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Verfahren und Vbrrichtung zum automatischen
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Messen der Abmssungen oder der Konturen eines Werkstückes Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Messen der Abmessungen
oder der Konturen eines Werkstückes in mehreren Dimensionen. Es handelt sich sowohl
um ein Verfahren zur Aufnahme von Einzelmeßwerten als auch zur Ermittlung von Meßwerten,
die in ihrer Gesamtheit die äußere Kontur des Werkstückes darstellen oder die Form
von Öffnungen im Werkstück kennzeichnen. Das Meßverfahren ermöglicht die Aufnahme
der Meßwerte ohne eine programmgesteuerte Relativbewegung von Test organ und Werkstück
und ist an keine Voraussetzungen hinsichtlich der Abmessungen oder der Form des
Werkstückes gebunden.
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Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Vermessen von Werkstücken
bkannt, bei denen das Werkstück auf einer Werkstückauflage befestigt ist und bei
denen über diesem Werkstick ein Meßmikroskop zum Einrichten des Werkstückes auf
festgelegte Meßpositionen angeordnet ist. Die Werkstickauflage oder das Meßmikriskop
ist dabei in mindestens zwei Dimensionen frei beweglich aufgebaut und die Verf ahrwege
von einer Position zur anderen oder die absoluten Stellungen der beweglichen Baugruppen
werden gemessen.
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Es ist auch bekannt, die Endmaß von Werkstücken automatisch zu messen,
indem an das Werkstück aus beiden Richtungen der zu messenden Längenausdehnung Tastfinger
herangeführt werden. Der absolute Meßwert ergibt sich dann aus der Differenz
der
Meßwerte, die die Stellung der Tastfinger auf der zugehörigen Längenmeßeinrichtung
kennzeichen. Die Messung ist für mehrere Dimensionen zugleich möglich, Ebenso sind
Meßeinrichtungen bekannt, die sich besonders vorteilhaft zum Prüfen und Ausmessen
von Bohrungen oder Zylindern einsetzen lassen. Bei Einrichtungen dieser Art ist
der Meßkopf drehbar angeordnet und es ist ein Bewegungsmechanismus vorhanden, der
den Meßkopf in eine günstige Stellung über der Bohrung bringt, so daß dessen Tastfinger
in die Bohrung hineinragt. Durch eine Drehbewegung des Tastkopfes lä3t iz bei ständiger
Berührung des Tastfingers mit der Bohrungswand die Meßhaltigkeit der Bohrung überprüfen.
Der Tastfinger ist dabei um den Radius der Bohrung aus seiner Grundstellung ausgefahren
oder ausgelenkt. Die Abweichungen von den Sollmaßen der Bohrung oder des Zylinders
werden vom Meßkopf als Meßwerte erfaßt und stehen dann als mechanische, elektrische
oder pneumatische Werte zur Verfügung. Meßeinrichtungen dieser Art lassen sich auch
zur Überprüfung von ebenen Flächen verwenden, wenn der Tastfinger lurch en Bewegungsmechanismus
auf der auszumessenden Flache geführt wird.
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Der Meßkopf ist bei diesen Messungen immer nur in der Lage, den Absolutwert
der Abweichung von den Sollmaßen zu erfassen.
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Bekannt ist auch das Prüfen von Werkstücken in drei Dimensionen nach
einem vorgegebenen Prüfprogramm. Zweckmäßigerweise wird dabei jeweils eine Bewegungskoordinate
gesperrt, so daß sich das Erzen zunächst auf die Kontrolle der
Konturen
in einer Ebene beschränkt. Oftmals sieht des Prüfprogramm auch nur die Überprüfung
ausgewählter Punkte des Körpers vor.
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Zur Auswertung der Ergebnisse werden die Verfahrwege auf dem Bewegungsmechanismus
oder die absolute Stellung des Meßkopfes im Koordinatenfeld der Meßeinrichtung zum
Zeitpunkt der Messung und zudem noch die Größe der Aus lenkung des Tastfingers aus
seiner Grunstellung herangezogen. Das Programm für die Bewegung von Meßkopf oder
Werkstückauflage kann auf einem Tochband oder einem anderen Datenträger gespeichert
sein und die Bewegung wird entsprechend diesem vorgegebenen Programm von einer Steuereinrichtung
realisiert.
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Weiterhin sind Meßeinrichtungen zum Ermitteln der Konturen eines
Werkstückesbekannt, bei denen der Bewegungsablauf zur Aufnahme eines
automatisiert ist er Meßkopf und die Werkstückauflage führen dabei aus einer Ruhestellung
eine Relativbewegung gegeneinander aus. Die Bewegung erfolgt zunächst mit hoher
Fahrgeschwindigkeit, bis ein dem Programmspeicher entnommener Positionswert unmittelbar
vor der Berührung des Tastfingers mit dem Werkstück erreicht wird.
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Danach wird die Fahrgeschwindigkeit bis zu einer Schleichbewegung
verringert und im Moment der Berührung von Tastfinger und Werkstück wird der MeEwert
ermitt*itb indem die Position des Meßkopfes im Koordinatenfeld der Meßeinrichtung
abgerufen wird.
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Vorteilhafter.7eise ist bei solchen Meßeinrichtungen der Meßkopf so
aulgebaut, daß entweder mehrere Tastfinger in verschiedenen Koordinatenrichtungen
angebracht sind oder daß der Tastfinger
in Richtung zum Werkstück
vorausgelenkt wird. mach der Berührung von Tastfinger und Werkstück wird der Meßkopf
mit verminderter Geschwindigkeit weiterbewegt. Beim Durchgang des Testfingers durch
seine Nullstellung werden der Meßwert ermittelt, die Bewegung gestoppt und die Rückvxärtsbewegung
von Ießkopf bzw.
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Werkstückauflage eingeleitet. Um weitere Meßwerte zu erhalten, wird
eine durch ein Meßprogra.nm vorgegebene weitere Stelle des Werkstücks in genau gleicher
Weise angefahren.
