DE3135180A1

DE3135180A1 - Einrichtung zum linearen fuehren eines abtasters

Info

Publication number: DE3135180A1
Application number: DE19813135180
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 6304 Lollar Muth
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1981-09-05
Filing date: 1981-09-05
Publication date: 1983-04-14
Also published as: GB2107549A; JPS5843422A; GB2107549B; US4476492A; FR2512576B1; DE3135180C2; FR2512576A1; JPH0161196B2

Description

Einrichtung zum linearen Führen eines Abtasters

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum linearen Führen eines Abtasters längs einer vorgegebenen Koordinatenrichtung, beispielsweise bei optischen Ge- . raten.

Es ist bekannt, zur Abtastung von Objekten diese selbst oder geeignete" Sensoren auf einem Träger zu befestigen, der auf zwei gleichlangen Biegefedern montiert ist, die in Schwingrichtung parallel hintereinander liegend angeordnet sind, wobei die einen Enden der Federn in einer Einspannfläche festgelegt und die anderen Enden durch den Träger verbunden sind (Hildebrand "Feinmechanische Bauelemente" 3. Aufl., "VEB Verlag Technik Berlin, Seite 266 ff.). . · ■" ·

Patentabteilung

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Bei Biegung der Federn verläuft die Bewegung der Träger parallel zur "Einspannfläche der Federn. Er beschreibt jedoch einen Kreisbogen um die Einspannpunkte, so daß ein Versatz des Trägers erfolgt (Hildebrand "Feinmechanische Bauelemente" 3. Aufl., Seite 410). ■ ■

Wird ein solcher Abtaster beispielsweise zum Einfangen von Meßpunkten oder zum Einfangen der Mitte von Skalenstrichen verwendet, so entsteht durch den kreisförmigen Bewegungsablauf des Tasters kein Nachteil. Unvorteilhaft ist eine solche kreisförmige Abtastbewegung bei Verwendung dieser Taster in Verbindung mit bilderzeugenden Einrichtungen, wie beispielsweise TV- und Kamerasysteme. Um hier aus dem aus der Abtastung abgeleiteten elektrischen Signal eine objektgetreue Abbildung produzieren zu können, müßte der bilderzeugetcfe Elektronen- oder Lichtstrahl ebenfalls auf einem dem vom Schwinger des Abtasters ausgeführten, entsprechenden Kreisbogen geführt werden. Das aber würde einen sehr, hohen Aufwand sowie Schwierigkeiten in der Signalauswertung, .mit sich bringen.

Ein weiterer Nachteil solcher Abtaster liegt in der Übertragung funktionsstörender Schwingungen, die beim Schwingen des Abtasters durch die gleichzeitige und gleichgerichtete Beschleunigung oder Verzögerung aller beweglichen Teile sowie durch die· sich in Abhängigkeit von der Schwingfrequenz ergebenden, kurzzeitig sich ändernden Bewegungsrichtungen entstehen.

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Patentabteilung - 8 -

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit welcher ein Abtaster längs einer vorgegebenen Koordinatenrichtung linear geführt wird und die sich" dadurch auszeichnet, daß keine dynamischen Kräfte auf die Einrichtung übertragen werden.

Die Lösung der Aufgabe bringt eine Einrichtung, die zwei in Gegenrichtung zueinander arbeitende, in Wirkrichtung starr miteinander verbundene Antriebe auf- weist, von denen der eine auf einen federnd gelagerten Abtaster-Träger wirkend diesen in Schwingbewegungen versetzt, während der andere auf einen ebenfalls schwingfähig aufgehängten Gegenkörper wirkend letzteren in Schwingbewegung versetzt; daß das Gewicht des Gegenkörpers wenigstens angenähert dem Gewicht des Abtaster-Trägers plus dem des Abtasters gewählt ist; daß Steuermittel vorhanden sind, welche die Antriebe derart steuern, daß die von ihnen erzeugten Bewegungen, des Abtaster-Trägers und Gegenkörpers stets gegenläufig sind und daß Mittel zum seitlichen Versatz der Abtastlinie des Abtasters vorgesehen sind.

