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Verfahren zur Steuerung der Trennlinie eines elektronischen Filters
bzw, Filtersystems und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kennlinie eines elektronischen Filters,
wobei bei ständig veränderlichen Meßfrequenzen die Grenzfrequenz des Filtersystems
derart verschoben wird, daß ungewollte Störanteile herausgefiltert werden und eine
Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.
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Es ist bekannt, daß in der Oberflächen-, Verzabnungs-Stoß- und Schwingungsmeßtechnik
Filter angewendet werden, deren Kennfunktionen je nach dem Anwendungsgebiet mehr
oder weniger stark ausgeprägte Filterflanken zwischen Durcblaß-und Sperrbereich
besitzen. Dabei werden konstante Kenngrößen (zO B. Grenz- oder Eigenfrequenz) und
Kennfunktionen vorgegeben, die von der Auswahl der Schaltungsvariante und von der
Dimnsionierung der Bauelemente abhängen, Es ist bekannt, daß sowohl mit passiven
Bauelementen als auch mit aktiven Bauelementen oder Kombinationen von ihnen Filtersysteme
aufgebaut werden0 Es ist auch bekannt, daß abstimmbare RG-Filterschaltungen als
Resonanzverstärker verwendet werden, die u.aO auch mit nur einem Element abstimmbar
sind, Bezüglich dieser Ausführung ist bekannt, daß z0 Bo eine Widerstandsänderung
mit MOS-Feldeffekttransistoren im Rückkopplungszweig eines invertierenden Verstärkers
als Filter angewendet wird0
Alle diese Verfahren haben den Nachteil,
daß sie in ihren Kenngrößen gegenüber Schwankungen der Meßfrequenzen nicht veränderlich
sind, Filtersysteme mit veränderlicher Grenzfrequenz sind lediglich für Schwingungsanalysatoren
bekannt, die extern mit einem stetig oder unstetig veränderlichen Spannungssignal,
wie Zo Be einem Sägezahnsignal, beausschlag werden können, Zweck der Erfindung ist
es, durch exakte Erfassung bestimmter Frequenzbereiche des gesamten Oberfläcenfrequenzspektrums
technischer Oberflächen auch bei schwankender Meßfrequenz die Qualität der funktionsabhängigen
Oberfläche vo: Werkstücken frei von subaektiven Einflüssen zu sichern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
der Kennlinie eines elektronischen Filters, insbesondere für die Gestaltmeßtecbnik,
auf der Basis eines Regelkreises zu entwickeln, wobei nicht interessierende Anteile
des von der Oberfläche gewonnenen Frequenzspektrums, die als Störgrößen angesehen
werden, entsprechend den vorgeschriebenen meßtechnischen Forderungen abgetrennt
werden sollen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen,
mit der es auch möglich ist, die als Bezugsbasis verwendete Störgröße bezüglich
Amplitude und Frequenz sowohl während als auch nach der Bearbeitung eines Werkstückes
auf einer Werkzeugmaschine zu messen, zu verarbeiten und als digitalen Wert oder
Funktion kleben dem Nutzsignal auszugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels eines
bekannten Meßgrößenaufnehmers der Meßgrößenverlauf xe (t) erfaßt, in ein elektrisches
Spannungssignal ue1(t) gewandelt und dieses periodisch-nichtharmonische bzwo stochastische
mit periodischen Anteilen überlagerte Spannungssignal hinsichtlich seiner frequentiellen
Zusammensetzung mit bekannten Mitteln analysiert und eine Störgrößenfrequenz ermittelt
wird, die als Bezugsfrequenz dient, Dabei kann diese Bezugsfrequenz sowohl direkt,
d. ho intern aus dem Meßgrößenverlauf xe(t), , vorausgesetzt, daß die Zeitfunktion
periodischen und stationären Charakter aufweist als auch extern aus einer der Störgrößenfrequenz
äquivalenten Frequenz bestimmt werden0 Intern wird die Bezugsfrequenz jeweils während
einer Periodendauer derart gemessen, daß die Nulldurchgänge eines vorgefilterten
Spannungssignales ue2(t), , das keine quasistatischen Signalanteile enthält, mit
bekannten Mitteln bestimmt werden, wobei ein Vorfilter eine untere Grenzfrequenz
aufweist, die kleiner ist als die kleinste Störgrößenfrequenz und als Bezugsmaß
für die kleinste auftretende als Bezugsgröße dienende Störgrößenfrequenz der Abstand
zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichartigen Nulldurchgängen verwendet wird,
Danach wird diese ermittelte Bezugsfrequenz in eine Steuerspannung us(t), die sowohl
zur analogen Steuerung eines oder mehrerer frequenzbestimmenden aktiven Bauelemente
als auch zur Schaltung
Bauelemente, z0 B. elektronischer Relais, für das Zu- oder Abschalten passiver Bauelemente,
z.B.
