DE2232207A1

DE2232207A1 - Verfahren und vorrichtung zur abstandsmessung, insbesondere zur feinmessung an werkstuecken

Info

Publication number: DE2232207A1
Application number: DE2232207A
Authority: DE
Inventors: Robert E Exh
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-06-30
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-01-18
Also published as: GB1370703A; DE2232207B2; FR2144409A5; US3774312A; DE2232207C3; CA993537A

Description

L-T. ing. H Noc.-jnriorik

Dipl Ir.cs..1 Η.:-·;./: Ό\ζ.\ Γ.., s. Λ'. Schmitz Dipl. Ing. E. Gr'aahs - l"·· -.: i.-.-j. V/. Wehnert

8 München X, ftf ot^rtstraße 25

Telefon 5380586

The Bendix Corporation

Northern Regional Patent
Counsel's Office

Bendix Center 30. Juni 1972

Southfield,Mich.48O75,USA Anwaltsakte M-2219

Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere zur Feinmessung an Werkstücken

Die Erfindung betrifft Meßgeräte, bei welchen ein Meßfühler entlang der Koordinatenachsen bewegbar ist und das Ausmaß der Beweigung gemessen wird, um die Abstände zwischen zwei Punkten Ln einer durch zwei Achsen gebildeten Ebene oder in einem durch die drei Achsen gebildeten dreidimensionalen Raum zu messen.

Bekannt sind Meßgeräte, bei welchen ein Meßfühler an Punkte des zu messenden Gegenstandes herangeführt wird. Das Ausmaß der Bewegung wird gemessen und durch eine Präzisionsanordnung angezeigt, so durch ein elektro-optisches System, um den Abstand zwischen den Punkten des jeweiligen Gegenstandes zu messen.

;Bei Geräten dieser Konstruktion wird der Meßfühler mit Hilfe geLa-

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gerter Laufwerke entlang der verschiedenen Achsen bewegt. Das elektro-optische Gerät oder andere Meßeinrichtungen messen dier Bewegungs·;trecke des Laufwerkes, um die Position des Fühlers bestimmen zu können.

Diesen Geräten ist jedoch eine Ungenauigkeit eigen, da sie normalerweise voraussetzen, daß die Position der Fühlerspitze und die Position des Laufwerkes während des Messens genau korrespondieren bzw. übe rehstimmen. In der Wirklichkeit existiert dieses Verhältnis nicht, da in den Lagern Reibkräfte, wenn auch geringe, immer bestehen. Diese Reibkräfte können eine Auslenkung des Aufbaues aus Laufwerk und Fühlerspitze hervorrufen und somit eine Relativbewegung zwischen diesen Teilen auslösen. In diesem Fall ist während dös Messen5 eine exakte Zuordnung zwischen Bewegungslaufwerk und Bewegung des Meßfühlers nicht mehr möglich.

Die Messungen können infolgedessen mit Fehlern behaftet werden, deren Größe von den Reibkräften und von der Steifheit der betreffenden feile abhingen.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin die durch fehlende Anpassung zwischen Fühlerspitze und tragenden Aufbau erzeugten Meßfühler auf ein Minimum zu reduzieren.

In der nachfolgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen ist eine Vorrichtung er Läutert und beansprucht, bei welcher dem Laufwagenaufbau Schwingungen auferlegt werden. Diese Vorrichtung ist

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kombiniert mit einer Anordnung, welche die Mittelwertsposition entlang einer Achse anzeigt, so daß die Auswirkungen der friktionsinduzierten Auslenkungen und die daraus ergebenden Relativbewegungen eliminiert werden, indem man eine Situation schafft, in welcher die Mittelwertsposition des Laufwerkes derjenigen der Nullauslenkung von Fühler und Laufwagen-aufbau entspricht.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Laufwerkes und eines Meßfühleraufbaues mit einer als Blockdiagramm wiedergegebenen Darstellung des zugehörigen Wandlers und der Signalverarbeitungs- und Anzeigeschaltung; und

