegt, bis dieser in der einen oder anderen Richtung voll ist An diesem Punkt bewirkt das Überlaufsignal an Leitung 48, daß alle weiteren Impulse in Voll-Richtung durch das Gatternetzwerk 34 direkt an der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 angelegt werden. Die während der Bewegung angezeigte Zahl läuft also maximal nur um die Kapazität des Hilfszählers 42 nach.

Bei Beendigung der Meßfühlerbewegung erzeugt der Vibrator bzw. Schwingungsgeber einen konstant sich verändernden Impulsausgang am Meßkopf 20, während die Entnahme- und Mittelwertseinheit 50 den Durchschnittswert bestimmt. Der Impulsgeber 52 addiert daraufhin diesen Wert am Hauptzähler 36 und

μ subtrahiert ihn vom Hilfszähler 42, bis die Mittelwertszahl im Hilfszähler 42 während eines Mittelwertstaktes bzw. -Intervalls Null ist. Falls die Auslenkung der induzierten Schwingungen einer Impulszahl innerhalb der Kapazität des Hilfszählers 42 entspricht zeigt die Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 den echten Durchschnittswert der Fühlerposition an, welche dem Mittelwert der über die Leitungen 24 und 26 empfangenen Impulszahl entspricht. Der Hilfszähler 42 empfängt kontinuierlich jeden Impuls aus den Leitungen 24 und 26, wobei die Entnahme- und Mittelwertseinheit 50 und der Impulsgeber 52 bereit sind, die Hauptzählerund Anzeigeeinheit 36 auf den neuesten Stand zu bringen, falls sich die vom Hilfszähler empfangene Mittelwertszahl während der Bewegung des Meßfühlers gegenüber Null verschiebt.

Die beschriebene Anordnung verhindert Einflüsse streuender bzw. unregelmäßiger Schwingungen, welche den induzierten Schwingungen überlagert sind, obwohl die Störschwingungen normalerweise kleiner sind als

so die induzierten Schwingungen. So erhält man eine Anzeige, welche verhältnismäßig konstant bleibt und eine leichte und genaue Ablesung durch die Bedienungsperson ermöglicht. Die Ablesung gibt die tatsächliche Position des Meßfühlers entlang der in Frage kommenden Achse wieder.

Das beschriebene System kann jeder Koordinatenachse zugeordnet und an dieser ausgeübt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung zur Abstandsmessung zwischen zwei Punkten, bei der ein auf einem Auflager abgestützter Fühler zwischen den Punkten bewegt wird und die einen Wandler aufweist, welcher Impulse entsprechend der Bewegungsschritte in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entlang der Bahn erzeugt sowie eine Vor-Rückwärts-Zählwertschaitung für die die Position des Laufwerks entlang der Bahn anzeigenden Signale, dadurch gekennzeichnet, daß am Auflager entlang der Bewegungsrichtung eine Schwingungsbewegung von so großer Amplitude induziert wird, daß die Mittelwerteposition des Auflagers derjenigen entspricht, bei welcher keine die Zuordnung zwischen Fühler und Auflager verfälschende Auslenkung existiert, und daß die Messung der Mittelwertsposition während der Verschiebung des Meßfühlers innerhalb von Zeitintervallen am Auflager erfolgt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Fühler durch ein Laufwerk entlang einer Bahn bewegbar ist, gekennzeichnet durch einen hin- und herbewegbaren Vibrator (32), welcher eine Vibrationsbewegung am Laufwerk (12) in Richtung der Bahn hervorruft, und ein Meßgerät (20, 28, 30), welches ein die Mittelwertsstellung des Laufwerkes während eines Zeitintervalls anzeigendes Ausgangssignal erzeugt.

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