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Kapazitäten eines Filtersystems, dient, umgewandelt.
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Bei der analogen Steuerung aktiver Bauelemente wird eine stetige
Steuerung, bei der Verwendung diskreter Bauelemente, für Schaltzwecke hingegen eine
unstetige Steuerung vorgenommen.
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Zum anderen wird intern die Bezugsfrequenz dadurch ermittelt, daß
durch eine Frequenzanalyse mit bekannten Mitteln diskrete Frequenzen des Oberflächenfrquenzspektrums
bestimmt werden und nach einer logischen Entscheidung die Bezugsfrequenz festgelegt
wird, die ebenfalls in die Steuerspannung u (t) umgewandelt wird, die zur analogen
Steuerung oder Schaltung von Filterbauelementen Anwendung findet0 Extern wird die
der Störgrößenfrequenz äquivalente Frequenz in bekannter Weise photoelektrisch oder
induktiv oder kapazitiv gemessen, indem mehrere der Oberfläche des Werkstückes zugeordnete
Strichmarken abgetastet werden und nach einer Digital-Analog-Wandlung die der Bezugsfrequenz
proportionale Steuerspannung us(t) zur Steuerung des Filtersystems dient.
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Zum Einmessen des Filtersystems wird ein stabiles Bezugsspannungssignal
u e3 (t) mit konstanter Bezugsfrequenz außerhalb des Systems bereitgestellt. Die
Bezugsfrequenz mit stabiler Spannungsamplitude wird in bekannter Weise verdoppelt,
danach ein Eingangssignal uei'(t) auf den Eingang des Filtersystems gegeben und
mit einem Nutzausgangssignal uai'(t) vergleichen0 Die der Bezugsfrequenz äquivalente
Steuerspannung us(t) wird solange verändert, bis das am Ausgang des Filtersystems
anliegende Nutzausgangssignal ua1(t) gleich dem Eingangssignal uei'(t) ist0
Die
Vorrichtung zur Durchfffhrung des Verfahrens stellt ein aktives Filtersystem großer
Flankensteilheit zwischen Durchlaß- und Sperrbereich dar, das im wesentlichen aus
einem Meßgrößenaufnehmer zur Erfassung des zeitlichen Meßgrößenver laufes xe (t)
und zur Wandlung in ein elektrisches Spannungssignal uei(t), einem Verstärker zur
Verstärkung des elektrischen Spannungssignales uel(t), einem Vorfilter zur Abtrennung
der quasistatischen Signalanteile und zur Bildung.
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eines vorgefilterten Spannungssignales ue2(t), einem Komparator zur
Bestimmung von gleichartigen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen und zur Ansteuerung
einer Torschaltung, einem Impulsgenerator zur Bildung von hochfrequenten Impulsen
sowie einem Digital~Analog-Wandler, der eine der Periodendauer des vorgefilterten
Spannungssignales ue2(t) proportionale, analoge, mit einem Potentiometer einstellbare
Steuerspannung u (t) für eine kontinuierliche Beeinflussung aktiver, spannungswiderstands-
oder 5 pannungs-kapazitätsabhängiger elektrischer Bauelemente eines Filtersystems
oder zur Ansteuerung von Schaltelementen wie elektronische Relais und somit zum
Zu-oder Abschalten von Widerständen oder Kapazitäten des Filtersystems abgibt sowie
einem Schmalbandfilter zur Ermittlung und Ausgabe der Amplitude eines Störgrößenausgangssignales
ua21(t), besteht0 Des weiteren besteht die Vorrichtung aus einem an sich bekannten
Frequenzanalysator, der aus einer Vielzahl parallelgeschalteter schmalbandiger Filter
für die Ermittlung des
Frequenzspektrums des vorgefilterten Spannungssignales
ue2(t), zusammengesetzt ist, einer Logikschaltung zur Bestimmung der Bezugsfequenz
mit normierter Amplitude, und für die externe Bestimmung einer der Störgrößenfrequenz
Equivalenten Frequenz aus einem Initiator, einer rotierenden Strichmarkenscheibe
bzw. Strichmarkenband, einer Impulsauswerteschaltung mit Verstärker und einem Amplitudenbegrenzer.