Fig. 2 ist eine als Blockschaltbild wiedergegebene Ansicht einer bevorzugten Mittelwerts-Anordnung zur Verwendung in einem Meßgerät gemäß der Erfindung.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Verwendung einer spezifischen Terminologie erläutert; indessen ist die Erfindung nicht auf die jeweils verwendeten Bauformen beschränkt und kann im Rahmen von Weiterbildungen und Ausgestaltungen andere Form aufweisen.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 derselben ist ein Meßfühler 10 dargestellt. Dieser ist mit Hilfe eines Laufwerkes 12 in Querrichtung entlang der "Y"-Achse verlagerbar. Das Laufwerk 12 ist zu diesem Zweck auf einem entlang der Y-Achse sich

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erstreckenden Träger 14 abgestützt und ist mittels drehbar gelagerter Rollen 18 entlang einer Schiene 16 bewegbar.

Eine Wandlereinrichtung erzeugt Ausgangssignale, welche das Ausmaß und die Richtung der Bewegung des Laufwerkes 12 relativ zum Träger 14 der Y-Achse anzeigen. Die beschriebene Anordnung besitzt vorzugsweise die Form eines elektro-optischen Systems der eingangs beschriebenen Art und arbeitet mit einem Meßkopf 20 und mit einem am Träger 14 der Y-Achse befestigten Präzisionsraster 22. Durch diese Anordnung werden Digitalimpulse erzeugt, welche Bewegungsänderungen angeben. Eine Bewegung in "Vorwärts"-Richtung löst Impulse über die Leitung 24 aus, während eine Bewegung in "Rückwärts"-Richtung Impulse über die Leitung 26 auslöst.

Da diese Systeme als bekannt anzusehen sind erübrigt sich eine ins einzelne gehende Beschreibung.

Die Impulse werden normalerweise gezählt, um zu jedem Zeitpunkt die Gesamtbewegung bezüglich eines bestimmten Bezugspunktes und die Anzeige der tatsächlichen Positim des Laufwerkes 12 bezüglich des Trägers 14 wiederzugeben. Gemäß der Lehre der Erfindung wird diese Zahl durch eine Zähl- und Mittelwertsschaltung 28 auf einen Durchschnitt bzw. Mittelwert gebracht, wobei die Durchschnittszahl in regelmäßigen Zeitabständen in der Anzeigeeinheit 30 dargestellt wird.

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Um die erzwungenen Schwingungen des Laufwerkes 12 in erfindungsgemäßer Weise zu induzieren ist ein hin- und herbewegbarer Schwingungsgeber bzw. Vibrator 32 am Laufwerk 12 angebracht.Bei Betrieb löst er Schwingungsbewegungen aus, welche eine Hauptkomponente in Richtung der Y-Achse aufweisen* Es kann jeder geeignete Schwingungsgeber bzw. Vibrator benutzt werden. Die durch den Vibrator erzeugte Amplitude und die Schwingungskräfte müssen angemessen sein, um die Bewegung des Laufwerkes und der Fühlermassen durch den Nullpunkt der Auslenkung der betroffenen Teile zu gewährleisten.

Durch die Addition der induzierten Schwingungen wird ein doulombgedämpftes, erzwungenes Federmassensystem erzeugt, innerhalb welchem die Coulomb-Dämpfung durch die Reibkräfte ausgelöst wird, während die Feder durch die Elastizität des dadurch ausgelenkten Teiles bzw. Aufbaues gebildet ist.

Solche Systeme besitzen die Neigung, um den Punkt der Nullpunktabweichung der Feder zu schwingen, falls die Federko ret ante und/oder die Kraft- oder Zwangsfunktion ausreichen, die Massen gegen die Coulomb-Üämpfuftgii-Kräfte durch den Nullpunkt zu bewegen, so daß die Mittelwertsposition diejenige der NuIlauslenkung ist. Da der Punkt der Nullauslenkung derjenige Punkt ist, bei welchem die Position des Fühlers mit derjenigen des Laufwerkes übereinstimmt, entspricht die Mittelwertsanzeige dem korrekten Wert des Laufwerkes, und zwar frei von Auslenkungseffekten der Lagerreibung.

