DE3330476A1

DE3330476A1 - Anordnung zur steuerung einer bewegung

Info

Publication number: DE3330476A1
Application number: DE19833330476
Authority: DE
Inventors: Adalbert Dipl.-Math. 7080 Aalen-Unterkochen Hanßen; Jürgen Dr. 7082 Oberkochen Schwarz
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3330476C2; US4624537A; GB2145544A; GB2145544B; JPS6069615A; JPH0616245B2; GB8421275D0

Description

* f* · Λ

	Firma Carl	•3-	83026	3330476
5		Zeiss, 7920 Heidenheim (Brenz)
10	Anordnung
15		zur Steuerung einer Bewegung
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Anordnung zur Steuerung einer Bewegung

Zur manuellen Bewegungssteuerung von motorgetriebenen Maschinen oder Instrumententeilen werden häufig Steuerknüppel verwendet, deren Aus-Sschlag die Geschwindigkeit des zu bewegenden Teils bestimmt. Solche Steuerknüppel enthalten in der Regel einen Geber mit progressiver Kennlinie, der dafür sorgt, daß bei Vollausschlag überproportional schnell gefahren wird.

lOsteuerknüppel mit Geschwindigkeitssteuerung sind für feine Positionieraufgaben aber schlecht geeignet, unter anderem wegen des in Mittelstellung vorhandenen Totpunkts. Das Abfahren einer vorgegebenen Bahn beispielsweise ist damit nicht ohne weiteres möglich oder erfordert sehr geübtes Bedienpersonal.

Für feine Positionieraufgaben werden wegproportionale Bedienelemente benötigt, also Betätigungshandhaben, deren Geber ein dem Betätigungsweg proportionales Signal abgibt. Eine solche Handhabe ist beispielsweise das unter dem Namen "Rollkugel" bekannte Bedienelement, das

20vorwiegend als Eingabegerät für Rechenanlagen u.a. zur Steuerung von Marken auf Bildschirmen verwendet wird.

Mit den letztgenannten wegproportionalen Handhaben lassen sich zwar genaue Positionierungen vornehmen. Beim Arbeiten mit solchen Geräten 25stört jedoch der Umstand, daß zum Aufsuchen weit voneinander entfernt liegender Positionen recht lange "gekurbelt" werden muß, umso länger, je feinfühliger die Untersetzung der Betätigungshandhabe eingestellt ist.

30Es liegt nahe, diesem Umstand dadurch abzuhelfen, daß man, in Analogie an beispielsweise für die Fokussierbewegung eines Mikroskops den bekannten, mechanischen, kombinierten Grob/Feintrieben eine zweite Handhabe mit geringerer Untersetzung oder einen Schalter zur Umschaltung des Untersetzungsverhältnisses vorsieht. Dies würde jedoch ein zusätz-

35Üches Bedienelement erfordern und vom Benutzer ein Umgreifen bei der Bedienung verlangen.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung anzugeben, die es gestattet, das gleiche Bedienelement mit proportionaler Charakteristik ohne Umzugreifen sowohl zur feinfühligen Positionierung als auch zum schnellen Abfahren eines größeren Verstellweges zu verwenden.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß die Anordnung eine Schaltung enthält, in der die von der Betätigungshandhabe gelieferten Signale mit einem Faktor multipliziert werden, der von der Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung abhängt.

Die Anordnung kann einfach zwischen die Betätigungshandhabe und das zu steuernde Instrument geschaltet werden und vereinfacht dessen Bedienung in der vorstehend ausgeführten Art und Weise. Die Anordnung erlaubt es, nunmehr auch solche Instrumentenbewegungen mit Hilfe einer einzigen wegproportionalen Betätigungshandhabe auf elektrischem Wege zu steuern, die bislang mit mechanischen Grob/Feintrieben ausgeführt wurden. Mit Vorteil läßt sich die Anordnung beispielsweise zur Steuerung der Bewegung des Objekttisches eines Mikroskops in der Höhe zur Fokussierung oder in der Objektebene zum Absuchen der Probe, zur Steuerung der verfahrbaren Achsen einer Mehrkoordinatenmeßmaschine oder zur Positionierung eines ophthalmologischen Instruments oder eines Operationsmikroskops einsetzen.

Als Handhaben für eindimensionale Bewegungen können handelsübliche Drehgeber dienen. Zur Steuerung mehrdimensionaler Bewegungen ist es zweckmäßig eine ebenfalls handelsübliche, sogenannte Rollkugel zu verwenden.

