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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Digitalisierungvorrichtung, in welcher die Oberfläche eines Modells
mittels eines Tastkopfs abgetastet wird, der die Distanz
berührungslos mißt, um dadurch Digitalisierungsdaten längs
eines Kopierwegs zu bilden.
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In einer gewöhnlichen Abtaststiftsteuerung wird ein
Abtaststift bewegt, während er sich in Berührung mit der
Oberfläche eines Modells befindet, und es werden
Abweichungsgrößen εx, εy, εz längs betreffenden Achsen, welche Größen
von dem Abtastweg auf der Modelloberfläche abhängen, von
dem Abtastkopf erfaßt. In einer
Abtaststiftsteuereinrichtung werden die Abweichungsgrößen εx, εy, εz längs der
betreffenden Achsen zu einem Vektor zusammengesetzt, und die
Richtung einer Senkrechten zu der Modelloberfläche wird
berechnet, um Profilierungsdaten zu bilden. Wenn anschließend
die Bearbeitung auf der Grundlage der Digitalisierungsdaten
durchgeführt wird, werden Versatzwerte, die mit den axialen
Komponenten des senkechten Vektors übereinstimmen,
bestimmt, und es wird eine Differenz zwischen dem
Abtaststiftdurchmesser und einem Schneidwerkzeugdurchmesser
mittels einer dreidimensionalen Korrrektur korrigiert.
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Beim Digitalisieren auf der Grundlage dieses herkömmlichen
Berührungs-Profilierungssystems gibt die Richtung der
Abweichung infolge der Reibung zwischen dem Abtaststift und
dem Modell die Senkrechten-Richtung der Modelloberfläche
nicht genau wieder, und es ist wegen der Auswirkungen von
Störungen, wie sie durch die Rauhigkeit der
Modelloberfläche verursacht werden, schwierig, akkurate
Digitalisierungsdaten zu bilden. Zusätzlich kann infolge des ungenauen
Senkrechten-Vektors die ursprüngliche Modellform zur Zeit
der Bearbeitung selbst dann nicht reproduziert werden, wenn
der Schneidwerkzeugdurchmesser in drei Dimensionen
kompensiert wird.
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Bezüglich dieses Problems sei auf die Druckschrift
DE-A-3445981 hingewiesen.
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Die vorliegende Erfindung ist entstanden, um die zuvor
erläuterten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe besteht
darin, eine Digitalisierungsvorrichtung zu schaffen, in der
die Digitalisierung einer Modelloberfläche zweimal unter
Benutzung eines berührungslosen Tastkopfs durchgeführt wird
und die Richtung der Senkrechten akkurat bestimmt wird, um
eine hochgenaue dreidimensionale Korrektur zu ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
Digitalisierungsvorrichtung vorgesehen, in der die Oberfläche eines Modells
mittels eines Tastkopfs abgetastet wird, der eine Distanz
berührungslos mißt, um dadurch Digitalsierungsdaten längs
eines Kopierwegs zu bilden, mit einem
Kopierrichtungs-Einstellmittel zum Einstellen einer ersten Kopierrichtung, die
den Kopierweg definiert, und einer zweiten Kopierrichtung,
welche die erste Kopierrichtung senkrecht durchschneidet,
einem Speichermittel zum Speichern von Tangentenvektoren,
die aus einer Abweichungsgröße der Abweichung zwischen der
Tastkopfmessungs-Distanz und einer Referenz-Distanz in
jeder der Kopierrichtungen berechnet sind, einem
arithmetischen Mittel zum Berechnen aus senkrechten Vektoren, die
senkrecht die Tangentenvektoren durchschneiden und die auf
der Grundlage dieser Tangentenvektoren berechnet sind,
eines in bezug auf die Oberfläche des Modells senkrechten
Vektors an jedem Punkt der Durchschneidung zwischen den
zwei Kopierrichtungen, wobei jeder senkrechte Vektor die
Summe der zugehörigen senkrechten Vektoren ist, und einem
Korrekturmittel zum Korrigieren der Digitalisierungsdaten,
die in bezug auf die erste Kopierrichtung gebildet sind,
auf der Grundlage der senkrechten Vektoren und eines
Schneidwerkzeugs, das beim praktischen Ausführen der
Digitalisierungsdaten
benutzt wird.
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Die Digitalisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist derart beschaffen, daß die Oberfläche eines
Modells M zweimal unter Benutzung eines berührungslosen
Abtastkopfs, wie dies z. B. in Fig. 4 gezeigt ist,
digitalisiert wird, nämlich längs eines ersten Kopierwegs und eines
zweiten Kopierwegs, so daß die Richtung der Senkrechten zu
dem digitalisierten Modell akkurat korrigiert werden kann
und Digitalisierungsdaten gebildet werden können, die
hochgenaue dreidimensionale Korrekturrichtungsdaten enthalten.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfidung darstellt.