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Eine derartige Anordnung ist für das Laufwerk jeder Achse vorgesehen.

In Fig. 2 ist eine für das beschriebene System in geeigneter Weise verwendbare Mittelwertsanordnung dargestellt. Der Meßkopf 20 erzeugt über die Leitungen 24 und 26 Impulse, welche Bewegungsschritten des Maschinen- bzw. Meßfühlers 12 in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entsprechen.

Die Impulse über die Leitungen 24 und 26 gelangen in eine Steuerbzw. Gatterschaltung 34, welche die Impulse entweder direkt über die Leitungen 30 und 40 der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 oder über die Leitungen 44, 46 dem Hilfszähler 42 zustellt. Dies hängt vom Zustand des Hilfszählers 42 ab.

Der Hilfszähler 42 ist ein Auf- und Abzähler verhältnismäßig kleiner Leistung (beispielsweise vier Bits), bei welchem durch Aufwärtszählen Impulse an der Leitung 46 und durch Abwärtszählen Impulse an der Leitung 44 ausgelöst werden. ,

Bin Vorzeichen-Flip-Flop kann benutzt werden, um die Zahl des Hilfszählers 42 hinsichtlich der Vorwärts- oder Rückwärts richtung zu kennzeichnen.

Falls der HLLfszähler M eine der Vorwärts- oder Rückwärts richtung entsprechende volle IahI enthält steuert ein über die Leitung M) eingespeistes CJberl.uiFsignaL das (lattcrneUwerk i\. F.iLls

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ein weiterer Impuls über die Leitungen 24 und 26 empfangen wird und sich dieser Impuls der Zahl des Zählers 42 voller Kapazität hinzuaddieren würde, wird dieser impuls über die Leitung 38 oder 40 direkt der Hauptzähler- und Anzeigeeinhdt 36 zugestellt.

Falls der Hilfszähler 42 seine volle Kapazität noch nicht erreicht hat wird der Impuls über das Gatternetzwerk 34 an diesen Zähler angelegt, also nicht an der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36.

.Die im Hilfszähler 42 enthaltene Zahl wird periodisch durch die Entnahme- und Mittelwertseinheit 50 entnommen, wobei der Durchschnitt der Entnahme in regelmäßigen Zeitintervallen errechnet wird. Eine Vielzahl bekannter Verfahren bestehen, um dieser Funktion gerecht zu werden. Ein besonders geeignetes System unter Verwendung eines Entrahmeregisters, eines Sammlers, Addierers und eines Teilers ist in der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung Nr. 1 46 712 entsprechend P beschrieben.

Die Zahl der Entnahme- und Mittelwerteinheit 50 wird einem Impulsgeber 52 übertragen, welcher eine Impulszahl korrekten Vorzeichens erzeugt, so daß der Proben- bzw. Entnahmemittelwert nach dem nächsten Mittelwertstakt über die Leitungen 54, 56 mehr an Null liegt und dem in de.r Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 enthaltenen Wert hinzuaddiert wird. Gleichzeitig wird diese Zahl vom Hilfszähler über die Leitungen 62 und 64 subtrahiert.

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Diese Impulszahl kann entweder aus einem einzelnen Impuls oder aus dem ganzzahligen Wert des Entnahmedurchschnitts bestehen. Im ersten Fall ist die erforderliche Schaltung wesentlich vereinfacht, wobei jedoch eine verhältnismäßig große Zahl von Mittelwertsbestimmungen erforderlich ist, um den Hilfszähler auf Null zu reduzieren. Im letzteren Fall stellt sich das System innerhalb von höchstens zwei Mittelwertsperioden bzw. -takten ein, jedoch ist die erforderliche Schaltung komplexer aufgebaut.