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Bekannt ist ebenso ein Verfahren zum automatischen Messen räumlicher
Konturen. Die Sollkoordinatenwerte für die Kontur des Werkstückes werden der Meßvorrichtung
nur sehr grob als Programm eingegeben. Das Meßverfahren sieht dann eine oszillierende
Bewegung des Meßkopfes um diesen als Werkstückskontur grob vorgegebenen Weg vor.
Der Tastfinger muß dabei in mindestens zwei Dimensionen frei am Meßkopf beweglich
sein.
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Die eine Halbwelle der Oszillierschwingung führt zu einer Auslenkung
des Tastfingers aus seiner Nullstellung, weil der Meßkopf über den Berührungspunkt
hinaus noch weiter bewegt wird. In der anderen Halbwelle entfernt sich der Tastfinger
vom 'Werkstück. Als Meßwerte werden die Positionen des Meßkopfes in dem Moment registriert,
wenn der Tastfinger seine Nullstellung erreicht oder verläßt.
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Es sind zudem noch inkrementale und mit fotoelektrischen Mitteln
arbeitende Meßsysteme für zwei Dimensionen bekannt, die zum Messen in beiden Dimensionen
gemeinsame optische Mittel verwenden und eine Maßverkörperung mit sich kreuzenden
Linien
besitzen. Ein solches Meßsystem kann die Bewegung eines Körpers in besonders günstiger
Weise in jede beliebige Richtung einer Ebene messen.
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Die dargestellten Verfahren und-Vorrichtungen zum Messen an Werkstücken
haben den Wachbeil, daß ein selbständiges Erfassen der Konturen eines Werkstückes
ohne vorherige Eingabe der Sollkoordinatenwerte in die Steuereinrichtung der Vorrichtung
nicht möglich ist. Die Sollkoordinatenwerte des Prüflings müssen also vor der Messung
zumindest in groben Zügen bekannt seins Der Aufwand für das Programmieren - also
die Vorbereitung für das eigentliche Messen - kann recht erheblich sein, Die Konturen
eines in seinen Abmessungen völlig unbekannten Prüflings lassen sich mit bekannten
Mitteln nur punkt weise und damlt sehr langsam erfassen.
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Viele der bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind auf das Überprüfen
eines ganz bestimmten Arbeitsganges spezialisiert und sind deshalb für eine universelle
Verwendung wenig geeignet.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird die Beseitigung der genannten
Mängel bezweckt. Die Konturen von einem in seinen Abmessungen völlig unbekannten
werkstück sollen in mindestens zwei Dimensionen vermessen werden. Ebenso soll erreicht
werden, daß Hohlkörper oder Öffnungen im Werkstück in gleicher geleise ausgemessen
werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. bei einem Verfahren und
einer Vorrichtung zum automatischen essen der
Abmessungen oder
der Konturen eines Werkatückes der Steuerung für die Antriebsorgane eine Steuerlogik
zuzuordnen, die aus der momentanen Stellung von Meßkopf und Tastfinger die Richtung
der Relativbewegung von Meßkopf und Werkstückauflage ermittelt und die erforderlichenfalls
zur Vergrößerung der Meßsicherheit auch Steuerbefehle zum mehrfachen Aufnehmen ausgesuchter
Einzelmeßwerte erteilt.
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Dazu ist es erforderlich, daß der Meßkopf Meßwerte liefert, die die
Auslenkung von mindestens einem Tastfinger in mehrere Koordinatenrichtungen zugleich
kennzeichnen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum automatischen
Messen der Abmessungen oder der Konturen eines Werkstückes, bei dem das Werkstück
und ein Meßkopf mit mindestens einem Tastfinger in mindestens einer Koordinate relativ
zueinander bewegt werden, bei dem der Tastfinger beim Meßvorgang aus einer Grundstellung
ausgelenkt wird, bei dem die Meßwerte durch Kombinieren mehrerer Meßgrößen gebildet
werden und bei dem durch eine Relativbewegung von Werkstück und Meßkopf weitere
Stellen der Kontur des Werkstückes zur Meßwertermittlung aufgesucht werden, dadurch
gelöst, daß der Tastfinger beim Antasten an das Werkstück in eine oder mehrere Koordinatenrichtungen
ausgelenkt wird, daß eine absolute Meßgröße für die Auslenkung des Tastfingers ermittelt
wird, daß jeder Meßwert, der eine Stelle der Kontur des Werkstückes kennzeichnet,
gebildet wird durch vorzeichenrichtige Addition der Meßgröße für die Aus lenkung
des Tastfingers mit einer weiteren Meßgröße, die die Stellung des Meßkopfes im Koordinatenfeld
eines Koordinatenmeßgerätes
markiert, daß kontinuierlich weitere
Meßwerte ermittelt werden, indem das Werkstueck oder der Meßkopf stets in die Richtung
weiterbewegt wird, die zur Auslenkrichtung des Tastfingers seitlich versetzt ist
und daß beim Umfahren des Werkstückes der Tastfinger ständig aus seiner Grundstellung
ausgelenkt wird.
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Es ist dabei vorteilhaft, daß beim Antasten des Werkstückes ein einzelner
Tastfinger des Meßkopfes zugleich in mehrere Koordinatenrichtungen ausgelenkt wird
und daß dabei die Auslenkung zugleich in mehreren Koordinaten gemessen wird.
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Vorteilhaft ist es auch, eine Steuerung des Tastkopfes oder der Werkstückauflage
derart vorzusehen, daß von keinem der Tastfinger eine Maximalauslenkung aus seiner
Grundstellung überschritten wird und daß von mindestens einem Tastfinger eine untere
Anslenkungsgrenze nicht unterschritten wird.
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Weiterhin ist es bei einem Verfahren zum automatischen Messen der
Konturen eines Werkstückes zweckmäßig, den Meßkopf oder die Werkatückauflage jeweils
in die Richtung weiter zur bewegen, die zur Auslenkrichtung jedes ausgelenkten Tastfingers
um etwa 90° versetzt.ist.
