Vorrichtung zur Prüfung eines Umrisses eines Körpers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prüfung eines Umrisses eines Körpers, insbesondere solcher Art, die eine Aufzeichnung der Unrundheit eines Werkstückes - sei es permanent, sei es vor übergehend - ermöglichen.
Es sind Anordnungen zur Messung der Rundheit eines Werkstückes und zur Erzeugung einer graphischen Aufzeichnung der nacheinander folgenden Messungen vorgeschlagen worden, bei denen eine kontinuierliche Spur gegenüber Grenzmarken, wie Grenzzeichen, ermittelt und aufgezeichnet wird.
Bei einer bekannten Vorrichtung ist ein Fühler vorgesehen, der an einer drehbaren Welle befestigt ist und rundum eine Kontur eines festliegenden, zu prüfenden Werkstückes abtastet. Die Abweichung von der wahren, vorgegebenen Kontur wird über den Fühler und zugeordnete Vorrichtungen in ein Analogsignal umgewandelt. Dieses Signal wird nach geeigneter Verstärkung in die kontìnuierliche Spur obengenannter Art umgewandelt, wozu ein Schreiber vorgesehen ist, in dem ein Schreibstift synchron mit dem Fühler umläuft und auf einer stationären Karte aufliegt.
Bei diesem bekanten Instrument und grundsätzlich in jeder Anordnung, die es gestattet, die Kontur eines Werkstückes mit einem Fühler abzutasten, der das Werkstück umläuft, um so Fehler auf einer Karte aufzuzeichnen, muss die Exzentrizität zwischen dem wahren Mittelpunkt des festen Teils und dem wahren Mittelpunkt des sich drehenden Teils im wesentlichen eliminiert werden, wenn die Konturspur wenigstens annähernd konzentrisch um den Kartenmittelpunkt verlaufen soll. Dies ist für eine genaue Ablesung und Auswertung der Spur und für eine gute Ausnutzung des Kartenbereiches erforderlich.
Die Beseitigung der Exzentrizität ist eine aufwendige und langwierige Arbeit, die die Messarbeit verzögert, was insbesondere ins Gewicht fällt, wenn eine grosse Menge von Werkstücken in schneller Folge geprüft werden soll, insbesondere dann, wenn hohe Fehlersignalverstärkungen erforderlich sind und ausgewertet werden müssen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Notwendigkeit einer genauen Einstellung des Werkstückes zu beseitigen und es zu ermöglichen, eine Umrissspur genau auf einer Karte, insbesondere auch auf einem Wiedergabeschirm, wiederzugeben.
Eine genau zentrierte Umrissspur vereinfacht ausserordentlich die Auswertung des Umrissfehlers in jedem Abschnitt der Spur. Sie liefert jedoch keine unmittelbare Anzeige des Mittelwertes des Fehlers, der allein m seiner ungefähren Grösse abgeschätzt werden kann. Die Abschätzung hängt von der Erfahrung des Bedienenden ab. Dabei wird angenommen, dass der Mittelwert tatsächlich ermittelt werden muss.
In weiterer Ausbildung der Erfindung lassen sich auch Mittel angeben, mit denen eine mittlere Kurve, die den Mittelwert der Umrissspur repräsentiert, selbsttätig der Umrissspur superponiert werden kann.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Prüfung eines Umrisses eines Körpers ist gekennzeichnet durch ein in einer nahezu konzentrischen Drehbeziehung zum Körper angeordnetes Tastorgan, um den Umriss abzutasten, durch Mittel zum Herleiten eines elektrischen Fehlersignals als Resultierende einer ersten, einer Abweichung des Umrisses von einem vorbestimmten Sollumriss entsprechenden Signalkomponente und einer zweiten, der restlichen Exzentrizität der Drehbeziehung entsprechenden Signalkomponente, ferner gekennzeichnet durch Verstärkungsmittel für das elektrische Fehlersignal, durch Mittel zur Umsetzung der verstärkten ersten Signalkomponente in eine entsprechende, sichtbare Umrissspur auf einer Karte rund um den Mittelpunkt derselben,
durch Mittel zur selbsttätigen Verstellung der Rela tivlage des Kartenmittelpunktes zu der Umrissspur in Abhängigkeit von der zweiten Signalkomponente, um der Wirkung der restlichen Exzentrizität der Drehbeziehung entgegenzuwirken, wodurch die Abweichung der Umrissspur von einem Mittelwert - unabhängig von der restlichen Exzentrizität - unverfälscht auswertbar ist.