Falls der Meßfühler 12 bei Betrieb durch den Bedienungsmann bewegt wird erhält man über die Leitung 24 oder über die Leitung 26 einen Impulszug, Die Impulse werden entweder über Leitung 44 oder 46 am Hilfszähler 42 angelegt, bis dieser in der einen oder anderen Richtung voll ist. An diesem Punkt bewirkt das Oberlaufsignal an Lei~ tung 48, daß alle weiteren Impulse in Vo11-Richtung durch das Gaf ternetzwerk 34 direkt an der Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 angelegt werden. Die während der Bewegung angezeigte Zahl läuft also maximal nur um die Kapazität des Hilfszählers 42 nach.

Bei Beendigung der Meßfühlerbewegung erzeugt der Vibrator bzw. Schwingungsgeber einen konstant sich verändernden Impulsausgang vom Meßkopf 20, während die Entnahme- und Mittelwertseinheit 50 den Durchschnittswert bestimmt. Der Impulsgeber 52 addiert daraufhin diesen Wert am Hauptzähler 36 und subtrahiert ihn vom Hilfszähler 42, bis die Mittelwertszahl im Hilfszähler 42 während eines Mittelwertstaktes bzw. -Intervalls Null ist. Falls die Auslenkung der induzierten Schwingungen einer Impuls« zahl innerhalb der Kapazität des Hilfszählers 42 entspricht

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zeigt die Hauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 den echten Durchschnittswert der Fühlerposition an, welche dem Mittelwert der über die Leitungen 24 und 26 empfangenen Impulszahl entspricht. Der Hilfszähler 42 empfängt kontinuierlich jeden Impuls aus den Leitungen 24 und 26, wobei die Entnahme- und Mittelwertseinheit 50 und der Impulsgeber 52 bereit sind, die Ilauptzähler- und Anzeigeeinheit 36 auf den neusten Stand zu bringen, falls sich die vom Hilfszähler empfangene Mittelwertszahl während der Bewegung des Meßfühlers gegenüber Null verschiebt.

Die beschriebene Anordnung verhindert Einflüsse streuender bzw. unregelmäßiger Schwingungen, welche den induzierten Schwingungen überlagert sind, obwohl die Störschwingungen normalerweise kleiner sind als die induzierten Schwingungen. So erhält man eine Anzeige, welche verhältnismäßig konstant bleibt und eine leichte und genaue Ablesung durch die Bedienungsperson ermöglicht. Die Ablesung gibt die tatsächliche Position des Meßfühlers entlang der in Frage kommenden Achse wieder.

Das beschriebene System kann jeder Koordinatenachse zugeordnet und an dieser ausgeübt werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Punkten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fühler zwischen den Punkten auf einem Auflager abgestützt bewegt wird, daß eine Schwingungsbewegung ausreichender Amplitude am Auflager entlang der Bewegungsrichtung induziert wird, so daß die Mittelwertsposition des Auflagers derjenigen entspricht, bei welcher keine die Zuordnung zwischen Fühler und Auflager verfälschende Auslenkung existiert, und daß die Mittelwertsposition über Zeitintervalien am Auflager gemessen wird, während sich der Meßfühler von einem der Punkte zum anderen bewegt.

2. Vorrichtung zur Abstandsmessung zwischen Punkten entlang einer Bahn gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Fühlkörper durch ein Laufwerk entlang der Bahn bewegbar ist, gekennzeichnet durch einen hin- und herbewegbaren Vibrator ()2), welcher eine Vibrationsbewegung am Laufwerk (12) in

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Richtung der Bahn induziert, und ein Meßgerät (20,28,30), welches ein die Mittelwertsposition des Laufwerkes während eines Zeitintervalls anzeigendes Ausgangssignal erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufwerk (12) durch Lagereinriehtungen (16) linear bewegbar geführt ist,

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät einen Wandler (20) aufweist, welcher Impulse entsprechend der Bewegungsschritte in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entlang der Bahn erzeugt, und eine Zähl- und Mittelwertsschaltung (28), welche die Position des Laufwerkes (12) entlang der Bahn anzeigende Signale erzeugt.

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