DE4207201C2

DE4207201C2 - Nivellierungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4207201C2
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: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: JPH05172970A; DE4207201A1; JPH0830743B2; US5253429A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nivellierungsverfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 5 und eine Nivellierungsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Nivellieren eines Objekts, dessen Oberflä chenform oder Oberflächenrauhigkeit zu messen ist.

Nivelliervorrichtungen zum Steuern der Lage eines auf einem Halterungsteil an geordneten Objekts sind bekannt, und sie werden im allgemeinen dazu verwen det, ein Meßobjekt, ein Werkstück oder dergleichen auf den Halterungsteilen, zum Beispiel eines Oberflächenrauhigkeitstesters, einer in drei Dimensionen messen den Vorrichtung und verschiedener Bearbeitungsmaschinen, zu plazieren.

Im Fall eines Oberflächenrauhigkeitstesters zum Beispiel ist, wenn die Meßebene geneigt ist, die sich bei einer Messung ergebende Basislinie, wie in Fig. 15(A) gezeigt, geneigt und daher ungeeignet zum Ermitteln von die Oberflächenrauhig keit betreffenden Daten. Darüber hinaus wird, da ein weiter Toleranzbereich in dem Fall, wie er in der Fig. 15(A) gezeigt ist, festgelegt werden muß, die Auflö sung der Messung beeinträchtigt. Es ist daher notwendig, die Halterungslage ein zustellen, um so in der Richtung der Abtastung durch den Fühler (siehe Fig. 15 (B)) einen Ausgleich herstellen.

Im Falle der dreidimensionalen Bestimmung der Oberflächenrau higkeit durch mehrmaliges Messen unter Zuführen des Fühlers Stück für Stück in Richtung senkrecht zur Abtastung durch den Fühler bildet die Nivellierung in der Richtung senkrecht zur Richtung der Abtastung eine wichtige Voraussetzung.

Aus der US 3 829 978 ist ein in seiner Neigung einstellbarer Arbeitstisch für die Aufnahme von Werkstücken bekannt, der drei übereinander angeordnete Platten aufweist, wovon die unterste Platte als in einer Meßeinrichtung installierbare Basisplatte dient. Die mittlere Platte ist zusammen mit der obersten Platte um eine erste horizontale Achse schwenkbar. Die oberste Platte ist um eine zweite horizontale Achse schwenkbar, die zu der er sten horizontalen Achse senkrecht steht.

Aus der DE 38 11 556 A1 ist eine Nivelliervorrichtung für eine Rauhigkeitsmeßvorrichtung bekannt, die eine Einrichtung ent hält, mit der der Neigungswinkel der mittleren Ortslinie von mit einem Taster an einem Werkstück gemessenen Rauhigkeitsmeß werten zu einer Grundlinie eines das Werkstück tragenden Trä gertisches ermittelt werden kann. Zur Einstellung des zulässi gen Neigungswinkels der ermittelten mittleren Ortslinie wird der Trägertisch um eine relativ zu der Grundlinie horizontale Achse verschwenkt.

In den herkömmlichen Nivelliervorrichtungen ist die Nivellie rung nur in einer Richtung automatisiert, und es ist noch keine Nivelliervorrichtung hergestellt worden, welche zur dreidime sionalen automatischen Lagekontrolle eines auf einem Halte rungsteil angeordneten Objekts in der Lage ist. Folglich muß bei dreidimensionaler Lageausrichtung eines auf dem Halterungs teil plazierten Objekts eine Einstellung von Hand erfolgen, was viel Arbeit und Zeit erfordert.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nivelliervorrichtung, welche zur dreidimensionalen Lage steuerung eines auf einem Halterungsteil angeordneten Objekts in der Lage ist, und ein entsprechendes Nivellierverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch 1 bzw. unabhängigen Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Trägereinrichtung ist zwischen der Basis und dem Halte rungsteil angeordnet und enthält drei Trägerabschnitte, welche nicht auf derselben geraden Linie liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das zweite Trägerelement und das dritte Trägerelement an den End punkten der Basis eines gleichschenkeligen Dreiecks mit dem er sten Trägerelement an der Spitze angeordnet sind, und die Steu ereinrichtung die Verschiebung ΔZ_p des Abstands zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem zweiten Trägerelement und die Verschiebung ΔZ_q des Abstands zwischen der Basis und dem Halterungsteil an dem dritten Trägerelement aus den folgenden Gleichungen ermittelt:

