DE2921166A1

DE2921166A1 - Verfahren und anordnung zur automatischen vermessung eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2921166A1
Application number: DE19792921166
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl Ing Dr Jacoby
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1980-11-27
Also published as: CH646513A5; US4283669A; IT8067815A0; DE2921166C2; GB2049995A; GB2049995B; FR2457476A1; SE8003886L; JPS55158507A; FR2457476B1; IT1130461B

Description

2921166 Ernst Leiiz Wetzlar GmbH pat mu/wo - 21.5.1979

A 21 17

Verfahren und Anordnung zur autoaatischen Vermessung einea Werkstückea

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Vermessung eines von einen in wenigstens zwei orthogonal zueinander verlaufenden Koordinatenrichtungen bewegbaren Meßtisch getragenen Werkstückes durch Abtasten alt wenigstena einem Taster eines Tastkopfes während einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Tastkopf in einer Koordinatenrichtung.

Verfahren und Anordnung dieser Art sind bei Drei·» Koordinaten-MeOmaschinen von Bedeutung, ait denen das Profil eines Werkstückes abgetaatet werden aoll und bei denen dazu Taster und Werkstück dauernd durch geeignete Regelungsaaßnalwen in Berührung bleiben sollen.

Aus der DB-OS 26 Hk 839 iat dasu ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen eine absolute Meßgröße für die bei der Werketückantastung entstehende Auslenkung des Taatfingers ermittelt wird, bei denen jeder eine Konturstelle des Werkstückes kennzeichnende Meßwert durch vorseichenrichtige Addition der Tasterfingerauslenkungsaeßgröße und einer die Stellung des Meßkopfes im

030048/0453 " ⁵ "

BAD ORIGINAL

Pat Mü/Wo - 21o5o1979 A 2117

Patentabteilung

Koordinatenfeld markierende Meßgröße gebildet wird und bei denen weitere Meßwerte dadurch ermittelt werden, daß das Werkstück oder der Meßkopf stets in die Richtung weiterbewegt werden, die zur Tasterauslenkung seitlich versetzt ist und daß beim Umfahren des Werkstückes der Tastfinger ständig aus seiner Grundstellung ausgelenkt wird.

Durch die US-PS 3 J9k 2^8 ist ferner ein System zur Messung der Größe einer relativen Bewegung zwischen einem Objekt und einem Bezugspunkt bekannt geworden, in welchem optische Gitter eingesetzt sind, mit denen die Bewegung über fotoelektrische Elemente in elektrische Pulse umgesetzt werden, die je nach der Bewegungsrichtung über eine Additions- bzw« Subtraktionsstufe einem Vorwarts-VRuckwartszahler zugeführt werden«

Es sind aber auch Meßmaschinen bekannt, bei denen die Signale für die Begelung aus den Signalen des Induktion«tasters abgeleitet werden, die die Auslenkung des Tastkopfes in orthogonal zueinanderstehenden Richtungen repräsentieren» Dabei wird mit diesen Signalen ein Regelkreis geschlossen, der eine vorgegebene Antastkraft des Tasters während einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Tastkopf in einer Koordinatenrichtung aufrecht erhält.

Bei den bisher bekannten Meßmaschinen hat sich jedoch als gemeinsamer Nachteil herausgestellt, daß in der Nähe der Umschaltstelle von einer Meßkoordinatenrichtung in die andere Meßungenauigkeiten auftreten, die durch den aus der Reibung zwischen Werkstück und Taster resultierenden Schleppfehler entstehen»

030048/0453

Pat Mü/Wo - 21c5o1979 A 2117

Patentabteilung — 6 —

Ein weiterer den bekannten Meßmaschinen gemeinsamer Nachteil ist, daß während der Umschaltung der Antastvorgang unterbrochen wird, da zunächst die Relativbewegung zwischen Tastkopf und Werkstück in der einen Koordinatenrichtung gebremst werden muß, bevor nach einer Beruhigungszeit die Relativbewegung in die zweite Koordinatenrichtung in Gang gesetzt werden kann. Die durch Bremsung und Beschleunigung verursachten Fehler lassen die Gewinnung von Meßwerten in einem gewissen Bereich nicht zu.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die bei der Profilabtastung mit den bekannten Meßmaschinen auftretenden Nachteile abzustellen und einen Umschaltvorgang von der einen Meßkoordinaten in die andere ohne Stillstand der Relativbewegung zwischen Werkstück und Tastkopf und ohne Unterbrechung der Datenermittlung zu realisieren«