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Zusätzlich sind zum Einmessen der gesteuerten Filtersysteme ein Bezugsfrequenzgenerator
für die Abgabe eines konstanten Bezugsspannungssignales ue3(t) mit konstanter Bezugsfrequenz,
ein Frequenzverdoppler, ein Operationsverstärker, ein Spannungskomparator für die
Durchführung einer Differenzmessung zwischen dem Eingangssignal ue1'(t) und dem
Nutzausgangssignal ua1'(t) des Filtersystems, eine Anzeigevorrichtung für die Anzeige
bei Gleichheit des Eingangs bzw. Nutzausgangssignals nei (t) bzw. ua1'(t) und ein
elektrisches St-ellçlie(l zur vorzugsweisen automatischen Verstellung des Potentiometers
bis zur Signalgleichheit angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine exakte Trennung von Störsignalen
aus dem Meßignal und eine Verschiebung der Filterkenlinie in Abhängigkeit einer
durch Frequenzanalyse oder einer modifizierten Porm gefundenen Bezugsfrequenz. Die
besondere Bedeutung besteht darin, daß bei sehr dichten Amplituden-Frequenzspektren
und den damit notwendigen, extrem steilen Filterflanken zwischen Stör- und Nutzsignal,
eine
Verchderung der Meßsignalfrequenzen zu groben Meßfehlern, besonders
bei Meßeinrichtungen mit hohem Automatisierungsgrad, führt. Die erfindungsgemäße
Lösung wird nicht durch bestimmte Frequenzbereiche eingeschänkt. Sie ist besonders
für die in der Gestalmeßtechnik anfallenden meßtechnischen Probleme anwendbar. Sie
kann vorzugsweise dafür eingesetzt werden, bei der Kreisformmessung den durch die
Exzentrizität bei Spannung des Prüflings zwischen Spitzen entstandenen Fehler zll
beseitigen. Dieser Fehler hat einen harmonischen Verlauf rit einer Frequenz, die
der Drehzahl des Prüflings entspricht und die zur nächsthöheren, möglichen Frequenz
des Oberflächenspektrums das Frequenzverhältnis 1:2 hat. Die bei der Bearbeitung
auftretenden Drohzahlschwankungen des Werkstückes bzw.
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die ständige Änderung der Bearbeitungsparameter erfordern für eine
exakte Kreisformmessung eine stetige Steuerung der Kennwerte der einzusetzenden
Filtersysteme, die mit der erfindungsgemäßen Lösung realisiert wird. Für die Messung
der Gestaltsabweichungen 3. - 5. Ordnung wird durch das vorgeschlagene Verfahren
mittels einer Frequenzanalyse mit nachgeschalteter Logik eine Bezugsfrequenz gefunden,
auf die das Filter mit seiner Grenzfrequenz bezogen wird. Damit entfallen alle subjektiven
Einflüsse bei der Einstellung der Filter, die Bezugsfrequenz wird aus dem tatsächlichen
Istprofil der Oberfläche bestimmt und es erfolgt damit eine sichere Trennung zwischen
Welligkeit und Rauheit.
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Die Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild
des automatisch geregelten Filtersystems mit interner Frequenzbestimmung durch Periodendauermessung,
Fig. 2 das Blockschaltbild des automatisch geregelten Filtersystems mit externer
Frequenzbestimmung, das 3 das Blockschaltbild des automatisch geregelte Filtersystems
mit interner Frequenzbestimmung durch Frequenzanalyse.
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Es wurde die Ereisformabweichung eines Werkstückes während der Bearbeitung
bestimmt, wobei die Drehzahl des Werkstückes schwankt. Mit einem Meßgrößenaufnehmer
1 wird der Meßgrößenverlauf x e (t) entsprechend der Ortsfunktion der Oberfläche
während ihrer Bewegung abgetastet und in ein elektrisches Spannungssignal ue1(t)
gewandelt, das in einem Verstärker 2 in ein Eingangssignal ue1'(t) verstärkt und
einem Filtersystem 9 in Form eines Hochpaßfilters zugeführt wird, das eine Grenzfrequenz
#g=2 #0=### besitzt und die Amplituden der Frequenzanteile < #0 vollständig dampft.