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Es ist auch vorteilhaft, den Tastkopf oder die Werkstückauflage derart
zu steuern, daß der Meßkopf bei seiner Bewegung zum Umfahren des Werkstückes um
diese Bewegungsbahn herum zusätzlich Pendelbewegungen ausführt, so daß sich die
das
Werkstück antastenden Tastfinger ständig zwischen den beiden Extremwerten der Auslenkung
hin und her bewegen.
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Die Meßwerte von der Auswerte- und Steuereinrichtung sollten vorteilhafterweise
nur dann registriert werden, wenn der Minimalwert der Auslenkung des Tastfingers
nicht unterschritten wird und der Meßvorgang sollte nach einer Unterbrechung der
Meßwertfolge fortgesetzt werden, indem zunächst der zuletzt registrierte Meßwert
aufgesucht wird.
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Bei der Vorrichtung zum automatischen Messen der Abmessungen oder
der Kontur eines Werkstückes, bestehend aus einem Koordinatenmeßgerät mit einem
Meßkopf und daran beweglich angeordnet ein oder mehrere Tastfinger, mit einem Bewegungsmechanismus
für den Meßkopf oder die Werkstückauflage in mehreren Koordinatenrichtungen, mit
einem Antrieb für diesen Bewegungsmechanismus und bestehend aus einer Auswerte-
und Steuereinrichtung zur Auswertung der Meßergebnisse und zur Steuerung der Bewegung
des Meßkopfes oder der Werkstückauflage, ist die Aufgabe zur I)urchführung des Verfahrens
vorteilhaft so gelöst, daß im Meßkopf ein Meßsystem für mehrere Koordinaten zum
Messen der Aus lenkung eines oder mehrerer Tastfinger angeordnet instr daß die Auswerte-
und Steuereinrichtung zur Ermittlung der Meßergebnisse Rechnerbaugruppen enthält,
die die Stellung des Meßkopfes im Koordinatenfeld des Koordinatenmeßgerätes und
die Auslenkung eines oder mehrerer Tastfinger am Tastkopf vorzeichenrichtig auswerten
und zudem noch systematische Meßfehler korrigieren und daß die Auswerte-und Steuer
einrichtung weiterhin eine zentrale Steuer- und
Rechnereinheit
zur Registrierung und Auswertung der Zeßergebnisse und zur Bildung einer Vielzahl
von Steuerbefehlen enthält.
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Es erweist sich als zweckmäßig, daß die Auswerte- und Steuereinrichtung
zur Steuerung der Bewegung des Meßkopfes oder der Werkstückauflage eine selbstoptimierende
Nachlaufsteuerung enthält, die zusätzlich zur Auslenkung des Gastfingers in den
vorgegebenen Grenzen noch eine Aus lenkung seitlich dazu anstrebt und die diesen
angestrebten Wert der seitlichen Auslenkung in Abhängigkeit von der tatsächlichen
Auslenkung des Tastfingers immer wieder korrigiert.
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Die Vorrichtung ist dabei vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß
der Meßkopf zum Messen der Auslenkung des Tastfingers in mehrere Koordinaten ein
fotoelektrisch arbeitendes inkrementales Meßsystem besitzt.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn bei dieser Vorrichtung der Meßkopf
eie mehrdimensionale Maßverkörperung mit einer als Kreuzgitter oder Punktraster
ausgeführten Teilung und gleichen Gitter- bzw. Rasterabständen enthält.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen vor allem darin, daß der Umfang
an meßvorbereitenden Arbeiten verringert wird, weil der Aufwand für das Einprogrammieren
der Sollkoordinatenwerte in das Steuerorgan der Vorrichtung entfällt, und des weiteren
darin, daß die Meßwerte für die äuBere Kontur eines in seinen Abmessungen völlig
unbekannten Prüflings automatisch aufgenommen werden.
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Der Meßweg für das Umfahren der Kontur wird dabei selbständig festgelegt.
Das Leßverfahren ist an keinerlei Voraussetzungen hinsichtlich der Porm oder der
Abmessungen des Prüflings gebunden. reben der äußeren Kontur lassen sich in gleicher
Weise auch Öffnungen im Werkstück ausmessen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß zusätzlich
auch die Möglichkeit besteht, die Sollkoordinatenwerte des Prüflings in die Auswerte-
und Steuereinrichtung einzuspeichern, so daß ein unmittelbarer Vergleich von Soll-und
Istkoordinatenwerten möglich wird.
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Das Meßverfahren ist universell anwendbar, weil es bis auf spezielle
Anwendungen ohne aufwendige Vorbereitung auskommt und weil durch seine Anwendung
dem Benutzer alle gewünschten Angaben über die Form, die Abmessungen und die Abweichungen
vom Sollwert schnell zur Verfügung gestellt werden.
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Die Zeiteinsparung gegenüber bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen
kann erheblich sein.
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Das Verfahren läßt sich auch vorteilhaft zur Verbesserung der Meßsicherheit
beim mehrfachen Ausmessen ausgesuchter Punkte auf der äußeren Begrenzungsfläche
des Werkstückes verwenden, weil es zur mehrfachen Ermittlung von Meßwerten nicht
mehr erforderlich ist, das Werkstück bei jedem Meßwert neu einzufahren. Vielmehr
genügt es jetzt, die Stellung von Meßkopf und Tastfinder zu ändern, ohne dabei den
Tastfinger vom Werkstück zu lösen.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen
zeigen: Fig. s
eine Vorrichtung zur Durchfahrung des eßverfahrens in kartesischen Eoordinaten mit
der zugehörigen Steuereinrichtung, Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchfahrung des
Meßverfahrens in Folarkoordinaten mit der zugehörigen Steuereinrichtung, Fig. 3
ein Ausfahrungsbeispiel für einen Meßkopf mit einer Zweikoordinatenmeß einrichtung
zum Messen der Auslenkung des Tastfingers, Fig. 4 eine Meßverkörperung mit einem
Punktraster.