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß nach Erreichen des Werkstückes und Antastung desselben mit vorgegebener Kraft längs der zweiten Meßkoordinatenrichtung durch den Taster der Meßtisch durch eine vorgegebene Steuerspannung mit einer konstanten Geschwindigkeit längs der ersten Meßkoordinatenrichtung (Primärkoordinate) verfahren wird, daß zur Aufrechterhaltung der Kontaktkraft zwischen Taster und Werkstück der Meßtisch in der zweiten Meßkoordinatenrichtung (Sekundärkoordinate) mit einer der Nachstellung des Tasters erforderlichen Geschwindigkeit durch eine im Regelkreis erzeugte, der Tasterablage von der Grundstellung entsprechende elektrische Spannung angesteuert und bewegt wird, daß die Steuerspannung der Bewegung in der Primärkoordinatenrichtung und

- 7 030048/0453

Pat Mü/Wo - 21 ο 5 -1979 A 2117

Patentabteilung _ 7 —

die Re ge 1 spannung der Sekundark.oordinatenrich.tung fortlaufend miteinander verglichen werden, und daß eine Vertauschung der Primär*/Sekundärgeschwindigkeitsvorgabe erfolgt, wenn die beiden Spannungen Gleichheit erreichen»

Das genannte Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils bei Vertauschung der Primär-ZSekunkärgeschwindigkeitsvorgabe in Tätigkeit tretende Regelkreis auf die richtige Wiedergabe der Anfangsgeschwindigkeit der von ihm geregelten Tasternachstellbewegung vorbereitet wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Anordnung vorgeschlagen, in welcher jeder Meßkoordinatenrichtung je ein Steuerkreis und je ein Regelkreis zugeordnet sind, deren Ausgangssignale Motore ansteuern, mit welchen der das Werkstück tragende Meßtisch verfahren wird«,

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß je Meßkoordinatenrichtung ein Längenschrittgeber vorhanden ist, der mit dem Meßtisch verbunden dessen Bewegungsgröße feststellt.

Es ist ferner vorgesehen, daß den Steuerkreisen ein gemeinsamer Rechner vorgeschaltet ist, der die Werte zum Verfahren des Werkstückes in der Primärkoordinatenrichtung vorgibt.

Nach der Erfindung ist aber auch möglich, daß anstelle des Rechners den Steuerkreisen eine Schaltungsanordnung mit Komparatoren vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß sind die Regelkreise dem Taster zugeordnet und werden von diesem in Tätigkeit gesetzt»

030048/0453

Pat Mü/Wo - 21.5c1979 A 2117

Patentabteilung _ 8 —

In den Steuer- bzw, Regelkreisen sind Schalter und diese betätigende Mittel angeordnet, mit denen die Vertauschung der Primär-/Sekundärgeschwindigkeitsvorgabe geschaltet wird»

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und im Nachstehenden näher beschriebene Es zeigen:

Fig. 1 ein Abtastvorgang in Einzelheit und Fig« 2 Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung«

Anhand der Fig. 1 sollen die erfindungsgemäß ablaufenden Vorgänge beim Abtasten eines Werkstückes in Einzelheit beschrieben werden,

In einem nicht näher bezeichneten Werkstück 1 soll ein Loch 2 durch Abtastung mittels eines Induktivtasters vermessen werden« Der Abtastvorgang als solcher findet in der Ebene "xy" statt_s Während des gesamten Abtastvorganges soll der Taster 3 ständig mit dem Werkstück 1 in Kontakt bleiben.

Im Abtastbereich "A" ist die Meßkoordinatenrichtung "x" die Primärkoordinate und die Meßkoordinatenrichtung "y" die Sekundärkoordinate. Im Abtastbereich "Β" wird ^Hy" die Primärkoordinate und ^Mx" die sekundäre. Jeweils in der Primärkoordinatenrichtung bewegen sich Induktivtaster und Werkstück 1 mit konstanter Geschwindigkeit gegeneinander.

Zu Beginn des Abtastvorganges ist eine Antastung des Werkstückes 1 in Richtung der Meßkoordinate, "y" erfolgt. Die Ablage des Tasters 3 in Richtung der Meßkoordinate "y" wird auf einen Sollwert "S" eingestellt.