Es kann leicht gezeigt werden, dass die genannte restliche Exzentrizität in erster Annäherung durch die Fundamentalkomponente des Fehlersignals gegeben ist. Die Fundamentalkomponente ist diejenige Fourierkomponente der Frequenz, die der Umlauffrequenz der genannten Umlaufbeziehung entspricht.
In einer Weiterausbildung der Erfindung wird diese Komponente ermittelt und zur Erzeugung einer Justierung verwendet, die der Fehleinstellung des Mittelpunktes der Umrissspur relativ zum Mittelpunkt der Karte, die von der restlichen Exzentrizität verursacht wurde, entgegenwirkt.
Die Ermittlung der genannten Komponente erfolgt vorzugsweise am Ende eines ersten vollständigen Umlaufes in der genannten Umlaufbeziehung. Die Umrissspur wird vorzugsweise bei einem folgenden Umlauf erzeugt.
Entweder während des ersten oder während eines folgenden vollständigen Umlaufes kann der Mittelwert des Fehlersignals durch einen Integrationsprozess ermittelt werden, und das Ergebnis kann gespeichert werden.
Eine mittlere Spur, in der Regel in Form eines mittleren Kreises, kann bei einem folgenden Umlauf mittels des Speicherwertes erzeugt werden. So ergibt sich eine mittlere Spur, die den mittleren Radius in bezug zur Umrissspur angibt. Die Spuren liegen beide genau zentrisch um den Mittelpunkt der Karte, unabhängig von irgendeiner Restexzentrizität der Drehbeziehung.
Die Spuren können mittels einer mechanischen Anordnung erzeugt werden, die einen Schreiber und eine runde Karte aufweist. Der Schreiber oder die Karte sind vorzugsweise synchron mit einer Welle drehbar, die den Fühler trägt; der jeweils andere Teil liegt fest.
Ist die Karte drehbar, dann stellt vorzugsweise die genannte Fundamentalkomponente die Lage des Schreibers in bezug zum Mittelpunkt der Karte, auf die der Schreiber zeichnet, ein. Ist der Schreiber drehbar, so wird vorzugsweise der Kartenträgertisch verstellt. In jedem Fall wird vorzugsweise eine Servomotoranordnung mit Tachometer-Rückkopplung verwendet.
In manchen Anwendungsfällen kann es zweckmässig sein, den mechanischen Schreibstiftaufzeichner, wie er beispielsweise in der britischen Patentschrift Nr. 706 763 beschrieben ist, gegen einen nichtmechanischen Schreiber oder Aufzeichner auszutauschen.
Dieses letztgenannte Gerät kann im wesentlichen aus einer Kathodenstrahlröhre bestehen, die mit den erforderlichen Mitteln versehen ist, welche ihr die Ablenkungs- und andern Steuersignale zuführen, mit denen der Kathodenstrahl oder ein Kathodenstrahl eine sichtbare Spur auf dem Wiedergabeschirm nach Massgabe des ermittelten Konturfehlers zu erzeugen imstande ist, und eine superponierte Spur, die den Mittelwert des Fehlers repräsentiert, und zwar jeweils derart, dass beide Spuren genau um den Mittelpunkt des Schirmes, der in diesem Fall die Karte bildet, zentriert sind.
Für jede Spur kann ein gesonderter Kathodenstrahl vorgesehen sein. Die Kathodenstrahlrohr-Wiedergabe kann für Sichtüberprüfungen verwendet werden oder zur Erzeugung einer permanenten Aufzeichnung durch irgendeinen geeigneten Aufzeichnungsprozess, wie etwa durch Photographie oder durch Elektronenphotographie.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht eine schnelle Wiedergabe der Messwerte und die Auswertung eines Umrisses im Verhältnis zu andern Umrissen des zu prüfenden Werkstückes. Dies kann beispielsweise durch folgende Schritte erreicht werden:
Automatische Zentrierung der Karte. Erzeugung einer Aufzeichnung eines Umrisses, Festhalten des automatischen Zentriermechanismus, Verschiebung des Werkstückes in eine neue Stellung zur Abtastung eines zweiten Umrisses und Erzeugung einer Aufzeichnung des genannten zweiten Umrisses. Stehen die beiden Umrissspuren in der gewünschten räumlichen Beziehung zueinander, so existieren keine Fehler in ihrer relativen Lage. Kleinere Fehler sind in der Praxis jedoch vorhanden; diese Fehler sind durch eine Verschiebung der einen Umrissspur gegenüber der andern zu beobachten.
