DE4207201A1 - Nivellierungsverfahren und -vorrichtung - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Nivellierungsverfahren und eine Nivellierungsvorrichtung
und insbesondere eine Verbesserung eines
Nivellierungsverfahrens und einer Nivellierungsvorrichtung
zum Nivellieren eines Objekts, dessen Oberflächenform oder
Oberflächenrauhigkeit zu messen ist.
Nivelliervorrichtungen zum Steuern eines auf einem
Halterungsteil angeordneten Objekts, so daß es sich in der
gewünschten Lage befindet, sind bekannt, und sie werden im
allgemeinen dazu verwendet, ein Meßobjekt, ein Werkstück
oder dergleichen auf den Halterungsteilen, zum Beispiel
eines Oberflächenrauhigkeitstesters, einer
Drei-Dimensionen-Meßvorrichtung und verschiedener
Bearbeitungsmaschinen, zu plazieren.
Im Fall eines Oberflächenrauhigkeitstesters zum
Beispiel ist, wenn die Meßebene geneigt ist, die
Basislinie im Ergebnis der Messung, wie in Fig. 15(A)
gezeigt ist, geneigt und daher ungeeignet zum Ermitteln
die Oberflächenrauhigkeit betreffender Daten. Darüber
hinaus, wird, da eine meßbare Toleranz in dem Fall, wie er
in der Fig. 15(A) gezeigt ist, entsprechend einem großen
Wertebereich festgelegt werden muß, die Auflösung der
Messung beeinträchtigt. Es ist daher notwendig, die
Halterungslage einzustellen, um so in der Richtung der
Abtastung durch den Fühler (siehe Fig. 15(B) einen
Ausgleich herzustellen.
Im Falle der dreidimensionalen Ausgabe der
Oberflächenrauhigkeit durch mehrmaliges Messen unter
Zuführen des Fühlers Stück für Stück in der Richtung
senkrecht zur Richtung der Abtastung durch den Fühler
bildet die Nivellierung in der Richtung senkrecht zur
Richtung der Abtastung eine wichtige Voraussetzung.
In einer herkömmlichen Nivelliervorrichtung ist die
Nivellierung jedoch nur in einer Richtung automatisiert,
und es ist noch keine Nivelliervorrichtung hergestellt
worden, welche zur dreidimensionalen automatischen
Lagekontrolle eines auf einem Halterungsteil angeordneten
Objekts in der Lage ist.
Folglich muß die dreidimensionale Lage eines auf dem
Halterungsteil plazierten Objekts von Hand eingestellt
werden, was viel Arbeit und Zeit erfordert.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die oben beschriebenen Probleme gemäß dem Stand
der Technik zu beseitigen und eine Nivelliervorrichtung zu
schaffen, welche zur dreidimensionalen Lagesteuerung eines
auf einem Halterungsteil angeordneten Objektes in der Lage
ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende
Erfindung eine Nivelliervorrichtung zur Verfügung, welche
umfaßt:
Ein Halterungsteil zum Haltern eines Objekts, eine Trägereinrichtung zum Tragen des Halterungsteils in einer solchen Weise, daß es eine variable Neigung in bezug auf eine Basis aufweist; und eine Steuereinrichtung zum Ermitteln der Durchschnittsebene der Oberfläche des auf dem Halterungsteil plazierten Objekts aus den Koordinaten von wenigstens drei nicht auf derselben geraden Linie liegenden Punkten in einem spezifizierten Bereichs des Objekts und zum Anweisen der Trägereinrichtung, die Durchschnittsebene so zu steuern, daß sie die gewünschte Lage aufweist.
Ein Halterungsteil zum Haltern eines Objekts, eine Trägereinrichtung zum Tragen des Halterungsteils in einer solchen Weise, daß es eine variable Neigung in bezug auf eine Basis aufweist; und eine Steuereinrichtung zum Ermitteln der Durchschnittsebene der Oberfläche des auf dem Halterungsteil plazierten Objekts aus den Koordinaten von wenigstens drei nicht auf derselben geraden Linie liegenden Punkten in einem spezifizierten Bereichs des Objekts und zum Anweisen der Trägereinrichtung, die Durchschnittsebene so zu steuern, daß sie die gewünschte Lage aufweist.
Die Trägereinrichtung ist zwischen der Basis und dem
Halterungsteil angeordnet und enthält drei
Trägerabschnitte, welche nicht auf derselben geraden Linie
liegen. Es wird bevorzugt, daß ein erster Trägerabschnitt
die Basis und das Halterungsteil mit einem im wesentlichen
konstanten Abstand zwischen diesen Teilen trägt und dem
Halterungsteil nur eine räumliche Drehung außer um eine zu
der Basis vertikale Achse erlaubt, und daß der zweite und
dritte Trägerabschnitt die Basis und das Halterungsteil
mit einem variablen Abstand zwischen diesen Teilen tragen.
Es wird auch bevorzugt, daß der zweite und dritte
Trägerabschnitt an den Scheitelpunkten der Basis eines
gleichschenkeligen Dreiecks mit dem ersten Trägerabschnitt
als dessen Spitze angeordnet sind, und daß die
Steuereinrichtung die Verschiebung ΔZp des Abstands
zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten
Trägerabschnitt und die Verschiebung ΔZp des Abstandes
zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten
Trägerabschnitt aus den folgenden Gleichungen ermittelt:
ΔZp = λx0 - µY0
ΔZp = λx0 - µY0
ΔZp = λx0 - µY0
wobei (λ,µ,ν) den Richtungskosinusvektor der
Durchschnittsebene des auf dem Halterungsteil angeordneten
Objekts repräsentiert, x₀ die Länge der Senkrechten
zwischen dem ersten Trägerabschnitt und der geraden Linie,
die den zweiten und dritten Trägerabschnitt miteinander
verbindet, ist, und y₀ den halben Abstand zwischen dem
zweiten Trägerabschnitt und dem dritten Trägerabschnitt
bezeichnet.