030048/0453

Pat Mü/Wo - 21„5ο 1979 A 21 17

Patentabteilung

Bei Relativbewegung zwischen Werkstück 1 und Induktivtaster 3 in Richtung der Meßkoordinaten "x" ergibt sich am Induktivtaster 3 aufgrund der Gestalt des Werkstückes eine Ablage in Richtung Meßkoordinate "y" vom Sollwert "S" die in eine entsprechende elektrische Größe umgesetzt wird» Diese Größe wird einem noch zu beschreibenden Regler zugeführt, der wiederum einen Motor ansteuert, mit dem nunmehr auch eine Relativbewegung zwischen Induktivtaster 3 und Werkstück in Richtung der Meßkoordinaten "y" in Gang setzte Der Regler ist dabei so ausgelegt, daß der eingangs eingestellte Sollwert "S" stets in etwa erhalten bleibt.

Im Abtastbereich "A" ist, wie bereits weiter oben beschrieben, die Meßkoordinatenrichtung "y" die Sekundärkoordinate, in welcher die Relativbewegung zwischen Induktivtaster 3 und dem Werkstück 1 durch einen Regelkreis beeinflußt wird. Bei Punkt C in Fig„ 1 wird die . Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Induktivtaster 3 und Werkstück 1 in Richtung der Meßkoordinaten "y" in etwa so groß sein wie die Relativbewegung zwischen den beiden in Richtung der Meßkoordinaten ⁿx"_o

Bei einer weiteren Bewegung in Meßkoordinatenrichtung "x" müßte die Bewegung in der "y"-Richtung sehr stark ansteigen, und in Punkt "D" wäre ein Betrieb nicht mehr möglich. Deshalb muß in den Abtastbereich "B" umgeschaltet werden, in dem, wie bereits oben beschrieben, die Meßkoordinatenrichtung "y" die Primär- und die Meßkoordinatenrichtung "x" die Sekundärkoordinate wird«

Dabei soll die Umschaltung bei Gleichheit der Geschwindigkeiten der beiden Relativbewegungen vorgenommen werden.

- 10

030048/0A53

Pat Mü/Wo - 21„5.1979 A 2117

Patentabteilung

- 10 -

Außerdem soll der die Bewegung in derSekundärkoordinaten regelnde Kreis vorbereitet werden, so daß er unmittelbar nach dem Umschaltvorgang die richtige Anfangsgeschwindigkeit für die sekundäre Relativbewegung zwischen Taster 3 und Werkstück 1 wiedergibt.

Ein Schaltungsbeispiel, mit dem diese Forderungen erfüllt werden können, ist in Figo 2 wiedergegeben.

Darin ist jeder Meßkoordinatenrichtung je ein Steuerkreis 4,5 je ein Regelkreis 6,7 zugeordnet. Die Steuerkreise 4,5 besitzen einen gemeinsamen Rechner 8, je einen Digital/Analogwandler 9 bzw. 10, je zwei Widerstände 11,12 bzw. 13fi4 je einen Verstärker 15 bzw. 16 und je einen Leistungsverstärker 17 bzw. 18,

Die Regelkreise 6 und 7 bestehen je aus Verstärkern 15 und 16, die bereits auch den Steuerkreisen 4 bzw. 5 zugeordnet sind und denen je ein Vorwiderstand 19 bzw. 20 vorgeschaltet ist.

Xn den Rückkopplungszweig eines jeden Verstärkers 15 bzw. 16, ist ein je aus einem Kondensator 21 bzw. 22 und einem Widerstand 23 bzw. 24 bestehendes CR-Glied geschaltet.

Jedem der Steuerkreise 4,5 und Regelkreise 6,7 sind Schalter 25 bis 28 zugeordnet, die durch Relais 29-32 betätigt werden. Die Schalter 25-28 schalten jeweils die Steuerkreise 4,5 oder die Regelkreise 6,7 an Motore 33 und 34, welche einen nicht mitdargestellten Meßtisch in den Meßkoordinatenrichtungen χ und y bewegen. Die Größe der Meßtischbewegung wird von je einem Längenschrittgeber 35 bzw« 36 kontrolliert.

030048/0453

Pat Mü/Wo - 21„5=1979 A 2117

Patentabteilung

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist, wie folgt;

Im Abtastbereich "A" gemäß Fig. 1 ist die Meßkoordinatenrichtung "x" die Primärkoordinate. Das heißt "der Schalter 25 ist geschlossen und der Schalter 26 ist geöffnet. Die vom Rechner 8 vorgegebenen digitalen Werte werden im Digital/Analogwandler 9 in eine analoge elektrische Spannung gewandelt, die nach Durchlaufen von Verstärker 15 und Leistungsverstärker 17 vom Motor 33 i*¹ eine entsprechende Drehzahl umgesetzt wird, mit welcher der nicht mitdargestellte Meßtisch in Richtung der Meßkoordinaten ^Mx" mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird«,