Der geschwindigkeitsabhängige Faktor nimmt zweckmäßig mit der Betätigungsgeschwindigkeit zu und kann beispielsweise der Betätigungsgeschwindigkeit proportional sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn dieser Faktor aus einem der Betätigungsgeschwindigkeit zugeordneten Wert gemäß einer vorgegebenen Funktion gebildet wird. Realisieren läßt sich das durch die Verwendung eines Verstärkers mit nichtlinearer Kennlinie oder eines Mikroprozessors, der den Faktor aus einer vorgegebenen, frei programmierten Datentabelle der Betätigungs-

geschwindigkeit entsprechend auswählt. Damit ist höchste Flexibiltät bei der Anpassung der Motorik der Bedienperson an die gestellte Positionieraufgabe gewährleistet.

Um die Richtungstreue der Verstellbewegung bei mehrdimensionalen Handhaben wie z.B. einer Rollkugel zu gewährleisten, ist es erforderlich, daß die von der Handhabe abgegebenen, den einzelnen Koordinaten zugeordneten Signale mit dem gleichen Faktor multipliziert werden. Dieser Faktor kann durch den Mittelwert oder das Maximum der Beträge der Geschwindigkeiten der Betätigungsbewegungen in den einzelnen Koordinaten bestimmt sein, ist diesen Größen beispielsweise proportional.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen und werden nachstehend anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen, die spezielle Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert:

Fig. 1 ist eine beispielhafte perspektivische Darstellung eines Anwendungfalles der Erfindung,-

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,·

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein Mikroskop 4 dargestellt, das einen motorisch verstellbaren Kreuztisch 5 besitzt. Bei den Verstellantrieben 6 und 8 für die Koordinaten X und Y handelt es sich um Schrittmotore, die von den ihnen zugeordneten Schaltungen 8 und 9 angesteuert werden.

Als Handhabe, die das Steuersignal für die Schrittmotore liefert, dient eine Rollkugel 1. Sie besteht aus einem im Gehäuse 1 frei drehbar gelagerten Ball, der mit zwei Drehgebern gekoppelt ist. Bei der Steuerkuppel kann es sich beispielsweise um den Typ RB 300 der Fa. Teldix GmbH, Heidelberg handeln. Dieser Typ gibt pro Koordinate je zwei um 90° phasenverschobene Rechteckspannungen mit TTL-Pegel ab und liefert 300 Impulse pro Umdrehung.

Die Ausgangssignale werden von einer zwischen die Rollkugel 1 und die Antriebe 6 und 8 geschalteten Anordnung 10 mit einem von der Geschwindigkeit der Betätigung des Balles 3 abhängigen Faktor multipliziert. Die Anordnung 10 besitzt den im Blockschaltbild nach Fig. 2 im folgenden detailliert dargestellten Aufbau:

Die Ausgänge der Rollkugel 1 sind zwei identischen Schaltungen 11X und 11Y zugeführt, die für jede Koordinate aus den phasenverschobenen Signalpaaren X1/X2 und Y1/Y2 ein das Vorzeichen der Rollbewegung charakterisierendes Signal XV bzw. YV und eine das Ausmaß der Bewegungen charakterisierende Impulsfolge XI bzw. YI bilden, deren Frequenz dem der Signalfolgen Xl oder X2 bzw. Yl oder Y2 entspricht.

Die Signale XV und YV werden den Steuerteilen 7 bzw. 9 der Motoren 6 und 8 des in Figur 1 dargestellten Instruments direkt zugeführt. Die Signale XI und YI gelangen dagegen auf die Eingänge zweier ebenfalls identischer Schaltungen 12X und 12Y, in denen der Impulsfrequenz XI bzw. YI proportionale Signale X' bzw. Y' gebildet werden. Bei diesen Schaltungen 12X und 12Y kann es sich beispielsweise um Frequenz/Spannungswandler handeln.

Die beiden Ausgangssignale X' und Y' der Schaltungen 12X und 12Y werden in einer Schaltung 13 zusammengeführt, die den Mittelwert M der Signale X' und Y' bildet. Darauf folgt eine weitere Schaltung 14, in der das Signal M mit den eingespeicherten Werten einer Datentabelle verglichen wird. Diese Schaltung generiert ein Signal F, dessen Größe in nichtlinearer, sondern von der Datentabelle bestimmten Weise von dem Signal M abhängt. Die Schaltungen 13 und 14 können beispielsweise durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor realisiert sein.

Für den Fall, daß es sich bei den Schaltungen 12X und 12Y um Frequenz-Spannungswandler handelt, empfiehlt sich jedoch für die Schaltung 14 die Verwendung eines Verstärkers mit geeigneter Kennlinie.