Der besondere Vorteil der neuen Einrichtung liegt darin, daß durch ein Meßsystem in Verbindung mit Steuermitteln die Größe d-er Bewegung verändert werden kann. Außerdem wird hierdurch erreicht, daß die schrittweise Bewegung während der Richtungsumkehr der Schwingbeweguüg erfolgt. :

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Vorteilhafte Ausbildungen der neuen Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung mit einem den Abtaster-Träger geradführenden, gleichseitig angreifenden Lenkergetriebe,

Fig. 2 eine Einrichtung mit einem den Abtaster-. Träger geradführenden, ungleichseitig

angreifenden Lenkergetriebe,

Fig. 3 eine spezielle Ausführungsform eines Lenkergetriebes in Einzelheit,

Fig. 4 ein mittels Membran-Federn geradgeführter Abtaster-Träger in perspektivischer Dar

stellung,

Fig. 5 eine Prinzipskizze für einen Meßwegaufnehmer und

Fig. 6 ein Blockschaltbild für ein Wegmeßsystem " mit Wegbegrenzern.

In Fig. 1 ist schematisch ein U-förmiger Träger 1 dargestellt, in dessen Bodenteil 2 zwei mittenverstärkte Blattfedern 3, 4 eingelassen sind, Die Blatt-

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federn 3, 4 sind nach Art eines Gelenkvierecks angeordnet und tragen an ihren Enden 5, 6 einen Bügel 7 in Form eines Doppel-Z. Ein Arm 8 des Bügels' 7 ist etwa in der Mitte seiner Länge mit einer Verstärkung 9 versehen. Sie nimmt eine zum Bügelboden 10 parallel verlaufende Blattfeder Il auf, die zusammen mit einer an einem Bügelende 12 befestigten mittenverstärkten Blattfeder 13 ein Lenkergetriebe bildet. Die Enden der Blattfedern 12, 13 sind mit einem Abtaster-Träger 16 verbunden, dessen Enden 17, 18 über die Anlenkpunkte hinausragen. Das Ende 17 trägt einen Sensor 19 (oder bei feststehendem Sensor ein abzutastendes Objekt), während das finde 18 in form- oder kraftschlüssiger Verbindung mit einem ersten Antrieb 20 steht, der im Bügelboden 10 montiert ist.

Durch die geeignete Wahl der Längen der Blattfedern 11 und 13 (wie dargestellt) sowie der Relativlagen ihrer Anlenkpunkte schwingt der Abtaster-Träger 16 bei Ingangsetzung des Antriebs 20 durch eine Steuerstufe 38 und führt den.Sensor 19 auf einer mit Doppelpfeil 22 bezeichneten Geraden. Die G_röße der Schwingungsamplitude des Lenkergetriebesist einstellbar. Dazu ist dem Abtaster-Träger 16 ein Wegmeßsystem zugeordnet, das durch einen Skalenträger 23 mit Skala 23 a sowie einen am Abtaster-Träger 16 angeordneten Zeiger 24 angedeutet ist;

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Um das Entstehen funktionsstörender Schwingungen zu verhindern, ist die Einrichtung mit Bauteilen zur Erzeugung eines dynamischen Massenausgleichs versehen. Am Träger 1 ist eine Haltebrücke 25 montiert, in deren Mittelstück 26 ein zweiter Antrieb 27 angeordnet ist. An einem verlängerten Pfeiler 28 der Brücke 25 ist an einer aus mittenverstärkten Federn 29, 30 gebildeten Parallelogrammführung ein Gegenkörper 31 aufgehängt, dessen Masse auf das Gewicht des Abtaster-Trägers 16 plus Sensor 19 abgestimmt ist und der mit dem zweiten Antrieb 27 in Wirkverbindung steht. Der zweite Antrieb 27 wird durch die Steuerstufe 21 in Gang gesetzt. Eine in den Steuerstufen 21, 38 enthaltene, hier aber nicht mitdargestellte Schaltungsanordnung steuert die Antriebe 20 und 27 derart, daß die von ihnen erzeugten Bewegungen zueinander stets gegenläufig sind.