Durch die bei Beginn des Abtastvorganges in Meßkoordinatenrichtung "y^H erfolgte Antastung des Werkstückes 1 durch den Induktivtaster 3 ist der Schalter 27 über das Relais 31 geschlossen und der Schalter 28 mittels Relais 32 geöffnet werden. Dadurch gelangt die vom Induktivtaster 3 erzeugte, seiner Ablage vom Sollwert proportionale Spannung zum Verstärker 16, der als P-I-Regler ausgelegt ist« Mit Hilfe des im Rückkopplungszweig des Verstärkers 16 angeordneten Kondensators 22 wird der I-Anteil des Regelkreises 7 realisiert, so daß am Ausgang des Verstärkers 16 eine Spannung ansteht, die der Geschwindigkeit proportional ist, mit welcher der Induktivtaster 3 zur Aufrechterhaltung des Kontaktes mit dem Werkstück 1 bewegt werden muß. Diese Spannung gelangt über den Leistungsverstärker 18 zum Motor Jh, der den nicht mitdargestellten Meßtisch in der Meßkoordinatenrichtung ^Hy^H in diesem Falle in der Sekundärkoordinatenrichtung bewegt.

- 12 -

030048/0453

Pat Mü/Wo - 21,5»1979 A 2117

Patentabteilung — 12 —

Noch während des Abtastvorganges im Bereich "A" hat sich der im Rückkopplungszweig des Verstärkers 15 angeordnete Kondensator 21 mit der Spannung aufgeladen, die der Geschwindigkeit der Bewegung in der Primärkoordinatenrichtung, im vorliegenden Fall die Meßkoordinatenrichtung "χ", proportional ist.

Vie weiter oben bereits beschrieben, muß, soll der Abtastvorgang ohne Stillstand und ohne Unterbrechung der Datenermittlung ablaufen, frühzeitig genug vom Abtastbereich "A" in der Meßkoordinatenrichtung "x" in den Abtastbereich "B" in Meßkoordinatenrichtung "y" umgeschaltet werden«

Diese Umschaltung wird dadurch veranlaßt, daß der Rechner 8 in kurzfristigen Intervallen die Geschwindigkeiten sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärkoordinatenrichtun^ mit Hilfe eines digitalen Zahlenvergleiches überwacht. Dies geschieht dadurch, daß der Rechner 8 in Zeitintervallen die Positionen des Meßtisches aus den mit diesem verbundenen Längenschrittgebern 35 bzw. 36 abfragt und den Weg

Δ 1 bzw. A 1 zwischen zwei Abrufzeiten (t) berechnet, χ y

Gleichzeitig berechnet er auch nach der Formel

^Vx ■ £is ^bzW· ^Vy

die Geschwindigkeit dieser Bewegung«

Sobald der Rechner 8 gleiche Geschwindigkeiten zwischen den Bewegungen in der Primär- bzw. Sekundärkoordinatenrichtung feststellt, gibt er ein Signal aus, mit dem eine Vertauschung zwischen Primär- und Sekundärgeschwindigkeitsvorgabe erfolgt.

Zu diesem Zeitpunkt werden die Schalter 25 und 27 geöffnet und die Schalter 26 und 28 geschlossen. Dadurch wird der

030048/0453

- 13 -

Pat Mü/Wo - 21o5o1^g79 A 2117

Palentabteilung - 13 -

Regelkreis 6 von der Beeinflussung durch den Induktivtaster 3 abgeschaltet und der Steuerkreis k eingeschaltet. Es wird nunmehr in der Meßkoordinatenrichtung "y" mit der vom Rechner 8 vorgegebenen Geschwindigkeit gesteuert und in der Meßkoordinatenrichtung "x" geregelte Da der zum Regelkreis 6 gehörende Kondensator 21, wie beschrieben, mit einer der Verfahrgeschwindigkeit in der Meßkoordinatenrichtung "x" proportionalen Spannung aufgeladen wurde, erfolgt der Übergang ruckfrei und ohne Stillstand.

Die hier beschriebene Schaltungsanordnung zur analogen Verarbeitung der Regelungs- und Steuersignale sowie die rechnergesteuerte Überwachung der Geschwindigkeit sind nur ein Ausführungsbeispiel» Andere Ausführungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind möglich.

