DE3330476C2 - - Google Patents

Description

Zur manuellen Bewegungssteuerung von motorgetriebenen Maschinen oder Instrumententeilen werden häufig Steuerknüppel verwendet, deren Ausschlag 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.

Steuerknüppel 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 vorwiegend 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 stört 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.

Es 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 zusätzliches Bedienelement erfordern und vom Benutzer ein Umgreifen bei der Bedienung verlangen.

Aus der US-PS 35 41 521 ist eine Anordnung zur Steuerung der Bewegung eines Cursors auf einem Bildschirm bekannt, in der die von einer Rollkugel abgegebenen Steuersignale mit einem Faktor multipliziert werden, der von der Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung abhängig ist.

Dieser Faktor ist in der bekannten Anordnung so gewählt, daß bei ansteigender Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung nach Überschreiten voreingestellter Schwellen jeweils eine Verdoppelung der Frequenz des Steuersignals eintritt.

Eine derartig grobe Abstufung macht sich jedoch sehr störend bemerkbar, wenn die Anordnung zur Lagesteuerung von Geräten oder Maschinen benutzt werden soll, da dies zu ruckartigen Beschleunigungen und Verzögerungen des bewegten Teils führt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches so zu gestalten, daß die Änderung der Geschwindigkeit des von der Anordung gesteuerten Teils in möglichst feinen Abstufungen erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale dadurch gelöst, daß den Signalvervielfacherstufen jeweils Teiler bzw. Zähler nachgeschaltet sind, die eine Herabsetzung der Frequenz der Signalfolgen am Ausgang der Signalvervielfacherstufen bewirken.

Aus diese Weise wird erreicht, daß auch bei einer Signalvervielfachung durch ganzzahlige Faktoren die Frequenz der Signale am Ausgang der Anordnung fein abgestuft und damit den Erfordernissen nach einer möglichst ruckfreien Beschleunigung und Verzögerung des angetriebenen Teils angepaßt werden kann.

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 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 Betätigungsgeschwindigkeit entsprechend auswählt. Damit ist höchste Flexibilität 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, die spezielle Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert.

Fig. 1 ist eine beispielhafte perspektivische Darstellung eines Anwendungsfalles 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. Eine bekannte Bauart 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 (11 X) und (11 Y) zugeführt, die für jede Koordinate aus den phasenverschobenen Signalpaaren (X 1/X 2) und (Y 1/Y 2) 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 (X 1) oder (X 2) bzw. (Y 1) oder (Y 2) entspricht.

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

Die beiden Ausgangssignale (X′) und (Y′) der Schaltungen (12 X) und (12 Y) werden in einer Verknüpfungsschaltung (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. Die Schaltung (14) generiert ein Signal (F), dessen Größe in nichtlinearer, sondern von der Datentabelle bestimmten Weise von dem Signal (M) abhängt. Die Verknüpfungsschaltungen (13) und Schaltung (14) können beispielsweise durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor realisiert sein.

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

Mit (15 X) und (15 Y) 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 (16 X) und (16 Y), mit dem die Frequenzen der Signalfolgen am Ausgang der Multiplizierer (15 X) und (15 Y) durch einen konstanten Faktor dividiert werden. Die Ausgänge der Teiler (16 X) und (16 Y) liefern daher Impulse

deren Anzahl dem Betätigungsweg der Rollkugel (1) in den beiden Koordinaten multipliziert mit einem vom Mittelwert der Geschwindigkeiten der Bewegungen abhängigen Faktor entspricht.

Mit dieser Verschaltung ist es möglich, den Tisch (5) des Mikroskops (4) aus Fig. 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 (16 X) und (16 Y) 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 wahrgenommenen 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 , das nur bei Bewegung in positiver X-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,
• 2. ein Signal , das nur bei Bewegung in negativer X-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,
• 3. ein Signal , das nur bei Bewegung in positiver Y-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,
• 4. ein Signal , das nur bei Bewegung in negativer Y-Richtung aus einem Rechtecksignal besteht und sonst den Wert 0 annimmt,

Die Signale (XP) und (XM) sowie die Signale (YP) und (YM) werden paarweise auf zwei Oder-Glieder (21 X) und (21 Y) gegeben, denen je ein Frequenz-Spannungswandler (22 X) und (22 Y) folgen. Deren Ausgänge (X′) und (Y′) sind über die Dioden bestehend aus der Verknüpfungsschaltung (DX, DY) zusammengeschaltet. Das so erzeugte, dem Maximum der Frequenzen auf einem der Eingänge (XP), (XM), (YP) oder (YM) abhängige Analogsignal durchläuft einen Signal-Verstärker (23) mit progressiver, nichtlinearer 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 ist.