Die Schwingungsamplitude des Gegenkörpers 31 ist mittels eines Wegmeßsystems regulierbar, das durch eine auf dem Antrieb 27 angebrachte Skala 32 und einen Gegenkörper 31 befestigten Zeiger 33 angedeutet ist.

Um eine schrittweise Vorschubbewegung des Abtaster-Trägers 16 senkrecht zu seiner Schwingbewegung zu ermöglichen, sind an den freien Schenkeln 34, 35 des Trägers 1 weitere Antriebseinheiten 36, 37 montiert. Sie wirken auf die Bügelenden 12 a, 12 b des von den ein Gelenkviereck bildenden Blattfedern 3, 4 getragenen Bügels 7 und versetzen diesen in seitliche, senkrecht zu den Schwingungen des Abtaster-Trägers 16 ver-

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laufende Bewegungen.

Die Antriebseinheiten 36,37 werden durch eine Steuereinrichtung 74 in Gang gesetzt. Die Größe der Seitwärtsbewegung ist durch ein Wegmeßsystem regelbar, das durch einen am Bügelenede 12b angebrachten Instrumentenzeiger 23c sowie durch eine weitere am Skalenträger 23 befindliche Skale 23b angedeutet ist. Die Bewegungen der Antriebe 36,37 werden durch die Steuereinrichtung 74 in gleicher Richtung gesteuert.

Durch die Aufhängung des Bügels 7 in den Blattfedern 3,4 erfolgt die Seitwärtsbewegung auf einem Kreisbogen. Um den Arbeitsbereich des Sensors 19 bei seitlichem Versatz seiner Abtastlinie 22 an die durch das Objektfeld gegebene Soll-Lage anzupassen, werden hier Wegmeßsystem 23a,

24. verwendet.

Außerdem wird durch die funktionale Verbindung der Steuereinrichtungen 38 und 74 erreicht, daß das Wirksamwerden der Antriebseinheiten 36,37 erfolgt, wenn der Abtaster-Träger 16 den durch gleichförmige Geschwindigkeit seiner Bewegung definierten Arbeitsbereich verlassen hat· (Umkehrpunkte der Schwingerbewegung).

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte neue Einrichtung unterscheidet sich von der Einrichtung nach Fig. 1 durch einen kompakteren Aufbau und eine Variante des den Abtaster-Träger 16 geradlinig führenden Lenkergetriebes.

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Der kompaktere Aufbau ist dadurch erreicht, daß der Antrieb 27 für den Gegenkörper 31 im Boden 2 des U-förmigen Trägers 1 eingelassenen und die Lage des Sensors 19 Zwischen die Blattfedern 44 und 45 des Lenkergetriebes gelegt ist.

Der an den mittenverstärkten Blattfedern 3, 4 angelenkte Bügel 7 besitzt hier einen langen und einen kurzen Arm 39 bzw. 40. Beide sind mit treppenförmigen Ausnehmungen 41, 42 versehen. Am Ende 43 des Armes 39 ist parallel zum Boden 10 des Bügels 7 und in Richtung des Armes 40 eine versteifte Blattfeder 44 angesetzt. In gleicher Ebene liegend ist eine mittenverstärkte Blattfeder 45 gleicher Länge am Ende 46 des kurzen Armes 40 angeordnet. Die freien Enden der Blattfedern 44 und 45 sind beweglich mit einem Abtaster-Träger 47 verbunden und bilden mit diesem zusammen ein an sich bekanntes Parallellenkergetriebe. Der Abtaster-Träger 47 nimmt den Sensor 19 auf.

Wie zu Fig. 1 beschrieben, wird das Lenkergetriebe vom Antrieb."20 in Schwingung versetzt und seine Schwingungsamplitude vom Meßsystem 23 a, 24 reguliert. Der dynamische Massenausgleich, der Vorschub senkrecht zur Schwingungsrichtung, die Ansteuerung der Antriebe 20, 27, 36 und 37 der seitlichen Vorschubbewegung erfolgen wie zu Fig. 1 beschrieben.