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In Fig. 1 ist die prinzipielle Arbeitsweise einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens dargestellt. Die Vorrichtung ist
in der Lage, kartesische Koordinatenwerte in zwei Ausdehnungsrichtungen zu erfassen.
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Damit der Meßvorgang automatisch ablaufen kann, ist die Vorrichtung
mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung 1 verbunden.
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Die Vorrichtung besitzt einen Meßkopf 2 mit einem Tastfinger 3, der
durch einen Verschiebemechanismus 4 in zwei Koordinatenrichtungen frei beweglich
angeordnet ist. Zum Messen der Verschiebung des Meßkopfes 2 sind am Verschiebemechanismus
4 eine Längenmeßeinrichtung 5 für eine Verschiebungsmessung in X-Richtung und eine
Längenmeßeinrichtung 6 für die Verschiebungsmessung in Y-Richtung vorgesehen. Der
dazugehörige Maßstab ist entweder an einem Holm des Verschiebemechanismus 4 oder
an einer Werkstückauflage 7 angebracht.
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Der Yerschiebemechsnismus ist mit einem Antriebsorgan 8 für die Verschiebung
des Meßkopf es 2 in X-Richtung und mit Antriebsorganen 9 für eine Y-Verschiebung
ausgerüstet. Es wäre auch eine günstigere Äusführungsform der Vorrichtung denkbar,
bei der anstelle der beiden Antriebsorgane 9 nur ein; einziges Antriebsorgan verwendet
wird.
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Der Tastfinger 3 des dargestellten Tastkopfes 2 läßt sich in X- oder
Y-Richtung oder auch in beide Richtungen zugleich auslenken. Der absolute Betrag
der Auslenkung in beide Koordinatenrichtungen wird durch eine Meßeinrichtung im
Innern des Meßkopfes 2 ermittelt.
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Zum Ermitteln der Koordinatenwerte, die die Kontur eines Werkstückes
10 kennzeichnen, wird der Meßkopf 2 durch die Antriebs organe 8 und 9 zunächst aus
einer Euhestellung in Richtung des Werkstückes 10 bewegt. Sobald das Tastelement
am äußeren Ende des Tastfingers 3 das Werkstück 10 berührt, wird die Fahrgeschwindigkeit
des Meßkopfes 2 verringert. Die weitere Bewegung des ZeßkopSes 2 fahrt zu einer
Auslenkung des Tastfingers 3 aus seiner Grundstellungq Die Auslenkung wird dabei
in beide Koordinatenrichtungen gemessen. Übersteigt der Betrag der Auslenkung in
einer Koordinatenrichtung einen bestimmten Wert, werden die Antriebsorgane 8 und
9 abgeschalten und die Bewegung zur Annäherung an das Werkstück 10 wird gestoppt.
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Aus der Position des Meßkopf es 2 und der Auslenkung des Tastfingers
3 wird in der Auswerte- und Steuereinrichtung Ii entweder eines der Endmaße des
Werkstückes 10 oder der
erste Meßwert für die Erfassung der Kontur
des Werkstückes 10 ermittelt. In der Auswerte- und Steuereinrichtung 1 sind dazu
ein Zähler (X) 11 für die Auswertung der Signale der Längenmeßeinrichtung 5 und
ein Zähler (y) 12 für die Auswertung der Signale der Längenmeßeinrichtung 6 vorgesehen.
Die Ausgangswerte des Zählers (X) 11 und die des Zählers (Y) 12 kennzeichnen die
Fosition des meßkopfes 2 im XY-Koordinatenfeld der Vorrichtung. Die Auslenkung des
Tastfingers 3 aus seiner Grundstellung wird ebenfalls in XY-Koordinaten ermittelt.
Beide Koordinatenfelder haben dabei die gleiche Richtungsorientierung. Der Betrag
der Auslenkung des Tastfingers in die X-Komponente wird in der Auswerte-und Steuereinrichtung
1 von einem Tastfingerauswerter (X) 13 und der Betrag der Auslenkung in die Y-Komponente
von einem Tastfingerauswerter (Y) 14 ermittelt. Dem Tastfingeraus werter (X) 13
und dem Tastfingerauswerter (y) 14 werden dazu die Signale von einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung
15 im Innern des Meßkopf es 2 zugeführt. Diese Signale können fehlerbehaftet sein.
Wird nämlich der Tastfinger 3 aus seiner Grundstellung ausgelenkt, dann bewegt sich
eine Maßverkörperung im Meßkopf 2 in genau entgegengesetzter Richtung. Der zurück
gelegte Weg des Tastelements am äußeren Ende des Tastfingers 3 und der Weg der WIaßverkörperung
brauchen nicht übereinanderstimmen. Die erforderliche Korrektur der Meßwerte könnte
in den Tastfingerauswertern (X; Y) 13 und 14 vorgenommen werden. Die Ausgangswerte
dieser beiden Tastfingerauswerter (X; Y) 13 und 14 geben die absolute Stellung des
Tastfingers
3 im XY-Koordinatensystem in Bezug auf seine Grundstellung
an.
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Die Ausgangswerte des Tastfingerauswerters (X) 13 und des Zählers
(X) 11 werden in einem Rechner (X) 16 vereinigt. Ebenso erhält ein Rechner (Y) 17
die Ausgangswerte des Tastfingerauswerters (Y) 14 und des Zählers (Y) 12.
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Die Rechner (X; Y) 16 und t7 ermitteln aus ihren Eingangswerten die
X- bzw. Y-tomponente für einen Einzelmeßwert auf der äußeren Begrenzungsfläche des
Werkstückes 10. Die Rechner (Z; Y) 16 und 17 korrigieren dabei selbständig systematische
Meßfehler. Sie sind z. B. in der Lage, durch die Auswertung der Auslenkrichtung
des Tastfingers 3 die Größe des Tastelements am äußeren Ende des Tastfingers 3 in
den jeweiligen Komponenten jedes Einzelmeßwertes zu berücksichtigen.