Die Signale (XP), (XM), (YP) und (YM) werden außerdem je einem von vier monostabilen Flip-Flops (26 a-26 d) zugeführt, denen je ein bistabiles Flip-Flop (27 a-27 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 monostabilen Flip-Flops (26) jeweils aktiviert sind, die nachfolgenden bistabilen Flip-Flops (27) durch jeden Impuls des Oszillators (25) umgestellt. Die Zeitkonstante der monostabilen Flip-Flops ist so gewählt, daß sie mindestens einer Periode des Oszillators (25) bei dessen niedrigster Frequenz entspricht.

Die Ausgänge der bistabilen Flip-Flops (27) liefern also für jede der vier Koordinatenrichtungen ein Signal, dessen Frequenz des entsprechenden Ausganges

der Rollkugel (1) multipliziert mit der halben Frequenz des Oszillators (25) entspricht.

Durch nachgeschaltete Zähler (28 a-28 d), die sich bei jedem Überlauf wieder zurücksetzen wird diese Frequenz erniedrigt. Die Reset-Eingänge der Zähler (28 a, 28 b) und (28 c, 28 d) sind jeweils paarweise mit den Eingängen der ihrer komplimentären Koordinate zugeordneten Zähler (28 b, 28 a) und (28 d, 28 c) verbunden. Damit wird erreicht, daß jede Richtungsumkehr der Rollkugel in einer der Koordinaten (X) und (Y) den jeweiligen Zähler (28) auf Null zurücksetzt.

Durch eine geeignete Abstimmung der Periodendauer der monostabilen Flip-Flops (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

in den Ausgängen der Zähler (28) dienen wieder zur Ansteuerung der von der Rollkugel betätigten Schrittmotoren.

Bei dieser Ausführungsform hängt also das Übersetzungsverhältnis der Anordnung nicht nur von der Geschwindigkeit der Rollkugelbetätigung, sondern wegen der Kupplung 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.

Aus Potentiometer (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 Abbildungs­ maßstab des Objektivs steuern, um den oben genannten Effekt zu erzielen. Eine solche digitale Lösung bietet gegenüber der beschriebenen analogen Variante Vorteile.

Claims (12)

1. Anordnung zur Steuerung der Bewegung von motorgetriebenen Maschinen oder Instrumententeilen unter Verwendung einer wegproportional Signale abgebenden Betätigungshandhabe (1), wobei die Anordnung eine Schaltung mit Signalvervielfacherstufen enthält, in der die von der Betätigungshandhabe gelieferten digitalen Signale mit einem Faktor (F; I) vervielfacht werden, der von der Geschwindigkeit der Betätigungsbewegung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß den Signalvervielfacherstufen (15; 27) jeweils Teiler (16) bzw. Zähler (28) nachgeschaltet sind, die eine Herabsetzung der Frequenz der Signalfolgen am Ausgang der Signalvervielfacherstufen bewirken.

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

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (F) vom Betrag der Geschwindigkeiten der Betätigungsbewegungen in den einzelnen Koordinaten abgeleitet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (I) vom Maximum oder von der Summe der Geschwindigkeiten der Betätigungsbewegungen in den einzelnen Koordinaten (X, Y) abgeleitet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Koordinaten (X; Y) zugeordneten Ausgänge (X 1, X 2; XP, XM) der Betätigungshandhabe (1) sowohl mit den Signalvervielfacherstufen (15; 27) als auch mit Schaltungen (12, 22) zur Geschwindigkeitserkennung verbunden sind und daß die Ausgänge der Schaltungen zur Geschwindigkeits­ erkennung (12, 22) einer Verknüpfungsschaltung (13; DX, DY) zugeführt sind, deren Ausgangssignal allen Steuereingängen der jeweiligen Signalvervielfacherstufen (15; 27) zugeführt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verknüpfungsschaltung (DX, DY) und die Steuereingänge der Signalvervielfacherstufen (27) ein Signalverstärker (23) mit nichtlinearer Kennlinie geschaltet 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.

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

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

11. Anordnung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Verknüpfungsschaltung (DX, DY) und den Steuereingängen der Signalvervielfacher (27) ein von der eingestellten Mikroskopvergrößerung steuerbarer Potentiometer (24) geschaltet ist.

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