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Fig. 2 zeigt eine Darstellung zum Beschreiben des
berührungslosen Kopierens.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine
Digitalisierungsvorrichtung, die einen Abtastkopf
steuert.
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Fig. 4 zeigt eine Ansicht, die zwei Kopierwege zum
Digitalisieren einer Modelloberfläche darstellt.
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Fig. 5 u. Fig. 6 zeigen Darstellungen, die ein Beispiel
einer Prozedur zum Berechnen eines senkrechten Vektors
an einem Punkt einer Durchneidung verdeutlichen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung im einzelnen anhand der Figuren beschrieben.
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Zunächst wird ein berührungsloses Kopieren anhand von Fig.
2 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, in
dem Profilierungsdaten gebildet werden, ohne eine Berührung
mit der Oberfläche eines Modells herzustellen, und zwar
mittels eines Abtastkopfs P, wie einem Laser-Abtastkopf,
mittels eines Abtastkopfs P, wie einem Laser-Abastkopf,
der eine Distanz berührungslos mißt. Der Abtastkopf wird
üblicherweise auf eine Referenz-Distanz eingestellt und
gibt die Differenz zwischen dieser Distanz und einer
tatsächlich gemessenen Distanz als eine Abweichungsgröße aus.
Im einzelnen werden Punkte A, B u. C auf der Oberfläche
eines Modells M als geeignet ausgewählte Abtastpunkte
benutzt. Um Profilierungsdaten für diese Oberfläche zu
bilden, wird zunächst eine vertikale Distanz L&sub1; von Punkt A zu
einem Abtastkopf P gemessen. Dann wird der Abtastkopf P zu
dem nächsten Abtastpunkt B bewegt, während eine
Korrekturoperation angewendet wird, die einer Abweichungsgröße ΔL&sub1;
(= L&sub1;-L&sub0;) zwischen der gemessenen Distanz und einer
Referenz-Distanz L&sub0; längs der Meßachse entspricht. Als nächstes
wird eine vertikale Distanz L&sub2; bei Punkt B gemessen, um in
gleicher Weise eine Abweichungsgröße ΔL&sub2; zu messen, und
dann wird der Abtastkopf nach Punkt C bewegt, während diese
Abweichungsgröße korrigiert wird. Auf diese Weise werden
Positions-Koordinaten der drei Abtastpunkte innerhalb des
dreidimensionalen Raums bestimmt, so daß Profilierungsdaten
längs des Kopierwegs digital abgetaset werden können.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine
Digitalisierungsvorrichtung zum Steuern des Abtastkopfs P
darstellt, der das zuvor beschriebene berührungslose
Kopieren durchführt.
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Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine
Abtaststift-Steuereinrichtung, die Bezugszeichen 12Z, 12X bezeichnen D/A-Wandler
zum D/A-Wandeln von digitalen Geschwindkeitssignalen Vx, Vz
längs der betreffenden Achsen, welche Signale durch die
Abtaststift-Steuereinrichtung 11 erzeugt sind, und die
Bezugszeichen 13Z, 13X bezeichnen Servoschaltungen für die
betreffenden Achsen. Die Bezugszeichen 14Z, 14X bezeichnen
Motoren zum Treiben längs der Z-Achse bzw. der X-Achse. Die
Bezugszeichen 15Z, 15X bezeichnen
Positionserfassungs-Impulscodierer zum Erzeugen betreffender Impulse Pz, Px
jedesmal dann, wenn die entsprechenden Motoren durch einen
vorbestimmten Winkel drehen, und die Bezugszeichen 16Z, 16X
bezeichnen Positionsregister für die betreffenden Achsen
zum Überwachen der gegenwärtigen Position (Xn, Zn) längs
der Achsen durch umkehrbare Abzählvorgänge in Abhängigkeit
von der Richtung der Bewegung, wobei die Impulse durch die
entsprechenden Impulscodierer erzeugt sind.
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Die Abtaststift-Steuereinrichtung 11 empfängt als
Eingangssignale die erforderlichen Daten betreffend sowohl eine
befohlene Geschwindigkeit Vcmd, Kopiergrenzen und
Kopierverfahren usw. von einer Steuertafel (nicht gezeigt) als auch
eine gemessene Distanz L von dem Abtastkopf P. Wenn diese
Eingangssignale eintreffen, berechnet die
Abtaststift-Steuereinrichtung 11 die Abweichungsgröße ΔL zwischen der
gemessenen Distanz und der Referenz-Distanz L&sub0; und berechnet
aus der Abweichungsgröße ΔL sowohl die Geschwindigkeit des
Abtastkopfs P in der senkrechten Richtung als auch die
Geschwindigkeit desselben in einer tangentialen Richtung.