Mit 15X und 15Y sind zwei identische Multiplikatorschaltungen bezeichnet, in denen die Anzahl der Impulse der Signalfolgen XI und YI mit

einem dem Signal F proportionalen Faktor multipliziert werden. Darauf folgen je ein Teiler ToX und 16Y, mit dem die Frequenzen der Signalfolgen am Ausgang der Multiplizierer 15X und 15Y durch einen konstanten Faktor dividiert werden. Die Ausgänge der Teiler 16X und 16Y liefern daher Impulse XI und YI, deren Anzahl dem Betätigungsweg der Rollkugel 1 in den beiden Koordinaten multipliziert mit einem vom Mittelwert der Geschwindigkeiten der Bewegungen abhängigen Faktor entspricht.

Ί0 Mit dieser Beschaltung ist es möglich, den Tisch 5 des Mikroskops aus Figur 1 rasch über große Strecken zu verstellen, indem der Ball 3 der Rollkugel 1 sehr schnell gedreht wird. Nach dem Erreichen der Zielposition kann diese sehr feinfühlig allein durch entsprechend langsames Verdrehen des Balles 3 eingestellt werden.

Wenn der Divisor der Teiler 16X bzw. 16Y variabel ist und abhängig vom Abbildungsmaßstab des Mikroskopobjektivs gesteuert wird, läßt sich erreichen, daß die Untersetzung zwischen der Bewegung der Betätigungshandhabe und der bewirkten Verschiebung des vom Beobachter wahrgenom- menen Bildes unabhängig von der eingestellten Vergrößerung stets den vorliegenden Verhältnissen optimal angepaßt ist.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform für die schaltungstechnische Auslegung der Anordnung 10 dargestellt. Diese Ausführungsform ist an eine Rollkugel angepaßt, die folgende Ausgangssignale liefert:

1. Ein Signal XP, das nur bei Bewegung in positiver X-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,

2. ein Signal XN, das nur bei Bewegung in negativer X-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,

3. ein Signal YP, das nur bei Bewegung in positiver Y-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht, und sonst den Wert 0 annimmt,

4. ein Signal YN, das nur bei Bewegung in negativer Y-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt.

Λ Λ

Eine solche Rollkugel ist beispielsweise der Typ LT 200 der Fa. Disc Instruments Inc., Costa Mesa, CA, USA.

Die Signale XP und XN sowie die Signale YP und YN werden paarweise auf zwei Oder-Glieder 21X und 21Y gegeben, denen je ein Frequenz-Spannungswandler 22X und 22Y folgen. Deren Ausgänge X' und Y' sind über die Dioden D zusammengeschaltet. Das so erzeugte, dem Maximum der Frequenzen auf einem der Eingänge XP, XN, YP oder YN abhängige Analogsignal durchläuft einen nichtlinearen Verstärker 23 mit progressiver Kennlinie und wird von einem darauffolgenden Potentiometer 24 geteilt, dessen Abgriff mit dem Objektivrevolver des Mikroskops gekoppelt ist. Das geteilte Analogsignal wird einem spannungsgesteuerten Oszillator 25 zugeführt, dessen Frequenz von dem Abbildungsmaßstab des Mikroskopobjektivs und der Geschwindigkeit der Rollkugelbetätigung abhängig

Die Signale XP, XN, YP und YN werden außerdem je einem von vier monostabilen Flip-Flops 2oa-d zugeführt, denen je ein bistabiles Flip-Flop 27a-d nachgeschaltet ist. Mit dem Clock-Eingang jedes bistabilen Flip-Flops 27 ist der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 25 verbunden. Somit werden in der Zeit, in der die Monoflops 26 jeweils aktiviert sind, die nachfolgenden bistabilen Flip-Flops 27 durch jeden Impuls des Oszillators 25 umgestellt. Die Zeitkonstante der Monoflops ist so gewählt, das sie mindestens einer Periode des Oszillators 25 bei dessen niedrigster Frequenz entspricht.

Die Ausgänge der Flip-Flops 27 liefern also für jede der vier Koordinatenrichtungen ein Signal, dessen Frequenz der Frequenz des entsprechenden Ausganges XP, XN bzw. YP, YN der Rollkugel 1 multipliziert mit der halben Frequenz des Oszillators 25 entspricht.

