DE4207201A1

DE4207201A1 - Nivellierungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4207201A1
Application number: DE4207201A
Authority: DE
Inventors: Yoshishige Konno; Yooichi Toita; Chihiro Marumo
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1992-10-01
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: US5253429A; JPH0830743B2; DE4207201C2; JPH05172970A

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.

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 ΔZ_p des Abstands zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten Trägerabschnitt und die Verschiebung ΔZ_p des Abstandes zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten Trägerabschnitt aus den folgenden Gleichungen ermittelt:

ΔZ_p = λx₀ - µY₀
ΔZ_p = 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 ΔZ_p und ΔZ_q 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°), ΔZ_p und ΔZ_q unter der Annahme, daß (λ₀, µ₀, ν₀)= (0, 0, 1) ist, ohne irgendwelche Probleme bei der praktischen Anwendung ausgedrückt werden durch:

ΔZ_p = λx₀ - µY_o
ΔZ_q = λx₀ + µY₀.

Entsprechend ist es möglich, die Verschiebungen ΔZ_p und ΔZ_q 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 ΔZ_p und ΔZ_q 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

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.

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 ΔZ_p des Abstands zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten Trägerabschnitt und die Verschiebung ΔZ_p des Abstands zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten Trägerabschnitt aus den folgenden Gleichungen ermittelt: ΔZ_p =λx₀ - µy₀
ΔZ_p =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 D_p des Abstandes zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten Trägerabschnitt und die Verschiebung D_q des Abstandes zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten Trägerabschnitt aus den folgenden Gleichungen ermittelt: ΔZ_p =λx₀ - µy₀
ΔZ_q =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.