Der Mechanismus zur Verschiebung des Werkstückes, der in diesem Falle verwendet wird, muss selbstverständlich mechanisch äusserst genau ausgeführt sein.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren in Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein zu prüfendes Werkstück 1. das eine nominelle Rundkontur hat, auf einem (nicht dargestellten) Arbeitstisch, etwa kontinuierlich zu einer Welle 2, angeordnet, die in einem Hohilager 3 läuft. An der Spindel ist ein Fühlerarm 4 angelenkt, der mit leichtem Druck der Kontur anliegt. Der Fühlerarm überträgt alle ihm durch eventuelle Unregelmässigkeiten erteilten Bewegungen auf einen Wandler 5, der ein elektrisches Signal proportional zur Verdrehung des Armes um seine Anlenkstelle erzeugt.
Die bisher beschriebene Anordnung ist ähnlich der in der britischen Patentschrift Nr. 706763 beschriebenen. Die Ausgangserregung des Wandlers wird bei dieser vorbekannten Anordnung verstärkt und einem stationären Schreibstiftaufzeichner zuge führt, der mit einer Karte zusammenarbeitet, welche sich synchron zu der den Abtastarm tragenden Welle dreht.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1 ist ein Schreiber 6 mit einem Schreibstift 6a vorgesehen, der synchron mit der Welle 2 umläuft.
Der Kartentisch 7 ist in noch zu beschreibender Weise innerhalb gewisser Grenzen allein in der x-y-Ebene verschiebbar.
Die Welle 2 trägt ein Gabelgelenk 8, in dem drehbar eine Welle 9 gelagert ist, die sich mit einem Integrierrad 10, einem Servomotor 11 und einem Tachometer 12 dreht. Das Gabelgelenk 8 und die ihm zugeordneten Teile drehen sich ihrerseits mit der Welle 2. Der Servomotor 11 und das Tachometer 12 liegen zusammen mit einem Servoverstärker 13 in einer üblichen Servoschleife.
Schalter 14, 15 und 16 gestatten es, das von dem Wandler ausgehende und durch nicht gezeigte Mittel geeignet verstärkte Fehlersignal F(o-) dem Rückkopplungspunkt 17 der Servoschleife oder dem Integrier- und Verstärkerspeicher 18 oder dem Schreiber 6 zuzuführen.
Da das zu beschreibende System in erster Linie eine Umrissspur erzeugen soll, die konzentrisch zur Mitte der Karte auf dem Tisch 7 liegt, unabhängig von irgendwelchen Restexzentrizitäten zwischen Werkstück und Spindel, so ist die erste Operation auf die automatische Einstellung des Tisches 7 gerichtet. Aus diesem Grunde tastet die Spitze des Armes 4 zunächst die Kontur des Werkstückes 1 bei einer vollständigen Umdrehung der Welle 2 ab, nachdem der Schalter 14 geschlossen wurde.
Während des Umlaufes bewirkt das dem Rückkopplungspunkt 17 über den Schalter 14 zugeführte F(O)-Signal, dass über den Verstärker 13 der Motor 11 in der einen oder andern Richtung gedreht wird, je nachdem, ob das Fehlersignal zu irgendeiner Zeit positiv oder negativ ist. Die Rückkopplung mittels des Tachometers 12 sichert in bekannter Weise die Servostabilität.
Wenn der Motor 11 umläuft, dreht er die Welle 9 und dementsprechend das Integrierrad 10, das in Reibschluss mit dem Kartentisch 7 steht.
Das sich drehende Rad 10 verschiebt den Karlentisch 7 in dessen x-y-Ebene, und zwar in einer Richtung, die zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt durch den Winkel bestimmt ist, in den sich seine Drehachse in der Kartenfischebene gedreht hat. Der Motor 11 und der Wandler 12 drehen sich - wie oben schon angeführt - mit der Welle 2. Der Verstärker 13 braucht sich nicht mitzudrehen. Die elektrischen Verbindungen zu ihm führen beispielsweise über Schleifringe, die rund um die Welle 2 angeordnet sind.
Zum klaren Verständnis der Wirkungsweise sei angenommen, dass zunächst keine Exzentrizität zwi- schen dem Werkstück 1 und der Welle 2 vorliegt. In diesem Fall kennzeichnet das Fehlersignal F(o-) allein den wahren Konturspurfehler des Werkstückes 1. Der Verstärker 13 dreht den Motor 11 in der einen oder andern Richtung in einem durch F(O) gegebenen Ausmass. Das Integrierrad 10 verschiebt den Tisch 7, während die Drehachse des Integrierrades in der Tischebene den Winkelbereich von 0 bis 2z durchläuft.