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Ein Lenkergetriebe, das eine besonders kompakte Bauweise der neuen Einrichtung gestattet, ist in Fig. 3 dargestellt. Es besteht aus vier gleichlangen, "die Lenker bildenden, mittenverstärkten Blättfedern 48, 49, 50, 51, die nach Art eines Parallelogramms angeordnet sind. Die Lenker 48 bis 51 verbitten in der einen diagonalen Zuordnung einen mit deicC Sensor 19 versehenen Abtaster-Träger 52 und einen Gegenkörper 53, in der anderen diagonalen Zuordnung Zwischenträger 54,

55. Diese Zwischenträger sind je auf einer im Träger gelagerten, mittenverstärkten Blattfeder 56, 57 geführt. An den Zwischenträgern 54, 55 greifen stets gegeneinander wirkende Antriebe 58, 59 (wie durch Pfeile 60, 61 angedeutet) an und erzeugen einerseits die Bewegung des Abtaster-Trägers 53, wobei die Bewegungen derselben stets gegenläufig sind.

Es ist auch möglich, die Geradführung des Abtaster-Trägers mittels geschlitzter Membranfedern 62, 63 durchzuführen. Im in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwei Membranfedern mit ihrem Rand 64 bzw. 65 in einer hier zylinderförmigen Fassung 66 eingespannt. Ihre Zentren 67, 68 sind durch einen die Membranfedern"62, 63 beidseitig überragenden Abtaster-Träger 69 verbunden. Eines der Enden 70 dient zur Führung des hier nicht mehr dargestellten Sensors 19, während das andere überragende Ende 71 mit einem Stößel 72 eines Antriebs 73 in Wirkverbindung steht.

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Patentabteilung ~ 15 -

Für die in der Fig. 1 und Fig. 2 angedeuteten und in der Beschreibung genannten"Wegmeßsysteme (23a, 24, 23b, 23c, 32, 33, 37) mit wegbegrenzenden Mitteln, sowie für die erforderlichen Steuermittel (21,38) gibt es bekannte Ausführungen.

Als Beispiel nennen wir einen in Fig. 5 im Prinzip skizzierten induktiven Meßwegaufnehmer 75 nach dem Differentialtransformatorprinzip mit eingebauter Steuerelektronik. LVDT Modell 050 DG-D der Firma ALTHEN.

Die eingebaute nicht mit dargestellte Steuerelektronik enthält einen Oszillator, einen Demodulator und einen Verstärker. Sie erlaubt den Betrieb des Wegaufnehmers 75 ohne zusätzliche externe Elektronik, Der Input an einer Primärspule 76 wird einer hier nicht gezeigten Gleichspannungsquelle entnommen. Der Output an den Sekundärspulen 77, 78 ergibt sich in Form einer Gleichspannung je nach Stellung des Schiebekerns 79. In der Mittelstellung des Schiebekerns 79 nimmt die Spannung den Wert 0 an. Bei max. Auslenkung des Schiebekerns erreicht auch der Output Maximalwert. Der Weg des Schiebekerns 79 und die Output-Spannung verhalten sich dabei linear zueinander; d. h., pro 1/10 mm Wegänderung tritt eine Spannungsänderung bestimmter Größe auf. Diese im festen Verhältnis zur Lage des Schiebekerns 79 stehende Output-Spannung wird mit Hilfe von Grenzwertschaltern oder Triggerschaltungen' 80, 81 (Fig. 6) zur Steuerung der Antriebe 20,27,36,37 benutzt. Als Antriebe' können beispielsweise Tauchspulenvibrateren 82 der Firma Kontron verwendet werden, die wie in Fig. 6

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dargestellt im Wesentlichen aus einem Dauermagneten 82 und einer Tauchspule 83 bestehen.