Außerdem werden der Abtaststift-Steuereinrichtung 11 die
gegenwärtigen axialen Positionen (Xn, Zn) synchron mit der
Berechnungsperiode eingegeben. Die Steuereinrichtung 11
berechnet den Winkel der Neigung der Modelloberfläche in der
Kopierrichtung und auf der Grundlage dieses Neigungswinkels
und der Geschwindigkeiten in den senkrechten und
tangentialen Richtungen und gibt die axialen Geschwindigkeitssignale
Vx, Vz an die D/A-Wandler 12X, 12Z als Profilierungsdaten
aus. Die Bewegung des Abtastkopfs P wird bei der befohlenen
Kopiergeschwindigkeit Vcmd gesteuert, während der
Abtastkopf in der Referenz-Distanz L&sub0; oberhalb der Oberfläche des
Modells M gehalten wird.
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Die Profilierungsdaten (Vx, Vz), die durch die zuvor
beschriebene Digitalisierungsvorrichtung ausgegeben werden,
werden durch fortgesetztes Aufnehmen von Punkten auf dem
Kopierweg der Oberfläche des Modells M gewonnen. Es muß
eine Korrektur entsprechend dem Durchmesser des
Schneidwerkzeugs
durchgeführt werden, um die eigentliche
Bearbeitung auf der Grundlage der Digitalisierungsdaten
durchzuführen. Da die Schneidwerkzeugdurchmesser-Korrektur in drei
Dimensionen in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des
Modells N durchgeführt wird, ist es notwendig, um die
Schneidwerkzeugdurchmesser-Korrektur korrekt durchzuführen,
die Richtung der Senkrechten zu der Modelloberfläche bei
jedem Punkt auf dem Kopierweg durch irgendein Verfahren zu
berechnen und die Richtung der dreidimensionalen Korrektur
zu bestimmen. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung
die Richtung der Senkrechten korrekt mittels zweifacher
Durchführung einer Digitalisierung auf der Oberfläche des
Modells, nämlich längs eines ersten Kopierwegs 1 und eines
zweiten Kopierwegs 2 bestimmt, wie dies in Fig. 4 gezeigt
ist.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das den allgemeinen
Aufbau der zuvor erläuterten Abtaststift-Steuereinrichtung 11
darstellt. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine
Kopierrichtungs-Einstelleinheit zum Einstellen von Kopierrichtungen,
die den zweiten Kopierweg 2 definieren, welcher eine
Vielzahl von Punkten der Durchschneidung mit dem ersten
Kopierweg 1 in vorbestimmten Intervallen bildet. Das
Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Kopierrichtungs-Berechnungseinheit
zum Berechnen einer Kopierrichtung, das Bezugszeichen 5
bezeichnet einen Addierer zum Berechnen der Abweichungsgröße
ΔL zwischen der gemessenen Distanz L und der
Referenz-Distanz L&sub0;, das Hezugszeichen 6 bezeichnet eine
Geschwindigkeitssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines
Senkrechtenrichtungs-Geschwindigkeitssignals Vn, das Bezugszeichen
7 bezeichnet eine Geschwindigkeitssignal-Erzeugungseinheit
zum Erzeugen eines
Tangentialrichtungs-Gechwindigkeitssignals, das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Speicher zum
Speichern eines Tantentialrichtungs-Geschwindigkeitssignals
Vt, das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Senkrechtenvektor-
Berechnungseinheit zum Berechnen eines Senkrechtenvektors
an einem Punkt der Durchschneidung zwischen den zwei
Kopierwegen,
und das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine
Profilierungsdaten-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von
Profilierungsdaten aus den berechneten Kopierrichtungs- u.
Geschwindigkeitssignalen.
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Im folgenden wird der Vorgang zum berührungslosen Kopieren
mitttels der Vorrichtung beschrieben, die den angegebenen
Aufbau hat.