Es wird bevorzugt, daß der erste Trägerabschnitt der
Trägereinrichtung mit zwei Paaren von Kugeln versehen ist,
welche um die jeweiligen Achsen, welche nicht mit der
Linie zusammenfallen, die zwei Abschnitte zum Tragen der
Basis und des Halterungsteils verbindet, und welche
zueinander senkrecht stehen, rotieren.
Es wird auch bevorzugt, daß der erste Trägerabschnitt der
Trägereinrichtung mit einem Paar von axialen Körpern
versehen ist, welche um die jeweiligen Achsen, welche
nicht mit der Linie zusammenfallen, die zwei Abschnitte
zum Tragen der Basis und des Halterungsteils verbindet,
und welche zueinander senkrecht stehen, rotieren.
Durch die vorliegende Erfindung wird auch ein
Nivellierungsverfahren geschaffen, das einen
Verfahrensschritt, bei dem eine Durchschnittsebene erfaßt
wird, und einen Verfahrensschritt, bei dem eine
Positionssteuerung erfolgt, umfaßt. In dem
Verfahrensschritt zur Erfassung der Durchschnittsebene
wird die durchschnittliche Ebene eines auf dem
Halterungsteil plazierten Objekts bestimmt. Bei dem eine
Positionsregulierung betreffenden Verfahrensschritt wird
eine Trägereinrichtung zum Tragen des auf der
Halterungseinrichtung angeordneten Objekts vorzugsweise so
gesteuert, daß der Richtungskosinusvektor der
Durchschnittsoberfläche mit dem gewünschten Kosinusvektor
zusammenfällt.
Die obengenannten und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen deutlich.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung der
Außenansicht eines Oberflächenrauhigkeitstesters, bei
welchem ein erstes Ausführungsbeispiel für eine
Nivelliervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
angewendet wird;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der
Außenansicht der in Fig. 1 gezeigten Nivelliervorrichtung;
Fig. 3(A) und 3(B) sind erläuternde Darstellungen des
Konzepts des Lagesteuerungsmechanismus einer
Nivelliervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt die Anordnung der drei Trägerabschnitte der
in Fig. 2 gezeigten Nivelliervorrichtung;
Fig. 5 und Fig. 6 sind erläuternde Darstellungen des auf
dem Halterungsteil angeordneten Objekts in dem Zustand, in
dem seine Lage gesteuert wird;
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte
Nivelliervorrichtung, wobei das Halterungsteil weggelassen
ist;
Fig. 8 ist eine perspektivische Explosivdarstellung des
Hauptteils des ersten Trägerabschnitts der in Fig. 2
gezeigten Nivelliervorrichtung;
Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung der in Fig. 2 gezeigten
Nivelliervorrichtung entlang der Linie I-I;
Fig. 10 ist eine Seitenaufrißdarstellung der in Fig. 2
gezeigten Nivelliervorrichtung;
Fig. 11 ist eine erläuternde Darstellung der
Steuereinrichtung der in Fig. 2 gezeigten
Nivelliervorrichtung;
Fig. 12 bis Fig. 14 sind erläuternde Darstellungen des
ersten Trägerabschnitts, der in einem zweiten
Ausführungsbeispiel einer Nivelliervorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Fig. 15 erklärt die Notwendigkeit der dreidimensionalen
Lagesteuerung in einem Oberflächenrauhigkeitstester.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele für die vorliegende
Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen erklärt.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung der äußeren
Erscheinung eines Oberflächenrauhigkeitstesters, bei
welchem ein erstes Ausführungsbeispiel für eine
Nivelliervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
Ein in Fig. 1 gezeigter Oberflächenrauhigkeitstester 1 ist
aus einer Basis 2, einem auf der Basis 2 errichteten
Träger 3, einem an dem Träger 3 vertikal (in Richtung von
Z) verschiebbar vorgesehenen Arm 4, einem auf dem Arm 4 in
der Richtung von X verschiebbar vorgesehenen Detektor 5
und einem Gleitstück (6) zum Haltern eines Meßobjekts
derart, daß es in Richtung von Y verschiebbar ist,
zusammengesetzt.
Eine Nivelliervorrichtung 7 als erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist auf dem Gleitstück 6
angeordnet.
Die Nivelliervorrichtung 7 nivelliert dreidimensional ein
Meßobjekt 8, das auf der Nivelliervorrichtung 7 angeordnet
ist. Das Gleitstück 6 legt zusammen mit der
Nivelliervorrichtung 7 die Position des Objekts 8 in der
Y-Richtung fest, und die Position des Arms 4 in Richtung
von Z wird eingestellt, wodurch der Detektor 5 in der
Meßebene des Objekts 8 positioniert wird. Durch Abtasten
der Meßebene des Objekts 8 in Richtung von X durch den
Detektor 5 wird der Ausgabewert der Oberflächenrauhigkeit
des Objekts 8 dreidimensional ermittelt.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des äußeren
Erscheinungsbildes der Nivelliervorrichtung 7 dieses
Ausführungsbeispiels. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, ist
die Nivelliervorrichtung 7 aus einer Basis 9, einem
Halterungsteil 10 und einer Trägereinrichtung 11, die
zwischen der Basis 9 und dem Halterungsteil 10 angeordnet
ist, zusammengesetzt.
Die Trägereinrichtung 11 ist aus drei Trägerabschnitten
12, 13 und 14 zusammengesetzt. Durch vertikales Bewegen
der Positionen, in welchen das Halterungsteil 10 durch die
Trägerabschnitte 13, 14 gehaltert ist, wird die
dreidimensionale Lage des Halterungsteils 10 in bezug auf
die Basis 9 wie gewünscht variiert.