Leerseite

Claims

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Ansprüche

Ι./¹ Einrichtung zum linearen Führen eines Abtasters längs einer vorgegebenen Koordinätenrichtung, beispielsweise bei optischen Geräten, dadurch gekenn zeichnet , daß

a) die Einrichtung zwei in Gegenrichtung zueinander arbeitende, starr miteinander verbundene Antriebe (20, 27; 58, 59) aufweist, von denen der eine (20) auf einen federnd gelagerten Abtaster-Träger (16, 42, 52) wirkend diesen- in Schwingbewegungen versetzt, während der andere (27) auf einen ebenfalls schwingfähig aufgehängten Gegenkörper (31, 53) wirkend letzteren in Schwingbewegungen versetzt;

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b) das Gewicht des Gegenkörpers (31,53) wenigstens angenähert dem Gewicht des Abtaster-Trägers (16,47,52) plus Abtaster (19) gewählt ist;

c) Steuermittel (21,38) vorhanden sind, welche die Antriebe (20,27,58,59) derart steuern, daß die von ihnen erzeugten Bewegungen des Abtaster-Trägers (16,4/,52) und des Gegenkörpers (31,53) zueinander stets gegenläufig sind

und daß

d) Mittel (.3,4,7,36,37,74) zum seitlichen Versatz der Abtastlinie des Abtasters (19) vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Abtaster-Trägers (16,47,52,69) ein Lenkergetriebe (11, 13,44,45,48-51',62,63) vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das Lenkergetriebe zwei Lenker (.44,45) gleicher Länge umfaßt, welche an gegenüberliegenden"Seiten des"Abtaster-Trägers (47) angreifen: - - ' ^:
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Lenkergetriebe zwei Lenker (.11,13) unterschiedlicher Länge umfaßt,

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welche gleichseitig am Abtaster-Träger (.16; angreifen.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Lenkergetriebe vier gleichlange Lenker (48-51) umfaßt, die nach Art eines Parallelogramms angeordnet sind, daß diese Lenker (48-51) in diagonaler Zuordnung einerseits den Abtaster-Träger (52) plus Abtaster (19) bzw. den Gegenkörper (53), sowie in Richtung der anderen Diagonalen zwei Zwischenträger (54,55) miteinander verbinden, und daß an diesen Zwischenträgern (54,55) die gegeneinander wirkenden Antriebe (58,59) angreifen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur Lagerung der Lenkeranordnung zwei weitere Lenker (56,57) vorgesehen sind, die je einerseits an ortsfesten Punkten andererseits an den Zwischenträgern (54,55) angreifen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Führung des Abtaster-Trägers (69) zwei mit ihren Ebenen in einem Abstand ' parallel zueinander angeordnete Membran-Federn (62,63) vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadu-rch gekennzeichnet, daß dem Träger (16,47,52,69) des Abtasters (19) ein Wegmeßsystem (23a, 24) zugeordnet ist.

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9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet , daß den Mitteln (3,4,7, 36,37,74) zum seitlichen Versatz der Abtastlinie ein Wegmeßsystem (23 b, 23 c) zugeordnet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem auf den Gegenkörper (31) wirkenden Antrieb (27) ein Wegmeßsystem (32,33,37)'zugeordnet ist. ' " ■
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Abtaster-Träger (16,47) zugeordnete Wegmeßsystem (23a, 24) Bestandteil einer Steuereinrichtung (38) ist., welche den Arbeitsbereich des Abtasters (19) bei seitlichem Versatz seiner Abtastlinie unter Verwendung begrenzender Mittel an die durch das Objektfeld gegebene Soll-Lage anpaßt. ·
12. Einrichtung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermittel (21, 38) eine elektronische Schaltung zur Linearisierung der Schwingbewegungen des Abtaster-Trägers (16,4/,52,69) sowie des Gegenkörpers-(31,53) umfassend
13. Einrichtung nach Anspruch 1 und 8, dadurch g ekennz e i chnet , daß weitere Steuermittel vorhanden sind, welche das Wirksamwerden der Mittel (3, 4,7,36,37,74) zum seitlichen Versatz der Abtastlinie"

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des Abtasters (19) jeweils dann sicherstellen, wenn der Abtaster-Träger (16,47,52,69) den durch gleichförmige Geschwindigkeit seiner Bewegung definierten Arbeitsbereich verlassen hat.