ΔZ_p = λX₀ - µY₀

ΔZ_q = λX₀ + µY_0,

wobei λ und µ Elemente des Richtungskosinusvektors (λ, µ, ν) der mittleren Ebene des auf dem Halterungsteil angeordneten Objekts repräsentieren, X₀ die Länge der Senkrechten von dem ersten Trä gerelement auf die das zweite und dritte Trägerelement verbin dende gerade Linie ist und Y₀ die halbe Distanz zwischen dem zweiten Trägerelement und dem dritten Trägerelement bezeichnet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform enthält ein Zwischen trägerteil, auf dem auf einer der Basis zugewandten Seite und einer dem Halterungsteil zugewandten Seite jeweils zwei Rotati onskörper mit ihren Rotationsachsen auf einer gemeinsamen Achse und mit den beiden gemeinsamen Achsen senkrecht zu einander derart gelagert sind, daß das Halterungsteil über das Zwischenträger teil und die Rotationskörper nur um die beiden gemeinsamen Ach sen drehbar sind.

Die obengenannten und anderen Ziele, Merkmale und Vorteils der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden 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 Trägerelemente 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 Trägerelements 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 Trägerelements, 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 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 8 derart zusammengesetzt, daß dieses in Richtung von Y verschiebbar ist.

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 wird in Richtung von Z 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 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 Trägerelementen 12, 13 und 14 zusammengesetzt. Durch vertikales Bewegen der Positionen, in welchen das Halterungsteil 10 durch die Trägerelemente 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 von 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 also 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. Das Trägerelement 12 trägt das Halterungsteil 10 am Punkt 0 derart, daß nur eine räumliche Drehung außer um die Z-Achse möglich ist, und die Trägerelemente 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 mittlere Ebene, welche auf der Oberfläche des Meßobjekts angenommen wird, aus den Koordinaten von nicht weniger als drei Punkten (X, Y, Z) des Objekts 8, welche nicht auf derselben geraden Linie liegen, ermittelt. Die mittlere Ebene 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 mittleren Ebene in der Richtung von X, Y und Z entsprechend den folgenden Gleichungen ermittelt:

Ein senkrechtes Ausrichten der mittleren Ebene zu der Z-Achse ist gleichbedeutend mit einer Änderung des Richtungskosinusvektors der mittleren Oberfläche des Objekts 8 in (0, 0, 1). Wenn sichergestellt wird, daß der Kosinusvektor des Halterungsteils 10 in Richtung der Oberfläche (λ₀, µ₀, ν₀) liegt, werden im Fall der Durchführung dieser Änderung durch Bewegen der Punkte P und Q dir 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.

Da es im allgemeinen schwierig ist, den Richtungscosinus (λ₀, µ₀, ν₀) zu erfassen, können ΔZ_p und ΔZ_q, wenn der Winkel zwischen (0, 0, 1) und (λ₀, µ₀, ν₀) genügend klein ist (z. B. nicht größer als 2°), unter der Annahme, daß (λ₀, µ₀, ν₀) = (0, 0, 1) ist, ohne irgendwelche Probleme bei der praktischen Anwendung durch

ΔZ_p = λX₀ - µY₀

ΔZ_q = λX₀ + µY₀

ausgedrückt werden.

Entsprechend ist es möglich, die Verschiebungen ΔZ_p und ΔZ_q des Trägerpunkts P bzw. Q in der Richtung von Z aus den Werden λ und µ zu berechnen, welche in einer vorbereitenden Messung tatsächlich gemessen worden sind, um so die mittlere Ebene des Meßobjekts 8 zu bestimmen.