Die Fig. 3A und 3B zeigen schematisch die
dreidimensionale Lagesteuerung des Meßobjekts 8 durch die
in Fig. 2 gezeigte Nivelliervorrichtung 7.
Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird, wenn das Meßobjekt 8 mit
einer Neigung in drei Dimensionen auf dem Halterungsteil
10 angeordnet wird, die Koordinatenachse Z′ des Objekts 8
in der Meßebene in bezug auf die Standardkoordinatenachse
Z jeweils durch eine strichpunktierte Linie darstellt.
In der vorliegenden Erfindung wird die dreidimensionale
Lage des Halterungsteils 10 entsprechend der Information
auf der Meßebene des Meßobjekts 8 so geändert, daß die
Koordinatenachse Z′ mit der Standardkoordinatenachse Z,
wie das in der Fig. 3B gezeigt ist, jeweils übereinstimmt.
Die dreidimensionale Nivellierung des Meßobjekts 8 wird im
wesentlichen dadurch ermöglicht, daß die Z′-Achse mit der
Z-Achse zusammenfällt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trägereinrichtung
11 wie in der Fig. 4 gezeigt angeordnet.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Nivelliervorrichtung 7
dieses Ausführungsbeispiels, wobei das Halterungsteil 10
weggelassen ist. Der Trägerabschnitt 12 trägt das
Halterungsteil 10 am Punkt 0 derart, daß nur eine
räumliche Drehung außer um die Z-Achse möglich ist, und
die Trägerabschnitte 13 und 14 tragen das Halterungsteil
10 derart, daß nur eine vertikale Bewegung (in Richtung
von Z) unabhängig voneinander möglich ist.
Es ist daher möglich, die Nivellierungslage des
Halterungsteils 10 um die Achse Y und um die Achse X durch
vertikales Bewegen der Punkte P und Q der Trägerabschnitte
13 bzw. 14, wie das in der Fig. 5 bzw. 6 gezeigt ist,
einzustellen.
Genauer gesagt, wird eine durchschnittliche Ebene, welche
auf der Oberfläche des Meßobjekts angenommen wird, aus den
Koordinaten von weniger als drei Punkten (X, Y, Z) des
Objekts 8, welche nicht auf derselben geraden Linie
liegen, ermittelt. Die Durchschnittsebene wird durch die
Gleichung Z = a + bX + cY repräsentiert. Die Koeffizienten
b und c werden aus den Koordinaten X, Y und Z nach einem
Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten. Aus diesen
Koeffizienten werden λ und µ von den senkrechten
Einheitsvektorkomponenten der Durchschnittsebene in der
Richtung von X, Y und Z entsprechend den folgenden
Gleichungen ermittelt:
Ein senkrechtes Ausrichten der Durchschnittsebene zu der
Z-Achse ist gleichbedeutend mit einer Änderung des
Richtungskosinusvektors der durchschnittlichen Oberfläche
des Objekts 8 in (0, 0, 1). Wenn sichergestellt wird, daß
der Kosinusvektor des Halterungsteils 10 in der Richtung
der Oberfläche (λ0, µ0, 0) ist, werden im Fall der
Durchführung dieser Änderung durch Bewegen der Punkte P
und Q der Trägerabschnitte 13 und 14 in Richtung von Z die
Verschiebungen ΔZp und ΔZq an den jeweiligen Punkten aus
den Gleichungen erhalten:
wobei x0 die Entfernung der X-Achse zwischen dem Punkt 0
und dem Mittelpunkt der gegebenen geraden Linie PQ und y0
die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt zu dem Punkt P
oder Q (siehe Fig. 4 bis 6) repräsentiert.
Jedoch können, da es im allgemeinen schwierig ist, (λ₀,
µ₀, ν₀) zu erfassen, wenn der Winkel zwischen (0, 0, 1)
und (λ₀, µ₀, ν₀) genügend klein ist (z. B. nicht größer
als 2°), ΔZp und ΔZq unter der Annahme, daß (λ₀, µ₀, ν₀)=
(0, 0, 1) ist, ohne irgendwelche Probleme bei der
praktischen Anwendung ausgedrückt werden durch:
ΔZp = λx0 - µYo
ΔZq = λx0 + µY0.
ΔZq = λx0 + µY0.
Entsprechend ist es möglich, die Verschiebungen ΔZp und
ΔZq des Trägerpunkts P bzw. Q in der Richtung von Z aus
den Werten λ und µ, welche in einer vorbereiteten Messung
tatsächlich gemessen worden sind, um so die
Durchschnittsebene des Meßobjekts 8 zu bestimmen, zu
berechnen.
Wie oben beschrieben, ist gemäß der Nivelliervorrichtung
dieses Ausführungsbeispiels eine automatische
dreidimensionale Lagesteuerung (dreidimensionale
Nivellierung) möglich, indem die Durchschnittsebene des
Meßobjekts 8 durch vorbereitende Messung bestimmt wird und
die Höhen der Trägerabschnitte 13, 14 so eingestellt
werden, daß der Richtungskosinusvektor (λ, µ, ) der
Durchschnittsebene in (0, 0, 1) geändert wird.
Die Trägereinrichtung der Nivelliervorrichtung dieses
Ausführungsbeispiels wird nun detailliert unter Bezugnahme
auf die Fig. 7 bis 10 erklärt.