03j00A8/0A53

e e r s e

Claims

2921166 Ernst Leitz Wetzlar GmbH

Pat Mii/Wo - 21.5.1979 A 2117

Patentansprüche

Verfahren zur automatischen Vermessung eines von einem in wenigstens zwei orthogonal zueinander verlaufenden Koordinatenrichtungen bewegbaren Meutisch getragenen Werkstückes durch Abtasten mit wenigstens einem Taster eines Tastkopfes während einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Tastkopf in einer Koordinatenrichtung, bei dem der Taster aus seiner Grundstellung ausgelenkt wird und der Auslenkung entsprechende, auf die Grundstellung des Tasters bezogene proportionale elektrische Signale erzeugt werden und bei dem mit der Auslenkung des Tasters ein Regelkreis geschlossen wird, der eine vorgegebene Antastkraft des Tasters aufrecht erhält, dadurch gekennzeichnet, daß

nach Erreichen des Werkstückes und Antastung desselben mit vorgegebener Kraft längs der zweiten Meßkoordinatenrichtung durch den Taster der Meßtisch durch eine vorgegebene Steuerspannung alt einer konstanten Geschwindigkeit längs der ersten Meßkoordinatenrichtung (Priaärkoordinate) verfahren wird,

daß zur Aufrechterhaltung der Kontaktkraft zwischen Taster und Werkstück der Meßtisch in der zweiten Meß-

030048/0453

Patentabteilung

Pat Mü/Wo - 21„5 ο 1979 A 2117

koordlnatenrichtung (Sekundärkoordinate) mit einer der Nachstellung des Tasters erforderlichen Geschwindigkeit durch eine im Regelkreis erzeugten der Tasterablage von der Grundstellung entsprechende elektrische Spannung angesteuert und bewegt wird, daß die Steuerspannung der Bewegung in der Primärkoordinatenrichtung und die Regelspannung der Sekundärkoordinatenrichtung fortlaufend miteinander verglichen werden, und daß eine Vertauschung der Primär-ZSekundärgeschwindigkeitsvorgabe erfolgt_β wenn die beiden Spannungen Gleichheit erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Jeweils bei Vertauschung der Primär-/Sekundärgeschwindigkeitsvorgabe in Tätigkeit tretende Regelkreis auf die richtige Wiedergabe der Anfangsgeschwindigkeit der von ihm geregelten Tasternachstellbewegung vorbereitet wird,,

Anordnung zur automatischen Vermessung eines von einem in wenigstens zwei orthogonal zueinander verlaufenden Koordinatenrichtungen bewegten Meßtisch getragenen Werkstückes durch Abtasten mit wenigstens einem Taster eines Tastkopfes während einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Tastkopf in einer Koordinatenrichtung, bei dem der Taster aus seiner Grundstellung ausgelenkt wird, und der Auelenkung entsprechende, auf die Grundstellung des Tasters bezogene, proportionale elektrische Signale erzeugt werden und bei dem mit der Auslenkung des Tasters ein Regelkreis geschlossen wird, der eine vorgegebene Antastkraft des Tasters aufrecht erhält, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkoordinatenrichtung je ein Steuerkreis (^,5) und je ein Regelkreis (6,7) zugeordnet sind, deren Ausgangssignale M₀tore (33»

030048/0453

?at Mü/Wo - 21 ο5.1979 A 21 17

Patentabteilung o _

ansteuern, mit welchen der das Werkstück tragende Meßtisch verfahren wird,,

4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß je Meßkoordinatenrichtung ein Längenschrittgeber (35,36) vorhanden ist, der mit dem Meßtisch verbunden dessen Bewegungsgröße feststellt»

5« Anordnung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß den Steuerkreisen (4,5) ein gemeinsamer Rechner (8) vorgeschaltet ist, der die Werte zum Verfahren des Werkstückes in der Primärkoordinatenri chtung vorgibt _o

ο Anordnung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Rechners (8) den Steuerkreisen (4,5) eine Schaltungsanordnung mit Komperatoren vorgeschaltet ist«

ο Anordnung nach Anspruch 3» dadurch "-gekennzeichnet, daß die Regelkreise (6,7) dem Taster (3) zugeordnet sind und von diesem in Tätigkeit gesetzt werden.

8„ Anordnung nach einem der Ansprüche 3-7» dadurch gekennzeichnet, daß in den Steuer- (4,5) bzw. Regelkreisen (6,7) Schalter (25,26,27,28) und diese betätigende Mittel (29,30^31,32) angeordnet sind, mit denen die Vertauschung der Primär-/ Sekundärgeschwindigkeitsvorgabe geschaltet wird.

030048/0453