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Dazu erhält der Rechner (x) 16 zusätzlich des Ausgangssignals des
Tastfingerauswerters (Y) 14 und der Rechner (Y) 17 ist mit dem Tastfingerauswerter
(X) 13 verbunden.
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Der Rechner (X) 16 ermittelt also z. B. aus den Informationen von
beiden Tastfingerauswertern (X; Y) 13 und 14 die Richtung der Auslenkung des Tastfingers
3 und daraus dann den Korrekturwert für die X-Eomponente. Der Korrekturwert für
die X-Eomponente ergibt sich aus dem Radius des Tastelements am äußeren Ende des
Tastfingers 3 multipliziert mit dem Kosinus des Winkels, den die X-Koordinate mit
der Auslenkrichtung des Tastfingers 3 bildet. Der Korrekturwert für die Y-tomponente
wird im Rechner (Y) 17 in äquivalenter Weise ermittelt.
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Die Ausgangswerte der Rechner (; Y) 16 und 17 werden einer zentralen
Steuer- und Rechnereinheit 18 zur weiteren Auswertung übergeben. In der zentralen
Steuer- und Rechnereinheit 18 werden die Einzelmeßwerte auf der äußeren Begrenzungsfläche
des Werkstückes 10 gespeichert und für die weitere Verwertung aufbereitet. Die aufbereiteten
Positionswerte werden in einer Positionsanzeige 19 angezeigt.
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Es kann dabei um eine Anzeige der absoluten Position von Endmaßen
des Werkstückes oder von ausgesuchten Stellen auf der äußeren Begrenzungsfläche
handeln. Ebenso kann auch der Differenzwert in der jeweiligen Koordinatenrichtung
zu vorgegebenen Sollkoordinatenwerten angezeigt werden. Die Sollkoordinatenwerte
können der zentralen Steuer- und Rechnereinheit 18 in Form eines Programms eingespeichert
werden.
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Dieses eingespeicherte Programm kann auch zur Steuerung der Antriebs
organe 8 und 9 herangezogen werden, so daß sich der Meßkopf 2 auf einer Bahn bewegt,
die den Sollkoordinatenwerten des Werkstückes 10 entspricht. Der Meßvorgang würde
sich dann beim Umfahren des Werkstückes 10 nur noch, wie bei Vorrichtungen bekannter
Art, auf die Ermittlung der Differenzwerte zu den tatsächlichen Koordinatenwerten
des Werkstükkes 10 beschränken. Pür ein Meßverfahren gemäß der Erfindung ist das
eingespeicherte Programm nicht unbedingt erforderlich.
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Das automatische Messen der Kontur des Werkstückes 10 setzt voraus,
daß sich der Meßkopf 2 ausgehend von dem ermittelten Einzelmeßwert entlang der äußeren
Begrenzungsfläche des Werkstückes 10 weiterbewegt. Die Fortbewegungsrichtung
des
Meßkopfes 2 wird in der zentralen Steuer- und Rechnereinheit 8 aus den Koordinatenwerten
des Einzelmeßwertes und der Auslenkungsrichtung des Tastfingers 3 aus seiner -rund
stellung ermittelt. die Rechner (X; Y) 1 und 17 übermitteln der zentralen Steuer-
und Rechnereinheit 18 auch die von ihnen gefundenen Werte für die Auslenkrichtung
des @astfingers 3. Als Fortbewegungsrichtung für den Meßkopf 2 wird dann in der
zentralen Steuer- und Rechnereinheit 10 die Richtung ermittelt, die zur Auslenkrichtung
des Tastfingers 3 um etwa 900 gedreht ist Der Richtungssinn-ist'beliebig, sollte
aber während eines Meßvorganges nicht wechseln. Die zentrale Steuer- und Rechnereinheit
18 ist in der Lage, dieser Bewegung des Meßkopfes 2 zum Umfahren der äußeren Begrenzungsfläche
eine Pendelbewegung zu überlagern, 30 daß der Tastfinger 3 während -des Meßvorganges
periodisch zwischen seinem Minimalwert und seinem Maximalwert der Auslenkung hin
und her bewegt wird. Dabei kontrolliert die zentrale Steuer-und Rechnereinheit 18
zugleich auch den Absolutwert der Auslenkung des Tastfingers 3 aus seiner Grundstellung
und gibt Steuerbefehle an ein Steuergerät der Antriebsorgane 20 derart, daß einerseits
ein minimaler Auslenkungswert des Tastfingers 3 nicht unterschritten wird und daß
andererseits ein Maximalwert der Auslenkung nicht überschritten wird.
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Wird eine der Auslenkungsgrenzen überschritten, erfolgt also eine
Gegensteuerung entweder in Auslenkungerichtung des Tastfingers 3 oder entgegengesetzt
dazu.
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Die Steuerung des Meßkopfes 2 zur Ermittlung der Meßwerte für die
Kontur de Werkstückes 10 kann auch in der Weise erfolgen, daß durch die zentrale
Steuer- und Rechner einheit 10 Cuß den Werten für die Stellung des Meßkopfes 2 und
der Auslenkrichtung des Tastfingers 3 nicht die Reich tung der Vorwärtsbewegung
des Meßkopfes 2, sondern stets ein anzufahrender Positionswert ermittelt wird. Dieser
anzug fahrende Positlonswert wird in jeder Stellung des Meßkopfes 9 neu ermittelt5
so daß er nie erreicht werden kanne sondern nur zur Orientierung und zur Festlegung
der Fahrgeschwindigkeit des Meßkopfes 2 dient. Die Fahrgeschwindigkeit wird beispielsweise
zunehmen, wenn der anzufahrende Positionswert weiter entfernt von der momentanen
Position des Meßkopfes 2 festgelegt wIrd. eine Steuerung des Meßkopfes 2 in dieser
Reise kann auch als Nachlaufsteuerung aufgefaßt werden', die sich in jeder erreichten
Position neu optimiert.