Fig. 7 zeigt die Nivelliervorrichtung 7 dieses
Ausführungsbeispiels, wobei das Halterungsteil 10
weggelassen ist. Gemäß Fig. 7 ist die Trägereinrichtung 11
aus den drei Trägerabschnitten 12, 13 und 14
zusammengesetzt und trägt das Halterungsteil 10 in der
gewünschten Lage in bezug auf die Basis 9.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Explosivdarstellung des
Hauptteils des ersten Trägerabschnitts 12. Wie aus der
Fig. 8 hervorgeht, ist der erste Trägerabschnitt 12 aus
einem Drehteil 20, das aus zwei zueinander senkrechten
Stäben gleicher Form besteht, Trägerteilen 21, 22 zum
Tragen des Drehteils 20 derart, daß es in der durch den
Pfeil A angezeigten Richtung drehbar ist, und Trägerteilen
23, 24 zum Haltern des Drehteils 20 derart, daß es in der
durch den Pfeil B angezeigten Richtung drehbar ist,
zusammengesetzt. Die Trägerteile 21, 22 sind an der
unteren Oberfläche des Halterungsteils 10 durch Schrauben
befestigt, und die Trägerteile 23, 24 sind an der oberen
Fläche der Basis 9 durch Schrauben befestigt. Auf diese
Weise trägt der erste Trägerabschnitt 12 das
Halterungsteil 10 in bezug auf die Basis 9, während
dazwischen ein konstanter Abstand aufrechterhalten wird.
Die Trägerteile 21, 22, 23 und 24 sind mit Löchern 25, 26,
27 bzw. 28 zum drehbaren Haltern des Drehteils 20
versehen.
Der zweite Trägerabschnitt 13 und der dritte
Trägerabschnitt 14 weisen eine annähernd ähnliche Struktur
auf. Deren Details werden unter Bezugnahme auf eine
diesbezügliche in der Fig. 9 gezeigte Schnittdarstellung
und eine in der Fig. 10 gezeigte Seitenaufrißdarstellung
erläutert.
Der zweite Trägerabschnitt 13 ist aus einer sphärischen
Rolle 29, einem Trägerteil 30 zum drehbaren Haltern des
sphärischen Teils 29, und einem Gleitstück 31, mit welchem
die sphärische Rolle 29, wie in Fig. 10 gezeigt, drehbar
in Berührung steht, zusammengesetzt. Das Trägerteil 30 ist
an der unteren Oberfläche des Halterungsteils 10
befestigt, und das Gleitstück 31 ist auf der oberen
Oberfläche der Basis 9 derart angeordnet, daß es in der
durch den Pfeil C angezeigten Richtung bewegbar ist.
Entsprechend sorgt der zweite Trägerabschnitt für einen
variablen Abstand zwischen der Basis 9 und dem
Halterungsteil 10 und, da die Position, in welcher das
Gleitstück 31 in Berührungseingriff mit der sphärischen
Rolle 29 gelangt, unbehindert geändert wird, trägt der
zweite Trägerabschnitt 13 das Halterungsteil 10 in bezug
auf die Basis 9 derart, daß es in der durch den Pfeil D
angezeigten Richtung bewegbar ist.
Ähnlich wie der zweite Trägerabschnitt 13, ist der
dritte Trägerabschnitt 14 aus einer sphärischen Rolle
(32), einem Trägerteil 33 zum drehbaren Haltern des
sphärischen Teils 32 und einem Gleitstück 34, mit welchem
die sphärische Rolle 32 drehbar im Eingriff steht,
zusammengesetzt.
Diese drei Trägerabschnitte 12, 13 und 14 sind derart
angeordnet, daß ein gleichschenkliges Dreieck mit dem
ersten Trägerabschnitt 12 als Spitze gebildet wird. Die
Länge der Basis des gleichschenkligen Dreiecks, d. h. der
Abstand zwischen dem zweiten und dritten Trägerabschnitt
13 bzw. 14, beträgt 2Y0 und die Höhe des gleichschenkligen
Dreiecks, d. h. der Abstand zwischen dem ersten
Trägerabschnitt 12 und der den zweiten und dritten
Trägerabschnitt 13 bzw. 14 verbindenden Linie ist X0.
Die Oberflächen der beiden Gleitstücke 31 und 34, welche
mit der sphärischen Rolle 29 bzw. 32 in Berührung stehen,
weisen eine Neigung von 15° in bezug auf die jeweilige
Basis auf.
Der zweite Trägerabschnitt 13 ist mit einer
Abstandsänderungseinrichtung 35 versehen, welche aus einem
Motor 36 als Antriebseinrichtung, einer Spindel 37, der
Antriebswelle 38 des Motors 36, einer Verbindung 39 zum
Verbinden der Antriebswelle 38 des Motors 36 und der
Spindel 37 und einer Buchse 40 zusammengesetzt ist. Der
Motor 36 ist an der Basis 9 befestigt und die Spindel 37
ist in die Buchse 40 eingeschraubt. Die Buchse 40 ist an
dem Gleitstück 31 befestigt.
Folglich kann, wenn der Motor 36 angetrieben wird, die
Abstandsänderungseinrichtung 35 das Gleitstück 31 in der
durch den Pfeil C angezeigten Richtung verschieben. Durch
die Gleitbewegung des Gleitstücks 31 bewegt sich das
Trägerteil 30 senkrecht, nämlich in der durch den Pfeil D
in Fig. 10 angezeigten Richtung, so daß der Abstand
zwischen der Basis 9 und dem Halterungsteil 10, das durch
den zweiten Trägerabschnitt 13 getragen ist, geändert
wird.
Eine Abstandsänderungseinrichtung 41 des dritten
Trägerabschnitts 14 weist den gleichen Aufbau auf. Die
Abstandsänderungseinrichtung 41 ist aus einem Motor 42,
einer Spindel 43, einer Antriebswelle 44, einem
Verbindungsstück 45 und einer Buchse 46 zusammengesetzt.
Wenn der Motor 42 angetrieben wird, wird das Gleitstück 34
in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung bewegt, und
der Abstand zwischen der Basis 9 und dem Halterungsteil
10, das durch den dritten Trägerabschnitt 14 getragen ist,
wird geändert.
Jeder der Motoren 36, 42 ist durch einen Schrittmotor, der
bei 1000 Schritten eine Umdrehung ausführt, gebildet.