Durch nachgeschaltete Zähler 28a-d, die sich bei jedem Überlauf wieder zurücksetzen, wird diese Frequenz erniedrigt. Die Reset-Eingänge der Zähler 28a,b und 28c,d sind jeweils paarweise mit den Eingängen der ihrer komplementären Koordinate zugeordneten Zähler 28b,α und 28d,c verbunden. Damit wird erreicht, daß jede Richtungsumkehr der Rollkugel

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in einer der Koordinaten X oder Y den jeweiligen Zähler 28 auf Null zurücksetzt.

Durch eine geeignete Abstimmung der Periodendauer der Monoflops 26, der unteren Frequenzgrenze des Oszillators 25 und die Anzahl der Bits der Zähler 28 läßt sich erreichen, daß deren Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Rollkugelbetätigung genügend fein abgestuft ist.

Die Signale XP, XN, YP und YN in den Ausgängen der Zähler 28 dienen wieder zur Ansteuerung der von der Rollkugel betätigten Schrittmoto

Bei dieser Ausführungsform hängt also das Übersetzungsverhältnis der Anordnung nicht nur von der Geschwindigkeit der Rollkugelbetätigung, sondern wegen der Kopplung des Potentiometers 24 mit dem Objektivrevolver außerdem vom Abbildungsmaßstab des gewählten Objektivs ab. Dies hat den Vorteil, daß die Verschiebung des vom Beobachter wahrgenommenen Bildes unabhängig von dem gerade verwendeten Objektiv ist und damit immer gleich feinfühlig erfolgen kann.

Auf den Teiler 24 kann verzichtet werden, wenn die Anzahl der Bits der Zähler 28 variabel ist. In diesem Falle würde man die Einstellung der Zähler abhängig von dem Abbildungsmaßstab des Objektivs steuern, um den obengenannten Effekt zu erzielen. Eine solche digitale Lösung bietet gegenüber der beschriebenen analogen Variante Vorteile.

Claims

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Patentansprüche:

( ]J Anordnung zur Steuerung einer Bewegung unter Verwendung einer wegproportional Signale abgebenden Betätigungshandhabe (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (10) eine Schaltung ( 15;27) enthält, in der die von der Betätigungshandhabe gelieferten Signale mit einem Faktor (F;I) vervielfacht werden, der von der Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung abhängt.

^O 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (F;I) mit der Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung zunimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (F) aus einem der Betätigungsgeschwindigkeit zugeordneten Wert gemäß einer vorgegebenen Funktion gebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer mehrdimensionalen Handhabe (1), die den einzelnen Koordinaten (X,Y) zugeordneten Signale mit einem gemeinsamen Faktor (F;I) multipliziert werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (F) vom Betrag der Geschwindigkeiten der Betätigungsbewegungen in den einzelnen Koordinaten abgeleitet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (I) vom Maximum oder von der Summe der Geschwindigkeiten der Betätigungsbewegungen in den einzelnen Koordinaten (X, Y) abgeleitet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Steuerung der Bewegung des Objekttisches (5) oder des Fokusantriebs an einem Mikroskop (4).

8. Anordnung nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Steuerung der verfahrbaren Achsen einer Mehrkoordinaten- Meßmaschine.

J. 113P476

9. Anordnung nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Steuerung der Verstellbewegung eines ophthalmologischen Instruments oder Operationsmikroskopes.

10. Anordnung nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabe eine Rollkugel (1) ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Koordinaten (X;Y) zugeordneten Ausgänge (Xl,X2; XP,XN) der Betätigungshandhabe (1) sowohl mit Schaltungen (15;27) zur Signalvervielfachung als auch mit Schaltungen (12,22) zur Geschwindigkeitserkennung verbunden sind und daß die Ausgänge der Schaltungen zur Geschwindigkeitserkennung einer Verknüpfungsschaltung ( 13;D) zugeführt sind, dessen Ausgangssignal allen Steuereingängen der jeweiligen Vervielfacherschaltungen { 15;27) zugeführt ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verknüpfungsschaltung (D) und die Steuereingänge der Signalvervielfacherstufen (27) ein Signalverstärker (23) mit nichtlinearer Kennlinie geschaltet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (F;I) von der Mikroskopvergrößerung abhängig ist.

2514. Anordnung nach Anspruch 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Verknüpfungsschaltung (D) und den Steuereingängen der Signalvervielfacher (27) ein von der eingestellten Mikroskopvergrösserung steuerbarer Teiler (24) geschaltet ist.

3015. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Signal Vervielfacherstufen (15;27) jeweils Teiler (16) bzw. Zähler (28) nachgeschaltet sind.

16. Anordnung nach Anspruch 7 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der - Divisor der Teiler (16) bzw. die Anzahl der Bits der Zähler (28) abhängig von der gewählten Mikroskopvergrößerung einstellbar ist.