Wie oben beschrieben, ist bei der Nivelliervorrichtung dieses Ausführungsbei spiels eine automatische dreidimensionale Lagesteuerung (dreidimensionale Ni vellierung) möglich, indem die mittlere Ebene des Meßobjekts 8 durch eine vorbe reitende Messung bestimmt wird und die Höhen der Trägerelemente 13, 14 so eingestellt werden, daß der Richtungscosinusvektor (λ, µ, ν) der mittleren Ebene 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 Trägerelementen 12, 13 und 14 zusammengesetzt und trägt das Halte rungsteil 10 in der gewünschten Lage in bezug auf die Basis 9.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Explosivdarstellung des Hauptteils des ersten Trägerelements 12. Wie aus der Fig. 8 hervorgeht, ist das erste Trägerelement 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 unte ren Oberfläche des Halterungsteils 10 durch Schrauben befestigt, und die Träger teile 23, 24 sind an der oberen Fläche der Basis 9 durch Schrauben befestigt. Auf diese Weise trägt das erste Trägerelement 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 dreh baren Haltern des Drehteils 20 versehen.

Das zweite Trägerelement 13 und das dritte Trägerelement 14 weisen eine annä hernd 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.

Das zweite Trägerelement 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 ge zeigt, 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 das zweite Trä gerelement 13 für einen variablen Abstand zwischen der Basis 9 und dem Halte rungsteil 10. Da die Position, in welcher das Gleitstück 31 in Berührungseingriff mit der sphärischen Rolle 29 gelangt, unbehindert geändert wird, trägt das zweite Trägerelement 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 das zweite Trägerelement 13, ist das dritte Trägerelement 14 aus ei ner sphärischen Rolle 32, einem Trägerteil 33 zum drehbaren Haltern des sphäri schen Teils 32 und einem Gleitstück 34, mit welchem die sphärische Rolle 32 im Eingriff steht, zusammengesetzt.

Diese drei Trägerelemente 12, 13 und 14 sind derart angeordnet, daß ein gleich schenkliges Dreieck mit dem ersten Trägerelement 12 als Spitze gebildet wird. Die Länge der Basis des gleichschenkligen Dreiecks, d. h. der Abstand zwischen dem zweiten und dritten Trägerelement 13 bzw. 14, beträgt 2Y₀ und die Höhe des gleichschenkligen Dreiecks, d. h. der Abstand zwischen dem ersten Trägerele ment 12 und der das zweite und dritte Trägerelement 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.

Das zweite Trägerelement 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 sowie 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 das zweite Trägerelement 13 getragen ist, geändert wird.

Eine Abstandsänderungseinrichtung 41 des dritten Trägerelements 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 gebildet, der bei 1000 Schritten eine Umdrehung ausführt. 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, sowie 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 Oberflächenrauhigkeitstester 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 Oberflächenrauhigkeitstester 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 mittlere Ebene 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 Fühler 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 N von Abtastvorgängen 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 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 (λ_0, 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 mittleren Ebene 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 Z-Richtungssteuereinrichtung 61 und einer 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 än dern, an welchen das Halterungsteil 10 durch das zweite und dritte Trägerelement 13 bzw. 14 getragen ist. Andererseits wird der Abstand zwischen der Basis 9 und dem Halterungsteil 10 an der Position, an welcher das Halterungsteil 10 durch das erste Trägerelement 12 getragen ist, konstant gehalten.

Durch Ändern des Halterungszustands des Halterungsteils 10 durch die drei Trä gerelemente 12, 13 und 14 in dieser Weise wird die Neigung des Halterungsteils 10 in bezug auf die Basis 9 korrigiert und die Meßebene des Meßobjekts 8 nivel liert.

Durch mehrmaliges Wiederholen dieser Nivellierungsschritte wird eine genauere Nivellierung ermöglicht.