Jede der Spindeln 37, 43 ist mit Gewinden einer solchen
Steigung versehen, daß die Buchse 40, 46 bei einer
Drehung der Spindel 37, 43 um 0,5 mm in der durch den
Pfeil c angezeigten Richtung bewegt wird.
Die Steuereinrichtung der Nivelliervorrichtung
gemäß dieses Ausführungsbeispiels wird nun erläutert:
Wie aus der Fig. 11 hervorgeht, ist eine Steuereinrichtung
50 aus einem Datenspeicher 51 zum zeitweiligen Speichern
des Ausgangssignals des Detektors 5, einer
Neigungswinkelmittelwert-Berechnungseinrichtung 52 zum
Berechnen des Neigungswinkels des Meßobjekts 8 aus den
Koordinaten von der Oberfläche des Objekts 8, welche in
dem Datenspeicher 51 gespeichert sind, einer
Schrittwinkel-Berechnungseinrichtung 53 zum Berechnen der
Schrittwinkel des Motors 36 und des Motors 42 aus dem
mittleren Neigungswinkel, einer Steuereinrichtung 54 und
einer Treibereinrichtung 55 zum Steuern des Antriebs des
Motors 36 auf der Grundlage des Ausgangssignals der
Schrittwinkel-Berechnungseinrichtung 53, und einer
Steuereinrichtung 56 und einer Treibereinrichtung 57 zum
Steuern des Antriebs des Motors 42 auf der Basis des
Ausgangssignals der Schrittwinkel-Berechnungseinrichtung
53 zusammengesetzt.
Die Steuereinrichtung 50 wird insgesamt durch eine
Systemsteuereinrichtung 58 gesteuert.
Der Betrieb der Nivelliervorrichtung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel mit dem obenerwähnten Aufbau wird nun
erläutert.
Gemäß Fig. 1 betätigt eine Bedienungsperson eine
Bedien-/Display-Tafel 60 des Oberflächenrauhigkeitstesters
1, um so die Betriebsbedingungen für den
Oberflächenrauhigkeitstesters 1, z. B. Meßbereich,
Probenneigung, Meßlänge und Betriebsintervall
einzustellen.
Die Bedienperson schaltet dann die
Selbstnivellierungs-Auswahltaste durch Betätigen der
Bedien-/Display-Tafel 60 auf "EIN".
Die Bedingungen für eine vorbereitende Messung werden dann
eingestellt, um die Neigung des Halterungsteils 10,
welches das Meßobjekt 8 trägt, entsprechend der Steuerung
durch die Systemsteuereinrichtung 58 automatisch zu
korrigieren (Lagesteuerung).
Die Neigung (Lage) des Meßobjekts 8, das auf der
Nivelliervorrichtung 7 angeordnet ist, wird durch den
Oberflächenrauhigkeitstesters 1 gemessen.
Der Oberflächenrauhigkeitstester 1 ermittelt als
Koordinaten der Oberfläche 8 wenigstens drei Punkte,
welche nicht auf derselben geraden Linie liegen, durch
wenigstens zwei Operationen an unterschiedlichen
Positionen in der Meßebene (obere Oberfläche) des Objekts
8. Die Durchschnittsebene der Meßebene wird auf der Basis
der so ermittelten Koordinaten aus wenigstens drei Punkten
erhalten.
Die Neigung des Halterungsteils 10 wird so korrigiert, daß
sich die Meßebene des Objekts 8 konstant horizontal
erstreckt.
Die Oberflächenrauhigkeit wird nicht unter Verwendung von
über einen Filter, oder ähnliches, zum Beseitigen einer
Schwankungskomponente, erhaltenen Daten, sondern durch
Verwendung der realen Daten, welche von dem Detektor 5
geliefert werden, zum Zweck der Korrektion der Neigung
(Lagesteuerung) des Halterungsteils 10 gemessen.
Die vorbereitende Messung wird in der folgenden Weise
ausgeführt.
Wie aus der Fig. 11 hervorgeht, wirkt die Systemsteuerung
58 auf eine Z-Richtungssteuereinrichtung 61 und eine
Motortreibereinrichtung 62 derart ein, daß der Detektor 5
abgesenkt wird, bis der Griffel an der Spitze des
Detektors 5 in Kontakt mit dem Meßobjekt 8 kommt.
Die Systemsteuereinrichtung 58 bewirkt dann, daß der
Detektor 5 die Oberfläche des Objekts 8 in der X-Richtung
über eine X-Richtungssteuereinrichtung 63 und eine
Motortreibereinrichtung 64 abtastet, um so die Koordinaten
der Oberfläche an der jeweiligen Y-Achsenposition zu
erfassen.
Die Systemsteuereinrichtung 58 wirkt dann auf eine
Y-Richtungssteuereinrichtung 65 und eine
Motortreibereinrichtung 66 ein, um so das Gleitstück 6
über eine Entfernung Dy zu bewegen. Der Detektor 5 tastet
die Oberfläche des Objekts 8 ab, um so die Koordinaten der
Oberfläche in einer neuen Y-Achsenposition zu erfassen.
Ähnliche Operationen werden N-mal wiederholt und die
Koordinaten der Oberfläche werden in dem Datenspeicher 51
gespeichert.
Je größer die Anzahl der Male N von Abtastungen ist,
um so mehr Daten über Koordinaten der Oberfläche liegen
vor und um so genauer wird die Nivellierung.
Die Neigungswinkelmittelwert-Berechnungseinrichtung 52
ermittelt die mittlere durchschnittliche Ebene der
Meßebene des Meßobjekts 8 aus der Vielzahl von
Koordinatendaten der Oberfläche, welche in dem
Datenspeicher 51 als diskrete Daten gespeichert sind, und
berechnet den Neigungswinkel des Objekts 8.