Lag der Mittelpunkt der Karte auf dem Tisch konzentrisch zur Welle und dementsprechend die Drehachse des Schreibers auf dem Winkel O, so kehrt der Tisch nach einem Umlauf in seine ursprüngliche Stellung zurück, wie auch seine aufeinanderfolgenden Verschiebungen auf Grund des Feh lersignais waren. Dies wird ohne weiteres klar, wenn man die Tatsache berücksichtigt, dass der Anfang und das Ende einer kontinuierlichen Spur zusammen fallen müssen.
Besteht anderseits ein Restexzentrizitätsfehler zwischen dem Werkstück 1 und der Welle 2, so hat das Signal F(o-) eine Fundamentalkomponente, die diese Exzentrizität wiedergibt. Dies bedeutet, dass das Integrationsrad auf ein kombiniertes Signal anspricht, das aus dem wahren Konturfehlersignal, welches keinen Effekt auf die endgültige Einstellung des Kartentisches hat, und der Exzentrizitätskomponente zusammengesetzt ist. Diese Komponente bewirkt, dass das Rad sich so dreht, dass es den Tisch in einer Weise verschiebt, welche bei jedem oben definierten Winkel zwischen den Werten 0 und 2s den Mittelpunkt der Karte der Spitze des Schreibstiftes näher bringt, als wenn die Kontur des Werkstückes den Arm 4 nach aussen schwenkt, und umgekehrt. Dies ist ein Resultat der Exzentrizität.
Es bedeutet, dass dann, wenn die Welle 2 einen Umlauf beendet hat, der Tisch in einer Lage liegt, die, wenn sie beibehalten wird, es ermöglicht, bei einer folgenden Umdrehung der Welle 2 den Konturfehler genau zentrisch um den Mittelpunkt der Karte als Spur einzuzeichnen, da das Integrierrad ja eine Verschiebung zwischen dem Mittelpunkt der Karte und der Drehachse der Welle 2 herbeigeführt hat, die genau dem Effekt der Exzentrizität entgegenwirkt, nachdem sie den Schreibstift auf die Achse zu und von ihr fort geschwungen hat.
Mathematisch ist die Wirkung des Integrierrades äquivalent der Ermittlung des Integrals
EMI3.1
(wo 0 der Drehwinkel der Welle 2 ist und F(O) das Fehlersignal).
Ist der Tisch durch die erste Umdrehung der Welle eingestellt worden, so wird der Schalter 14 ge öffnet, und es werden die Schalter 15 und 16 geschlossen. Die Welle 2 vollzieht nun eine weitere Umdrehung, während der der Schreiber, der über den Schalter 16 angeschaltet ist, eine kontinuierliche Umrissspur konzentrisch um den Mittelpunkt der Karte aufschreibt.
Das Schliessen des Schalters 15 hat zur Folge, dass während der genannten zweiten Umdrehung das F(Ö-)-Signal von dem Integrier- und Speicherverstärker 18 integriert wird. Am Ende der Umdrehung wird das Ergebnis dort gespeichert und entspricht dem Mittelwert des Fehlers.
Nachdem der Konturfehler aufgezeichnet wurde und der Mittelwert des Fehlers am Ende der zweiten Umdrehung gespeichert wurde, kann der Tisch 7 in Konzentrizität mit der Welle 2 zurücklaufen, wozu beispielsweise eine Feder und eine Zahnübertragung (nicht dargestellt) vorgesehen sein können. Die Schalter 15 und 16 werden geöffnet, und Schalter 19 wird geschlossen. Schalter 14 bleibt offen. Der Schreiber ist nun an den Integrator geschaltet, was bedeutet, dass der Schreibstift eine Lage einnimmt, die der mittleren Fehlerspur entspricht. Die Welle läuft nun zum dritten Male um, und der Schreibstift erzeugt dabei eine mittlere Spur oder einen Kreis, der der Konturspur überlagert wird.
Der Integrator erzeugt vorzugsweise und zweckmässigerweise eine Ausgangserregung, die im richtigen Massstab in bezug zur Konturspur steht.
Das Ergebnis des gesamten Arbeitsablaufes ist, dass eine Konturspur und ein überlagerter mittlerer Kreis konzentrisch zum Mittelpunkt der Karte liegen, unabhängig von einer Restexzentrizität zwischen dem Werkstück und der Welle.