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Der zentralen Steuer- und Rechnereinheit 18 werden die momentanen
Stellungswerte des Meßkopfes 2, die Aus lenkrichtung des Tastfingers 3 und der Absolutwert
der Auslenkung kontinuierlich zugeführt Damit sind ihr die Voraussetzungen gegeben,
um auf Änderungen der Kennwerte schnell reagieren zu können und sämtliche Steuerbefehle
entsprechend diesen geänderten Kennwerten immer wieder zu korrigieren.
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Beim Umfahren des Werkstückes 10 kann es vor allem an besonders scharfen
Krümmungen der Kontur oder an den Kanten der Begrenzungsfläche des Werkstückes .0
zu Arbeits
unterbrechungen kommen, wenn der Tastfinger 3 seinen
Kontakt mit der äußeren Begrenzungsfläche des We.kstückes verliert und in seine
Grundstellung zurUckgeht. Der m.4eßvorgeng wird dann durch die zentrale Steuer und
Rechnereinheit 18 sofort unterbrochen und der Meßkopf 2 wird so zurückgeführt, daß
der Tastfinger 3 die zuletzt registrierte Position auf der Kontur des Werkstückes
10 wieder antastet. Die erneute Vor wärtsbewegung des Meßkopfes 2 kann dann zunächst
für einen begrenzten Weg mit verminderter Geschwindigkeit erfolgen te Meßwerte für
das Ermitteln de Kontur des Werkstückes 10 werden von der zentralen teuer- und Rechnereinheit
18 immer nur dann registriert, wenn der Tastfinger 3 die vorgegebenen Auslenkgrenzen
nicht untere bzw. überschreitet.
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Die aufgenommenen und gespeicherten Meßwerte, die in ihrer Gesamtheit
die Kontur des Werkstückes 10 ergeben, können von der zentralen Steuer- und Rechnereinheit
18 für eine optische Auswertung in der Positionsanzeige 19, aber auch aufbereitet
für eine schriftliche oder graphische Auswartung bereitgestellt werden.
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Sämtliche Steuerbefehle der zentralen Steuer- und Rechnereinheit
18 werden dem Steuergerät der Antriebsorgane 20 zugeleitet und dort so aufbereitet,
daß die unmittelbare Ansteuerung der Antriebsorgane 8 und 9 möglich wird. Als Antriebsorgane
8 und 9 können Stellmotoren unterschiedlichster Art verwendet werden. Es muß nur
stets eine ausreichend schnelle und genaue Positlonierung des Meßkopfes 2 auf jeder
gewünschten Position der Bewegungsebene gewährleistet
sein.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung schafft zugleich auch die
Voraussetzungen, um die Abmessungen des Werkstückes 10 zu ermitteln oder besonders
ausgewählte Meßstellen auf seiner Oberfläche auszumessen. Als besonders vorteilhaft
erweist sich die Vorrichtung, wenn die eßsicherhelt verbessert werden soll, wenn
also die Meßwerte der exponierten Meßstellen für eine Mittelwertbildung und zum
Zwecke der statistischen Auswertung mehrfach ermittelt werden müssen.
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Bei Vorrichtungen bekannter Art war es bisher erf orderlich, das
Werkstück 10 zur mehrfachen Meßwertaufnahme auch mehrfach anzufahren. Die Vorrichtung
gemäß der Erfindung erlaubt es jetzt, auch dann noch Meßwerte in praktisch unbegrenzter
Zahl aufzunehmen, wenn der Tastfinger 3 mit der äußeren Begrenzungsfläche des Werkstückes
10 ständig in Berührung bleibt. Es ist dazu nur erforderlich, den Meßkopf 2 in kleinen
Schritten so weiterzubewegen, daß die Auslenkung des Tastfingers 3 zwar verändert
wird, daß die zulässigen Auslenkungsgrenzen aber nicht überschritten werden. Alle
bei dieser Messung gewonnenen Einzelmeßwerte sind voneinander unabhängig und erfüllen
alle Bedingungen für eine statistische Ansvertung. Jeder Einzelmeßwert setzt sich
nämlich aus zwei Teilgrößen zusammen. Eine dieser Meßgrößen kennzeiclmet die Stellung
des Meßkopfes 2 im Koordinatenfeld der Vorrichtung.
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Sie wird von den Längenmeßeinrichtüngen 5 und 6 gemessen.
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f)ie zweite Meßgröße kennzeichnet die Auslenkung des Tastfingers 3
aus seiner Grundstellung.
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Die Meßgenauigkeit beider Meßsysteme kann sich dabei voneinander
unterscheiden. Die Steuerbefehle für das Fortbewegen des Meßkopf es 2 in kleinen
Schritten werden nach einem Programm von der zentralen Steuer- und Rechnereinheit
18 erteilt.
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Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 1 beschriebenen.
Die Kontur eines Werkstückes 21 kann damit sowohl in einer vorgegebenen Ebene als
auch dreidimensional ermittelt werden. Sämtliche ermittelten Werte liegen in Polarkoordinaten
vor.
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Die Vorrichtung besitzt wieder einen Meßkopf 22 mit einem Tastfinger
23, der durch einen Verschiebemechanismus 24 in zwei Koordinatenrichtungen frei
beweglich angeordnet ist. Der Meßkopf 22 wird in Z-Richtung von einem Antriebsorgan
25 und in R-Richtung von einem Antriebsorgan 26 bewegt. Die Größe der Verschiebung
des Meßkopf es 22 wird in Z-Richtung von einer Längenmeßeinrichtung 27 und in R-Richtung
von einer Längenmeßeinrichtung 28 gemessen. Der dazugehörige Maßstab ist auf dem
jeweiligen Trägerholm angebracht.
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Eine Werkstückauflage 29 ist auf einer Grundplatte 30 drehbar angeordnet.
Das ermöglicht es der Vorrichtung, vom Meßkopf 22 auch Meßwerte in # -Richtung ermitteln
zu lassen.