Wie oben beschrieben, wird der Neigungswinkel der
Durchschnittsebene als der Richtungskosinusvektor (λ0, µ0,
ν0) des Halterungsteils 10 berechnet, und die
Schrittwinkel-Berechnungseinrichtung 53 berechnet den
Schrittwinkel des Motors 36, 42, welcher dem Abstand ΔZp
und ΔZq der Bewegung des Trägerabschnitts 13 bzw. 14
entspricht, so daß der Richtungskosinusvektor (λ, µ, ν)
der Durchschnittsebene in den Wert (0, 0, 1) umgewandelt
wird.
Die Systemsteuereinrichtung 58 hebt dann den Detektor 5
von dem Meßobjekt 8 um, z. B. 10 mm, mit Hilfe einer
Y-Richtungssteuereinrichtung 61 und eine
Motortreibereinrichtung 62 ab.
Die Systemsteuereinrichtung 58 treibt die Motoren 36 und
42 entsprechend den Ergebnissen der Berechnung durch die
Schrittwinkel-Berechnungseinrichtung 53 über die
Steuereinrichtungen 54 und 56 und die Treibereinrichtungen
55 und 57 an.
Im Ergebnis verschieben die Abstandsänderungseinrichtungen
35 und 41 die Gleitstücke 31 und 34 in der durch den Pfeil
C angezeigten Richtung um vorbestimmte Entfernungen. Durch
diese Gleitoperationen bewegen sich die sphärischen Rollen
29 und 32, welche mit dem Gleitstück 31 bzw. 34 in
Berührung stehen, in der durch den Pfeil D angezeigten
Richtung um vorbestimmte Distanzen, wodurch sich die
Abstände zwischen der Basis 9 und dem Halterungsteil 10 an
den Positionen, an welchen das Halterungsteil 10 durch den
zweiten und dritten Trägerabschnitt 13 bzw. 14 getragen
ist, ändern. Andererseits wird der Abstand zwischen der
Basis 9 und dem Halterungsteil 10 an der Position, an
welcher das Halterungsteil 10 durch den ersten
Trägerabschnitt 12 getragen ist, konstant gehalten.
Durch Ändern des Halterungszustands des Halterungsteils 10
durch die drei Trägerabschnitte 12, 13 und 14 in dieser
Weise wird die Neigung des Halterungsteils 10 in bezug auf
die Basis 9 korrigiert (die Lage wird gesteuert) und die
Meßebene des Meßobjekts 8 wird nivelliert (die Lage wird
gesteuert).
Durch oftmaliges Wiederholen dieser Nivellierungsschritte
wird eine genauere Nivellierung (Lagesteuerung)
ermöglicht.
Während des Betriebs der Nivellierungsvorrichtung 7,
wirkt, wenn die Abstandsänderungseinrichtungen 35 und 41
angetrieben werden, eine Kraft zum Drehen des
Halterungsteils 10 um die X-Achse, die Y-Achse und die
Z-Achse entsprechend Unterschieden zwischen den
Abstandsänderungseinrichtungen 35 und 41 im Ausmaß des
Antriebs auf die Trägerteile 21 und 22 des ersten
Trägerabschnitts 12. Die Trägerteile 21 und 22 empfangen
diese Kraft und drehen das Drehteil 20 in den Richtungen
von A und B um die zwei Achsen des Drehteils 20 in bezug
auf die Trägerteile 23 und 24, welche auf der Basis 9
befestigt sind.
Da jedoch das Drehteil 20 drehbar durch die Trägerteile
23 und 24, welche auf der Basis 9 befestigt sind,
gehaltert ist, dreht sich das Drehteil 20 nicht in der
durch den Pfeil E angezeigten Richtung in der zu der Basis
9 parallelen Ebene. Entsprechend drehen sich weder die
Trägerteile 21, 22, welche das Drehteil 20 haltern, noch
das Halterungsteil 10 in der Richtung von E. Mit anderen
Worten, die Basis 9 dreht sich nicht um die Z-Achse in
bezug auf das Halterungsteil 10.
Im Ergebnis dessen wird, sogar wenn die Neigung des
Halterungsteils 10 in bezug auf die Basis 9 korrigiert
wird (die Lage gesteuert wird), die Position des auf dem
Halterungsteil C angeordneten Meßobjekts 8 in bezug auf
den Oberflächenrauhigkeitstester 1, ausgenommen zur
Lagesteuerung nicht geändert.
Wie oben beschrieben, wird bei dem die
Nivelliervorrichtung 7 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
verwendenden Oberflächenrauhigkeitstester 1 eine
automatische und genaue Nivellierung der zu messenden
Oberfläche und, daher, die genaue Messung der
dreidimensionalen Oberflächenrauhigkeit des Meßobjekts
ermöglicht.
Ein anderes Ausführungsbeispiel für eine
Nivelliervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird
nun unter Bezugnahme auf die Fig. 12 bis 14 erläutert.
Diejenigen Elemente, welche den Elementen in dem ersten
Ausführungsbeispiel entsprechen, sind mit den gleichen, um
eine vorangestellte Eins (im Fall von zwei Figuren) oder
vorangestellte 10 (im Fall von einer Figur) erweiterten
Bezugszahlen bezeichnet, und auf eine Erläuterung dieser
Elemente wird verzichtet.
Die Nivelliervorrichtung 107 weist mit Ausnahme eines
ersten Trägerabschnitts 112 die gleiche Struktur wie die
Nivelliervorrichtung 7 des ersten Ausführungsbeispiels
auf.
Der erste Trägerabschnitt 112 der Nivelliervorrichtung 107
gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist aus einem
Eingriffsteil 170, einer Regulierplatte 161, einem
Stabteil 172, einem Halteteil 173 und zwei Kugelpaaren
174, 175 und 176, 177, wie in Fig. 13 gezeigt,
zusammengesetzt.