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Zunächst wird der Abtastkopf P längs des ersten Kopierwegs
1 bewegt, die Ergebnisse werden digitalisiert, und es wird
eine Folge von Tangentialvektoren, wovon jeder auf der
Abweichungsgröße zwischen der gemessenen Distanz und der
Referenz-Distanz des Abtastkopfes P basiert, die zu diesem
Zeitpunkt berechnet sind, längs des ersten Kopierwegs 1
berechnet und dann in dem Speicher 8 gespeichert. Als
nächstes wird der Abtastkopf P längs des zweiten Kopierwegs,
der durch die Kopierrichtungs-Einstelleinheit 3 gebildet
ist, bewegt. In diesem Fall definiert die
Kopierweg-Einstelleinheit 3, welche die zweite Kopierrichtung einstellt,
um so eine Vielzahl von Punkten der Durchschneidung mit dem
ersten Kopierweg 1 in einem vorbestimmten Intervall zu
bilden, den Kopierweg 2 synchron mit der Berechnungsperiode
der Kopierrichtungs-Berechnungseinheit 4, um dadurch die
Vielzahl von Punkten der Durchschneidung zu bilden. Der
Grund dafür ist die Einfachheit in Form der Berechnungen,
wenn eine Profilierungsdaten-Korrektur durchgeführt wird,
die im folgenden beschrieben wird.
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Fig. 5 zeigt einen Teil des zweiten Kopierwegs 2, längs
welchem der Abtastkopf P unter rechten Winkeln zu dem
ersten Kopierweg 1 bewegt wird. Es sollen (Xp, Yp, Zp), (Xq,
Yq, Zq) jeweils Maschinenpositionen bei Punkten P, Q
repräsentieren, die auf dem Kopierweg 1 liegen, und es sollen R,
S jeweils Beginn- u. Endpunkte eines Tangentialvektors l
auf jeder Seite des Punkts der Durchschneidung des
Kopierwegs 2 mit dem Kopierweg 1 repräsentieren. Ein senkrechter
Vektor, der den Tangentialvektor des Kopierwegs 1 senkrecht
durchschneidet, und ein senkrechter Vektor, der senkrecht
einen Vektor PQ durchschneidet, welcher durch lineare
Näherung des Kopierwegs 2 gewonnen ist, werden wie folgt
berechnet:
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Auf der Grundlage der Länge l&sub1; [= [(X2-X1)²+(Y2-Y1)²]] der
Projektion des Tangentialvektors l auf die x-y-Ebene, die
in Fig. 6 gezeigt ist, ist der vorhergehende senkrechte
Vektor ein solcher, der senkrecht zu diesem
Tangentialvektor l (l,Z2-Z1) steht. Das bedeutet, daß dieser senkrechte
Vektor wie folgt in dem ursprünglichen x-y-z-Raum
ausgedrückt ist:
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In ähnlicher Weise ist auf der Grundlage der Länge l&sub2;
(nicht gezeigt) [= [(Xp-Xq)² + (Yp-Yq)²]] der Projektion des
Vektors auf die x-y-Ebene der Vektor, welcher senkrecht
den Vektor durchschneidet, ein solcher, der senkrecht zu
dem Vektor (l&sub2;, Zq-Zp) steht. Das bedeutet, daß dieser
senkrechte Vektor wie folgt in dem ursprünglichen x-y-z-
Raum ausgedrückt ist:
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Die Senkrechtenvektor-Berechnungseinheit 9 berechnet die
zwei senkrechten Vektoren aus dem Tangentialvektor, der in
dem Speicher 8 gespeichert ist, addiert diese zwei Vektoren
und gibt die Summe als Digitalisierungsdaten in der
senkrechten Richtung in bezug auf die Modelloberfläche aus.
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Es ist selbstverständlich zulässig, einen Tangentialvektor
bei jedem Punkt des Kopierwegs 1 in dem Speicher 3 von
Beginn an auf der Grundlage der Daten aus der
Berechnungseinheit 4 zu speichern. Ferner kann abhängig von der
Einstellung des zweiten Kopierwegs 2 das Verfahren der Berechnung
zwischen den zwei senkrechten Vektoren, das durch die
Berechnungseinheit 9 durchgeführt wird, geändert werden.
Beispielsweise kann der Senkrechtenvektor durch einen
gewichteten Mittelwert berechnet werden, der in geeigneter Weise
gewichtet ist. Jedenfalls kann durch eine derartige
akkurate Bestimmung der senkrechten Richtung in bezug auf die
Digitalisierungsdaten, die längs des anfänglichen
Kopierwegs 1 gebildet sind, eine akkurate dreidimensionale
Korrektur durchgeführt werden, wenn die Bearbeitung mittels
der Digitalisierungsdaten durchgeführt wird.
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Die Digitalisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist derart beschaffen, daß die Digitalsierung einer
Modelloberfläche zweimal unter Benutzung eines
berührungslosen Abtastkopfes durchgeführt wird, die Richtung der zu
dem digitalisierten Modell Senkrechten akkurat bestimmt
werden kann und Digitalisierungsdaten, die hochgenaue
dreidimensionale Korrekturrichtungsdaten enthalten, gebildet
werden können.