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Der Antrieb der Werkstückauflage 29 wird von einem Antriebsorgan 31
übernommen und die Meßwerte für die Drehbewegung werden von einer verdeckt angeordneten
Meßeinrichtung 32 ermittelt.
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Die Vorrichtung ist wiederum mit einer Auswerte- und
Steuereinrichtung
33 verbunden, deren Arbeitsweise in allen wesentlichen Punkten denen der Auswerte-
und Steuereinrichtung 1 entspricht. rer Teil für ie Auswertung der Meßdaten.
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enthält jetzt Baugruppen für die Ermittlung der Position des Meßkopfes
22 in drei Koordinatenrichtungen. Die Auswerte-und Steuereinrichtung 33 enthält
also einen Zähler (g) 34 für die Auswertung der Signale der Meßeinrichtung 32, einen
Zähler (R) 35 für die Auswertung der Signale der Längenmeßeinrichtung 28 und einen
Zähler (Z) 36 für die Auswertung der Signale der Iängermeßeinrichtung 27.
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Weitere Auswertesignale kommen vom Meßtaster 22 und kennzeichnen
die Auslenkung des Tastfingers 23 aus seiner Grundstellung. Die Auslenkung kann
in Polarkoordinaten oder in kartesischen Koordinaten gemessen werden. In dem Beispiel
nach Fig. 2 werden Meßdignale in kartesischen Koordinaten angenommen.
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Zur Auswertung der Signale in ihrer X- bzw. Y-Komponente ist in der
Auswerte- und Steuereinrichtung 33 ein Tastfingerauswerter (X) 57 und ein Tastfingerauswerter
(Y) 38 vorgesehen. Beiden Tastfingerauswertern (X; Y) 37 und 38 ist zur Umwandlung
der Meßwerte in γ; R-Komponente des Polarkoordinatensystems ein Umformer (
{; R) 39 nachgeordnet. Die Ausgangssignale des Meßkopfes 22 können einen Proportionalitätsfehler
enthalten. Er kommt dadurch zustande, daß der Weg, den das Tastelement am äußeren
Ende des Tastfingers 23 bei der Auslenkung zurücklegt nicht gleich dem eg ist, um
den die Meßgitter in der Zweikoordinatenmeßeinrichtung 15 gegeneinander verschoben
werden. Dieser Fehler
ist jedoch bekannt und kann in den Tsstfingerauswertern
(X; Y) 37 und 38 oder im Umformer (γ; R) 39 ausgeglichen werden.
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Die Ausgangswerte der Zähler ( γ; R; Z) 34; 35 und 36 und des
Umformers ( γ; R) 39 werden für die einzelnen Komponenten des Polarkoordinaensystems
in einem Rechner (γ) 40, einem Rechner (R) 41 und einem Rechner (Z) 42 zusammengefaßt.
Die Rechner (γ; R; Z) 40; 41 und 42 haben ebenso wie in Fig. 1 Wieder die,
Aufgabe, systematische Fehler des Meßsystems zu korrigieren. Die korrigierten Meßwerte
werden dann einer zentralen Steuer- und Rechnereinheit 43 zugeleitet. Die Einzelmeßwerte
für die äußere Begrenzungsflache des Werkstückes 21 werden hier gespeichert und
zur die weitere Verwendung aufbereitet. Die zentrale Steuer- und Rechnereinheit
43 kann auch Speicher- und Rechnerbaugruppen enthalten für eine programmgesteuerte
Bewegung des Meßkopfes 22 oder für den Vergleich von Soll- und Istwerten. Die absoluten
Positionswerte des Werkstückes 21 oder Differenzwerte zu den Sollkoordinatenwerten
werden in einer Positionsanzeige 44 angezeigt. Die zentrale Steuer- und Rechnereinheit
43 übernimmt alle Steuer- und Auswertefunktionen wie sie für die zentrale Steuer-
und Rechnereinheit 18 beschrieben wurden.
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Die Steuerung für drei Koordinatenrichtungen läßt es mitunter vorteilhaft
erscheinen, jeweils eine Koordinatenrichtung zu sperrer. und en Meßvorgang in den
beiden anderen Koordinatenrichtungen ablaufen zu lassen. Nach dem Ablauf eines zWeidimensionalen
Meßvorganges könnte der eingestellte Position
wert in der dritten
Dimension um einen kleinen Schritt verändert werden und der zweidimensionale Meßvorgang
könnte von neuem beginnen. Die Bewegung In der dritten Koordinatenrichtung könnte
auch kontinuierlich mit sehr kleiner Geschwindigkeit erfolgen.
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Die zentrale Steuer- und Rechnereinheit 43 gibt Steuerbefehle an
ein Steuergerat der Antriebsorgane 45.
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Dort werden die Steuerbefehle so aufbereitet, daß sie in den Antriebsorganen
25; 26 und 31 in eine Bewegung von Meßkopf 22 und Werkstück 21 umgesetzt werden
können.
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Es ist auch möglich, diese Vorrichtung zum Ausmessen von Öffnungen
im Werkstück zu ver.zenden. Sollte es sich dabei als günstig erweisen, kann der
Meßkopf 22 auch in eine waagerechte Stellung gebracht werden. Zur Auswertung von
Auslenkungen des Tastfingers muß man sich dabei entsprechend umorient leren.
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In Fig. 3 ist ein Meßkopf 46 mit einem in zwei Dimensionen frei beweglichen
Tastfinger 47 dargestellt.
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Der Tastfinger 47 besitzt an seinem äußeren Ende ein Tastelement 48
zum Antasten an ein beliebiges Werkstück.
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Der Meßkopf, 46 enthält zum Messen der Auslenkung des Tastfingers
47 in zwei Dimensionen die schon vorher erwähnte Zweikoordinatenmeßeinrichtung 15.
Die gesamte Meßeinrichtung 15 ist nur schematisch dargestellt und soll lediglich
die prinzipielle Wirkungsweise veranschaulichen.