Das Eingriffsteil 170 ist an der hinteren Oberfläche des
Halterungsteils 110 durch Schrauben (nicht gezeigt)
befestigt. Das Eingriffsteil 170 ist an dem Bodenteil mit
Ausnehmungsabschnitten (nicht gezeigt) für die Aufnahme
der Kugeln 174, 175, einem Rillenabschnitt 178a und einem
Innengewindeabschnitt (nicht gezeigt), in welchen das
Stabteil 172 geschraubt wird, versehen.
Das Halterungsteil 173 ist an der oberen Oberfläche der
Basis 9 über Schrauben befestigt. Das Halterungsteil 173
ist mit einem Rillenabschnitt 178b für die Aufnahme der
Kugel 176, einem Ausnehmungsabschnitt 179 für die Aufnahme
der Kugel 177 und einem Durchgangsloch 180, durch welches
das Stabteil 172 tritt, versehen.
Die Regulierungsplatte 171 ist mit zwei Löchern 181, 182,
welche an der oberen Oberfläche der Regulierungsplatte 171
einen größeren Durchmesser als an deren unteren Oberfläche
aufweisen, und zwei Löchern 183 und 184, welche an der
oberen Oberfläche der Regulierungsplatte 171 einen
kleineren Durchmesser als an deren unteren Oberfläche
aufweisen, versehen. Die Kugeln 174 und 175 stehen mit dem
Loch 181 bzw. 182 von oben her im Eingriff, treten aber
durch die jeweiligen Löcher nicht hindurch. Andererseits
stehen die Kugeln 176 und 177 mit dem Loch 183 bzw. 184
von unten her im Eingriff, treten aber nicht durch die
jeweiligen Löcher hindurch. In der Mitte der
Regulierungsplatte 171 ist ein Durchgangsloch 185, durch
welches das Stabteil 172 tritt, vorgesehen.
Das Stabteil 172 ist in eine Spiralfeder 186 eingeführt
und in den Innengewindeabschnitt des Eingriffsteils 170
durch das Durchgangsloch 180 des Halteteils 173 und das
Durchgangsloch 185 der Regulierungsplatte 171 hindurch
eingeschraubt. Daher werden die Positionen der Kugeln 174,
175, 176 und 177 drehbar durch das Loch 181 der
Regulierungsplatte 171 und den Ausnehmungsabschnitt des
Eingriffsteils 171, das Loch 182 der Regulierungsplatte
171 und den Rillenabschnitt 178a des Eingriffsteils 170,
das Loch 183 der Regulierungsplatte 171 und den
Rillenabschnitt 178b des Halteteils 173, und das Loch 184
der Regulierungsplatte 171 bzw. den Ausnehmungsabschnitt
179 des Halteteils 173 reguliert. Die Spiralfeder 186
sorgt für eine Vorbelastung des Stabteils 172.
Der den obenbeschriebenen Aufbau aufweisende
Trägerabschnitt 112 trägt das Halterungsteil 110 in bezug
auf die Basis 109 in der gleichen Weise wie der erste in
der Fig. 8 gezeigte Trägerabschnitt 12, so daß es um die
gemeinsame Achse der Kugeln 174 und 175 (in der durch den
Pfeil A angezeigten Richtung) und um die gemeinsame Achse
der Kugeln 176 und 177 (in der durch den Pfeil B
angezeigten Richtung) drehbar ist.
Da die Positionen der Kugeln 174 bis 177 reguliert werden,
dreht sich das Halterungsteil 110 nicht um das Stabteil
172 in bezug auf die Basis 109.
Wie aus der Fig. 8 hervorgeht, ist das Drehteil 20 der
Nivelliervorrichtung aus zwei zueinander senkrechten
Stäben mit dem gleichen Durchmesser zusammengesetzt.
Alternativ könnte das Drehteil 20 durch eine Kombination
aus zwei Stäben mit unterschiedlichen Durchmessern oder
durch ein Stabpaar mit über ein Zwischenteil verbundenen
zueinander senkrecht angeordneten Stäben gebildet sein.
Wie oben beschrieben, sind entsprechend den
Ausführungsbeispielen drei Trägerabschnitte zwischen der
Basis und dem Halterungsteil vorgesehen. Zwei der drei
Trägerabschnitte sorgen für einen variablen Abstand
zwischen der Basis und der Halterungsplatte und der andere
Trägerabschnitt 112 bewirkt, daß die Basis und das
Halterungsteil relativ zueinander um die Achsen, welche
nicht mit der zwei Abschnitte zum Tragen der Basis und des
Halterungsteils verbindende Linie zusammenfallen und
welche senkrecht zueinanderstehen, drehbar ist. Im
Ergebnis drehen sich, wenn die Neigung des Halterungsteils
in bezug auf die Basis korrigiert wird (Lage gesteuert
wird), die Basis und das Halterungsteil nicht relativ um
die Linien, welche zwei Abschnitte zum Tragen der Basis
und des Halterungsteils verbinden.
Während hier gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung erachtete Beispiele beschrieben worden sind,
ist zu verstehen, daß diese verschieden modifiziert werden
können, und es ist beabsichtigt, daß die bei liegenden
Ansprüche solche Modifikationen, welche dem
Grundgedanken der Erfindung entsprechen und in den
Schutzumfang der Erfindung fallen, erfassen.