Während des Betriebs der Nivellierungsvorrichtung 7 wirkt, wenn die Abstands änderungseinrichtungen 35 und 41 angetrieben werden, eine jeweils unterschied liche Kraft zum Drehen des Halterungsteils 10 um die X-, Y- und Z-Achse auf die Trägerteile 21 und 22 des ersten Trägerelements 12. Die Trägerteile 21 und 22 empfangen diese Kraft und drehen das Drehteil 20 in den Richtungen 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, wenn die Neigung des Halterungsteils 10 in bezug auf die Basis 9 korrigiert wird, die Position des auf dem Halterungsteil C angeordneten Meßobjekts 8 in bezug auf den Oberflächenrauhigkeitstester 1, ausgenommen seine Neigungslage, 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 Ziffern) oder vorangestellte 10 (im Fall von einer Ziffer) erweiterten Bezugszahlen bezeichnet, und auf eine Erläuterung dieser Elemente wird verzichtet.

Die Nivelliervorrichtung 107 weist mit Ausnahme eines ersten Trägerelements 112 die gleiche Struktur wie die Nivelliervorrichtung 7 des ersten Ausführungsbeispiels auf.

Das erste Trägerelement 112 der Nivelliervorrichtung 107 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist aus einem Eingriffsteil 170, einer Regulierplatte 171, einem Stabteil 172, einem Halteteil 173 und zwei Kugelpaaren 174, 175 und 176, 177, wie in Fig. 13 gezeigt, zusammengesetzt.

Das Eingriffsteil 170 ist ander 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 vorgesehen, durch welches das Stabteil 172 tritt.

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 170, 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.

Das den obenbeschriebenen Aufbau aufweisende Trägerelement 112 trägt das Halterungsteil 110 in bezug auf die Basis 109 in der gleichen Weise wie das erste in der Fig. 8 gezeigte Trägerelement 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 unter schiedlichen Durchmessern oder durch ein Stabpaar mit über ein Zwischenteil verbundenen, zueinander senkrecht angeordneten Stäben gebildet sein.

Wie oben beschrieben, sind entsprechend den Ausführungsbeispielen drei Trä gerabschnitte 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 drehbar sind, welche nicht mit der zwei Trägerelemente zum Tragen des Halterungsteils verbindenden Linie zusammenfallen und welche senkrecht zueinanderstehen. Im Ergebnis drehen sich, wenn die Neigung des Halterungsteils in bezug auf die Basis korrigiert wird, die Basis und das Halterungsteil nicht relativ um die Linien, welche zwei Trägere lemente zum Tragen des Halterungsteils verbinden.

Claims

1. Nivelliervorrichtung mit
einem Halterungsteil (10) zum Haltern eines Objekts (8),
einer zwischen dem Halterungsteil (10) und einer Basis (9) angeordneten Trägereinrichtung (11) zum Tragen des Halterungsteils (10) in variabler Neigung zu der Basis (9),
einer Meßeinrichtung (1) zum Ermitteln von Koordinaten von Punkten in einem spezifizierten Bereich auf dem Ob jekt (8), und
einer Steuereinrichtung (50) zum Steuern der Neigung des Halterungsteils (10) auf der Basis der ermittelten Koor dinaten, um das Objekt (8) in eine gewünschte Lage zu bringen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (1) zur Ermittlung der Koordinaten von wenigstens drei, nicht auf der gleichen Geraden lie genden Punkten vorgesehen ist,
daß die Steuereinrichtung (50) eine Einrichtung zum Er mitteln der Lage einer mittleren Ebene der Oberfläche des Meßobjekts aus den wenigstens drei Koordinaten aufweist und die Neigung des Halterungsteils (10) basierend auf der ermittelten Ausgangslage der mittleren Ebene steuert, um die mittlere Ebene in eine gewünschte Lage zu bringen,
daß die Trägereinrichtung (11) drei entsprechend den Eck punkten eines Dreiecks angeordnete Trägerelemente (12-14) enthält,
daß ein erstes (12) von den drei Trägerelementen (12-14) das Halterungsteil (10) in konstantem Abstand zu der Ba sis (9) trägt und eine räumliche Drehung des Halterungs teils (10) außer um eine zu der Basis (9) vertikale Achse erlaubt, und
daß ein zweites (13) und drittes (14) von den Trägerele menten (12-14) das Halterungsteil (10) mit durch die Steuereinrichtung variierbarem Abstand zur Basis (9) trägt.

2. Nivelliervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Trägerelement (13) und das dritte Trägerelement (14) an den Endpunkten der Basis eines gleichschenkeligen Drei ecks mit dem ersten Trägerelement (12) an der Spitze an geordnet sind, und die Steuereinrichtung (50) die Ver schiebung ΔZ_p des Abstands zwischen der Basis (9) und dem Halterungsteil (10) an dem zweiten Trägerelement (13) und die Verschiebung ΔZ_q des Abstands zwischen der Basis (9) und dem Halterungsteil (10) an dem dritten Trägerelement (14) aus den folgenden Gleichungen ermittelt:
ΔZ_p = λX₀ - µY₀
ΔZ_q = λX₀ + µY₀
wobei λ und µ Elemente des Richtungskosinusvektors (λ, µ, ν) der mittleren Ebene des auf dem Halterungsteil (10) angeordneten Objekts (8) repräsentieren, X₀ die Länge der Senkrechten von dem ersten Trägerelement (12) auf die das zweite und dritte Trägerelement (13, 14) verbindende ge rade Linie ist und Y₀ die halbe Distanz zwischen dem zweiten Trägerelement (13) und dem dritten Trägerelement (14) bezeichnet.

3. Nivelliervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net durch ein Zwischenträgerteil (171), auf dem auf einer der Basis (9) zugewandten Seite und einer dem Halterungs teil (10) zugewandten Seite jeweils zwei Rotationskörper (174, 175; 176, 177) mit ihren Rotationsachsen auf einer gemeinsamen Achse und mit den beiden gemeinsamen Achsen senkrecht zueinander derart gelagert sind, daß das Halte rungsteil (10) über das Zwischenträgerteil (171) und die Rotationskörper (174-177) nur um die beiden gemeinsamen Achsen drehbar sind.

4. Nivelliervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rotationskörper Kugeln (174-177) sind.

5. Nivellierverfahren, bei dem die Koordinaten von Punkten in einem spezifizierten Bereich auf einem Objekt (8), das auf einem Halterungsteil (10) angeordnet ist, gemessen werden, und
die Neigung des Halterungsteils (10) ausgehend von den gemessenen Koordinaten gesteuert wird, um das Objekt (8) in eine gewünschte Lage zu bringen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ermittlung der Lage einer mittleren Ebene des Meßobjekts (8) die Koordinaten von wenigstens drei, nicht auf der gleichen Geraden liegenden Punkten auf dem Meßob jekt (8) gemessen werden,
daß die Neigung des Halterungsteils (10) so gesteuert wird, daß der der ermittelten Lage entsprechende Rich tungskosinusvektor der mittleren Ebene in einen einer ge wünschten Lage der mittleren Ebene entsprechenden Rich tungskosinusvektor geändert wird, wobei
das Halterungsteil (10) um einen ersten (O) von drei ent sprechenden Ecken eines Dreiecks angeordneten Halterungs punkten (O, P, Q) außer um eine vertikale Achse räumlich gedreht wird, indem das Halterungsteil (10) an einem zweiten (P) und dritten (Q) von den drei Halterungspunk ten (O, P, Q) vertikal um die Länge ΔZ_p bzw. ΔZ_q verscho ben wird.

6. Nivellierverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verschiebungslängen ΔZ_p, und ΔZ_q aus den Gleichungen
ΔZ_p = λX₀ - µY₀
ΔZ_q = λX₀ + µY₀,
ermittelt werden, wobei λ, µ Elemente des ermittelten Richtungskosinusvektors (λ, µ, ν) der mittleren Ebene sind, X₀ der Abstand der Senkrechten von dem ersten Hal terungspunkt (O) auf die gerade Verbindungslinie (P-Q) des zweiten und dritten Halterungspunktes ist, und Y₀ die halbe Distanz zwischen dem zweiten und dritten Halte rungspunkt bezeichnet.