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Der Tastfinger 47 ist zusammen mit einer Maßverkörperung 49, einem
Kondensor 50 und einer Lichtquelle 51 zu einer
mechanischen Baugruppe
vereinigt. Die mechanische Baugruppe wird von einer Aufhängung 52 in ihrer Grundstellung
gehalten.
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Die Aufhängung 52 greift in einem gewissen Abstand vom oberen Ende
an der Baugruppe an und gewährleistet eine freie Bewegung des Tastfingers 47 in
zwei Dimensionen. Die in Fig, 3 dargestellte Aufhängung 52 dient hier mehr symbolisch
zur Veranschaulichung der Wirkungsweise. Es ware auch denkbar, an ihrer Stelle eine
kardanische Aufhängung zu verwenden und den Tastfinger 47 über Rückstellfedern in
der Grundstellung zu halten.
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Wird der Tastfinger 47 aus seiner Grundstellung ausgelenkt, dann
bewegt sich die Maßverkörperung 49 in genau entgegengesetzte Richtung. Der vom Tastelement
48 und von der Maßverkörperung 49 zurückgelegte Weg braucht nicht übereinzustimmen.
Da der Angriffspunkt der Aufhängung 52 nicht symmetrisch zu den Enden der mechanIschen
Baugruppe liegt, kann es zu Proportionalitätsfehlern kommen, die aber bei der weiteren
Auswertung der Ergebnisse wieder ausgeglichen werden können.
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Die Xaßverkörperung 49 besitzt eine Anordnung aus sich rechtwinklig
kreuzenden Linien für ein fotoelektrisch arbeitendes inkrementales und zvweidimensionales
Längenmeßsystem nach dem Durchllchtverfahren, Unmittelbar darüber ist eine feststehende
Maßverkörperung 53 mit etwa gleicher Kreuzgit teranordnung angebracht, Im folgenden
soll die Arbeitsweise der Meßeinrichtung 15 erläutert werden. Von der Lichtquelle
51 gehen Lichtstrahlen
aus, die dann im Kondensor 50 zu einem parallelen
Lichtstrahlenbündel vereinigt werden. Die prallelen Lichtstrahlen treten durch die
bewegliche Maßverkörperung 45 und durch die feststehende Maßverkörperung 53 hrndurch
und treffen schließlich auf einer Wandlereinheit 54 auf. Die Wandlereinheit 54 besitzt
auf einer Linie angeordnet vier fotoelektrische Wand-1er 55 für die Auswertung der
Auslenkung des Tastfingers 47 in eine angenommene X-Richtung. Die sich kreuzenden
Linien auf den Maßverkörperungen 49 und 53 und die LinIe, auf der die Rotoelektrischen
Wandler 55 angeordnet sind, naben dabei gleiche Richtungsorientierung. Auf der Wandlereinheit
54 entstehen durch die Kreuzgitteranordnung auf den Maßverkörperungen 49 und 53
und durch den sich dabei ausbildenden Moiréeffekt punktweise angeordnete Hell-Dunkelmarken.
Die Größe der Hell Dunkelmarken hängt davon ab, inwieweit sich die Kreuzgitteranordnungen
auf beiden Maßverkörperungen 49 und 53 in ihren Gitterabständen voneinander unterscheiden.
Die Hell-Dunkelmarken haben durch den Moiréeffekt wesentlich größere mechanische
Abmessungen als die Abstände der Kreuzungspunkte dieser Kreuzgitteranordnung voneinander.
Die fotoelektrischen wandler 55 sind nun so auf einer Linie angeordnet, daß die
Hell-Dunkelmarken in ihnen jeweils um 900 versetzte elektrische Signale entstehen
lassen. Bei einer Auslenkung des Tastfingers 47 wandern die Hell-Dunkelmarken über
die Wandler einheit 54 und damit auch über die fotoelektrischen Wandler 55 hinweg
Es entstehen elektrische Signale, die die Auswertung der X-Komponente einer beliebigen
Auslerkung des Tastfingers
47 aus seiner Grund stellung ermöglichen.
Dabei kann sowohl die absolute größe der Auslenkung als auch der Richtungssinn in
dieser Komponente ermittelt werden. Pür eine völlig äquivalente Auswertung in einer
angenommenen Y-Richtung sind auf tier Wandlereinheit 54 im rechten Winkel zur Anordnung
der erste fotoelektrischen Wandler 55 weitere vier fotoelektrische Wandler 56 angebracht.
Da die Hell-Dunkelmarken auf der Wndlereinheit 54 als Licht- oder Schattenpunkte
erscheinen, wird die Auslenkung des Tastfingers 47 in eine beliebige Richtung durch
die Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandler 55 in ihrer X-Komponente und durch
die Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandler 56 in ihrer Y-Komponente eindeutig
gekennzeichnet. Die Maßverkörperungen 49 und 53 mit den darauf aufgebrachten Kreuzgittern
ermöglichen also die Ermittlung von Auslenkungsmeßwerten zugleich in zwei Koordinatenrichtungen.
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Es wäre auch denkbar, den Meßkopf 46 mit prinzipiell anders wirkenden
Zweikoordinatenmeßeinrichtungen auszurüsten.
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Die Meßeinrichtung könnte dabei auch für jede Auslenkungskomponente
ein gesondertes Meßsystem besitzen.
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Es ist auch möglich, den ;Eßkopf 46 mehreren Tastfingern zu versehen
oder ihn so aufzubauen, ß der Tastfinger 47 auch in die dritte Dimension ausgelenkt
und gemessen wird.
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Fig. 4 zeigt eine Maßverkörperung 57 für eine zweidimensionale Meßeinrichtung,
die in Abwandlung der Maßverkörperungen
49 und 53 mit einem Punktraster
versehen ist.
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Für die Wirkungsweise der Meßeinrichtung ergeben sich dadurch keine
Unterschiede. Es hat sich lediglich die Form und die Lage der Hell-Dunkelmarken
geändert.
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L e e r s e i t e