Aus einem Eingangssignal ue1(t) werden i einem Vorfilter 3 die quasistatischen Signalanteile
abgetrennt und das vorgelfiltere Spannungssignal ue2(t) gebildet, aus dem mit einem
Komparator 4 aufeinanderfolgende
gleichartige Nulldurchgänge bestimmt
werden. Der Komparator 4 steuert eine Torschaltung 5, die währenden der Toröffnungszeit
die in einem Impulsgenerator 6 gebildeten hochfrequenten Impulse fi zu einem Digital-Analog-Wandler
7 durchläßt, der eine analoge, der Periodendauer des vorgefilterten Spannungssignals
ue2(t) proportionale Steuerspannung us(t) angibt, die mit einem Potentiometer 8
einstellbar ist und die det ilterssystem 9 als geänderte Steuerspannung u5 (t) zugeführt
wird, indem die Widerstände elektrischer, aktiver Bauelemente (z. B. MOS-Feldeffekttransistoren)
analog geändert werden, die sich im Rückkopplungszweig des Aktiven Filtersystems
9 befinden und g)renzfre quenzb est inmend sind. Mit eineil Schmalbandfilter 10,
das gleichfalls mit der über das Potentiometer 8 geänderten Steuerspannung us'(t)
gesteuert wird, wird das vom Vorfilter 3 abgegebene vorgefilterte Spannungssignal
u02(t) derart verarbeitet, da nur der spektrale Frequenzanteil durchgelassen und
als Störgrößenausgangssignal ua2'(t) ausgegeben wird, der als Bezugsgröße zur Einstellung
des Filtersystems dient und in diesem Fall die reine Exzentrizität der Lagerung
des Werkstückes darstellt.
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Das automatisch gesteuerte Filtersystem wird eingemessen, indem mit
einem Bezugsfrequenzgenerator 11 ein konstantes Bezugsspannungssignal ue3(t) definierter
Frequenz gebildet wird, das einerseits in einem Frequenzverdoppler 12 verdoppelt
und über den Verstärker 2 dem Filtersystem 9 und einem
Operationsverstärker
13 zugeführt wird, der das Eingangssignal ue@'(t) mit dem Nutzausgangssignal u@@'(t)
durch Di@@@@@@@ u51 mit dem lTutzausgaiigssignal uai (t) durch Differenzmessung
bestimmt und bei Spannungsungleichheit - ue1'(t) > uai (t) - über ein elektrisches
Stellglied 14 das Potentiometer 8 solange dreht, bis Spannungsgleichheit - ue1'(t)
= ua1'(t) -herrscht, die mit einem Spannungskomparator 15 in Verbindung mit einer
Anzeigevorrichtung 16 angezeigt wird. Zum Einnessen wird ein Schalter 18 betätigt,
der auf ein Relais 17 einwir0:t und Relaiskontakte 21; 22; 19; 20 schaltet.
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Andererseits wird die 1)ezugsfrequenz zur Steuerung des Filtersystems
9 und des Schmalbandfilters 10 entsprechend Fig. 2 ermittelt, indem extern mit einem
vorzugsweise photoelektrischen Initiator 23 mehrere Strichmarken 25 einer Strichmarkenscheibe
24, deren Drehzahl der Werkstückdrehzahl entspricht, abgetastet, mit einer Impulsauswerteschaltung
mit Verstarker 2G und einem Amplitudenbegrenzer 27 verarbeitet und im Digital-Analog-Wandler
7 in die der Bezugsfrequenz entsprechende Steuerspannung us(t) umgeformt werden0
Das in Pig, 3 dargestellte Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise für die Erfassung
von Gestaltsabweichungen 30 - 5.
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Ordnung angewendet, wobei der Meßgrößenverlauf xe(t) einen stochastischen
mit periodischen Anteilen überlagerten Charakter aufweist, aus dem mit einem Frequenzanalysator
28, der aus einer Vielzahl, z. B. zwanzig parallelgeschalteter schmalbandiger Filter
extremer Flankensteilheit besteht, die
diskreten Frequenzen, welche
den periodischen Anteilen entsprechend ermittelt werden. Mit einer an sich bekannten
Logikschaltung 29 wird eine Bezugsfrequenz, vorzugsweise die kleinste auftretende
Meßfrequenz ermittelt, als vorgefiltertes Spannungssignal ue2(t) mit dem Komparator
4, der Torschaltung 5, dem Impiulsgenerator 6 und dem Analog-Digital-Wandler 7 in
die Steuerspannung us(t) gewandelt, mit dem Potentiometer 8 in die geänderte Steuerspannung
us(t) umgeformt und dem Filtersystem 9, bestehend aus einem Hochpaßfilter und dem
Schmalbandfilter 10, zugeführt. Mittels des Filtersystems 9 werden die der Gestaltabweichung
3. -5. Ordnung entsprechenden Spektralanteile des vorgefilterten Spannungssignales
ue2(t), mit dem Schmalbandfilter 10, der der welligkeit der Oberfläche entsprechende
Spektralanteil ausgegeben.