Claims (7)
1. Eine Nivelliervorrichtung, welche umfaßt:
ein Halterungsteil zum Haltern eines Objekts;
eine Trägereinrichtung zum Tragen des Halterungsteils in einer solchen Weise, daß es eine variable Neigung in bezug auf eine Basis aufweist, und
eine Steuereinrichtung zum Ermitteln der durchschnittlichen Ebene der Oberfläche des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts aus den Koordinaten von wenigstens drei Punkten in einem spezifizierten Bereich des Objekts, wobei die Punkte nicht auf der gleichen geraden Linie liegen, und zum Anweisen der Trägereinrichtung, die Durchschnittsebene so zu steuern, daß sie die gewünschte Lage aufweist.
ein Halterungsteil zum Haltern eines Objekts;
eine Trägereinrichtung zum Tragen des Halterungsteils in einer solchen Weise, daß es eine variable Neigung in bezug auf eine Basis aufweist, und
eine Steuereinrichtung zum Ermitteln der durchschnittlichen Ebene der Oberfläche des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts aus den Koordinaten von wenigstens drei Punkten in einem spezifizierten Bereich des Objekts, wobei die Punkte nicht auf der gleichen geraden Linie liegen, und zum Anweisen der Trägereinrichtung, die Durchschnittsebene so zu steuern, daß sie die gewünschte Lage aufweist.
2. Eine Nivelliervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die
Trägereinrichtung drei Trägerabschnitte enthält, welche
zwischen der Basis und dem Halterungsteil angeordnet sind
und nicht auf der gleichen geraden Linie liegen; und wobei
ein erster Trägerabschnitt die Basis und das
Halterungsteil mit einem im wesentlichen konstanten
Abstand dazwischen trägt und die räumliche Drehung des
Halterungsteils außer um eine zu der Basis vertikale Achse
erlaubt; und zweite und dritte Trägerabschnitte, die Basis
und das Halterungsteil mit einem variablen Abstand
zwischen diesen Teilen tragen.
3. Eine Nivelliervorrichtung nach Anspruch 2, worin der
zweite Trägerabschnitt und der dritte Trägerabschnitt an
den Scheitelpunkten der Basis eines gleichschenkligen
Dreiecks mit dem ersten Trägerabschnitt an der Spitze
angeordnet sind; und die Steuereinrichtung die
Verschiebung ΔZp des Abstands zwischen der Basis und dem
Halterungsteil an dem zweiten Trägerabschnitt und die
Verschiebung ΔZp des Abstands zwischen der Basis und dem
Halterungsteil an dem dritten Trägerabschnitt aus den
folgenden Gleichungen ermittelt:
ΔZp =λx0 - µy0
ΔZp =λx0 + µy0,wobei (λ<, µ, ν) den Richtungskosinusvektor der Durchschnittsebene des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts repräsentiert, x0 die Länge der Senkrechten zwischen dem ersten Trägerabschnitt und der geraden Linie, die den zweiten und dritten Trägerabschnitt verbindet, ist und y0 die halbe Distanz zwischen dem zweiten Trägerabschnitt und dem dritten Trägerabschnitt bezeichnet.
ΔZp =λx0 + µy0,wobei (λ<, µ, ν) den Richtungskosinusvektor der Durchschnittsebene des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts repräsentiert, x0 die Länge der Senkrechten zwischen dem ersten Trägerabschnitt und der geraden Linie, die den zweiten und dritten Trägerabschnitt verbindet, ist und y0 die halbe Distanz zwischen dem zweiten Trägerabschnitt und dem dritten Trägerabschnitt bezeichnet.
4. Eine Nivelliervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der
erste Trägerabschnitt der Trägereinrichtung mit zwei
Paaren von Kugeln, welche nur um die jeweiligen Achsen
rotieren, welche nicht mit der Linie, die zwei Abschnitte
zum Tragen der Basis und des Halterungsteils verbindet,
zusammenfallen, und welche senkrecht zueinander stehen,
versehen ist.
5. Eine Nivelliervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der
erste Trägerabschnitt der Trägereinrichtung mit zwei
Paaren von axialen Körpern, welche nur um die jeweiligen
Achsen rotieren, welche nicht mit der Linie, die zwei
Abschnitte zum Tragen der Basis und des Halterungsteils
verbindet, zusammenfallen, und welche zueinander senkrecht
stehen, versehen ist.
6. Ein Nivellierungsverfahren, welches umfaßt:
einen Durchschnittsebenen-Erfassungsschritt zum Erfassen
der mittleren Ebene eines auf einem Halterungsteil
angeordneten Objekts, und einen Positionssteuerschritt zum
Steuern einer Trägereinrichtung zum Tragen des
Halterungsteils derart, daß der Richtungskosinusvektor der
durchschnittlichen Oberfläche mit dem gewünschten
Richtungskosinusvektor zusammenfällt.
7. Ein Nivellierverfahren nach Anspruch 6, wobei die
Trägereinrichtung einen ersten, zweiten und dritten
Trägerabschnitt enthält, und der zweite und dritte
Trägerabschnitt an den Scheitelpunkten der Basis eines
gleichschenkligen Dreiecks mit dem ersten Trägerabschnitt
an der Spitze angeordnet sind; und wobei die
Steuereinrichtung die Verschiebung Dp des Abstandes
zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten
Trägerabschnitt und die Verschiebung Dq des Abstandes
zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten
Trägerabschnitt aus den folgenden Gleichungen ermittelt:
ΔZp =λx0 - µy0
ΔZq =λx0 - µy0,wobei (λ, µ, ν) den Richtungskonsinusvektor der mittleren Ebene des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts repräsentiert, x0 der Abstand der Senkrechten zwischen dem ersten Trägerabschnitt und der den zweiten und dritten Trägerabschnitt verbindenden geraden Linie ist, und y0 den halben Abstand zwischen dem zweiten Trägerabschnitt und dem dritten Trägerabschnitt bezeichnet.
ΔZq =λx0 - µy0,wobei (λ, µ, ν) den Richtungskonsinusvektor der mittleren Ebene des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts repräsentiert, x0 der Abstand der Senkrechten zwischen dem ersten Trägerabschnitt und der den zweiten und dritten Trägerabschnitt verbindenden geraden Linie ist, und y0 den halben Abstand zwischen dem zweiten Trägerabschnitt und dem dritten Trägerabschnitt bezeichnet.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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