Es mag hervorgehoben werden, dass die oben genannte Arbeitsfolge, nämlich Einstellung des Tisches, Aufzeichnen der Spur, Integration des Fehlers und Aufzeichnung des mittleren Kreises, geändert werden kann. Die Integration kann beispielsweise beim ersten Umlauf zugleich mit der Einstellung des Tisches erfolgen. Die Fehlerspur und der mittlere Kreis können bei der zweiten und dritten Umdrehung, wie vordem beschrieben, aufgezeichnet werden. Die Schaltfolge muss natürlich entsprechend verlaufen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, in der die Teile 1 bis 6 einschliesslich bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist ein Sinus Cosinus-Potentiometer 7 vorgesehen, bei dem der Sinus-Gleitkontakt 8 und der Cosinus-Gleitkontakt 9 sich mit der Welle 2 drehen. Der Stator des Potentiometers 7 erhält eine dem Fehlersignal entsprechende Erregung über den Schalter 10. Die Ausgangserregung des Sinus-Gleitkontaktes 8 wird an den Rückkopplungspunkt 11 einer Servoschleife gelegt, die den Servoverstärker 12, den Motor 13 und das Tachometer 14 enthält. Die Servoschleife ermittelt die Drehung einer Schraube 15, die durch eine Mutter 16 läuft, welche an dem Tisch 17 befestigt und durch die der Tisch 17 längs der y-Achse bewegt werden kann.
In ähnlicher Weise ist die Ausgangserregung des Cosinus-Gleitkontaktes 9 an den Rückkopplungspunkt 18 einer Servoschleife gelegt, die den Verstärker 19, den Motor 20 und das Tachometer 21 enthält. Diese letztgenannte Servoschleife regelt die Drehung einer Schraube 22, welche in eine Mutter 23 eingreift, durch die der Tisch 17 längs der x-Achse bewegt werden kann.
Das F(O)-Signal kann an den Integrator 24 über den Schalter 25 oder an den Schreiber 6 über den Schalter 26 gelegt werden. Der Schalter 27 gestattet es, den in dem Integrator 24 gespeicherten Wert dem Schreiber 6 zuzuführen.
Der Arbeitsverlauf ist wie folgt:
Die Welle 2 wird, während der Schalter 10 geschlossen ist und die verbleibenden Schalter offen gelassen werden, einmal vollständig gedreht. Das F(O)-Signal bewirkt über das Sinus-Cosinus-Potentiometer 7, dass die beiden Servoschleifen kontinuierlich die Einstellung des Tisches in der x-y Ebene vollziehen. Nach der Ausführung der ersten Umdrehung ist der Tisch in seine Endstellung, in der er dem Effekt irgendeiner Exzentrizität zwischen dem Werkstück 1 und der Welle 2 - wie vordem beschrieben - entgegenwirkt. Bei einer folgenden vollständigen Umdrehung der Welle 2 wird der Schalter 10 geöffnet, und die Schalter 25 und 26 werden geschlossen. Das F(O)-Signal wird nun dem Schreiber 6 zugeIeitet, der die Fehlerspur auf einer auf dem Tisch 17 liegenden Karte aufzeichnet.
Das F(O)-Signal wird ferner dem Speicherintegrator 24 zugeführt, in dem das F(O)-Signal - wie oben beschrieben - integriert und aufbewahrt wird. Am Ende der zweiten Umdrehung, wenn die Fehlerspur vollständig ist, kann der Tisch 17 in Konzentrizität mit der Achse des Schreibers zurücklaufen. Die Schalter 10, 25 und 26 werden geöffnet, und der Schalter 27 wird geschlossen.
Der Schreiber spricht nunmehr allein auf den Mittelwert der Fehlerspur an und zeichnet den mittleren Kreis auf wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.
Wiederum kann die Integration bei der ersten Umdrehung der Welle erfolgen zusammen mit der Einstellung des Tisches, statt bei der zweiten Umdrehung.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht die Verschiebung des Tisches 17 in der x-y-Ebene der mechanischen Ermittlung des Integrals
EMI4.1
Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurden, ist noch eine weitere Betriebsart möglich. Ist es nicht wesentlich, die Konturspur konzentrisch zum Mittelpunkt der Karte aufzuzeichnen, ist es vielmehr ausreichend, eine mittlere Spur der Konturspur zu überlagern, so wird die Konturspur bei der ersten Umdrehung der Welle aufgezeichnet, wobei der Mittelpunkt des Tisches 7 konzentrisch zur Welle 2 (Fig. 1) liegt und der Mittelpunkt des Tisches 17 konzentrisch zur Drehachse des Schreibers 6 (Fig. 2). Dies bedeutet, dass die Konturspur exzentrisch zum Mittelpunkt der Karte in einem Ausmass aufgezeichnet wird, das durch die Exzentrizität zwischen dem Werkstück und der Welle bestimmt ist.
Bei der zweiten Umdrehung wird der Tisch derart verschoben, dass dem Effekt der Exzentrizität entgegengewirkt wird, und es wird eine mittlere Spur konzentrisch zur Konturspur aufgeschrieben.