DE1909189A1 - Abtast- und Anzeigevorrichtung fuer die Lage von Raumpunkten - Google Patents

Description

Patentanwalt Dimig 8 München 23 Leopolditr. 32

P DB 5584

Anmelder in: HERMAN RLS)OLf ZEIDLER

39 CENTRAL AVENUE, FARMIN6DALE, NEW YORK, U.S.A.

Bezeichnung; Abtaat- und Anzeigevorrichtung fur die Loge von tiaumpunkten<

Die Erfindung bezieht sieh auf Potitiont-Abto»tvorrichtungen,, Dab«i betrifft «ie insbesondere ein elektro~Meehonisch·· Abtastsystem für das Hessen und Schreiben der Position eines Rauepunkte· «ittel« syrischer Koordinatenο

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartige« und verbesserte« Abtestsystem ftfr das Mossen vnd Niederschreiben ύ9Χ Loge eine« Rounpunktee in einer exakt reproduzierbaren Weise zu schaffen, inde« sphärische Koordinaten veiwendet werden, um die Position des Raumpunkte· zu definieren, und wobei dos System verhHltnisBttBig einfache Bestandteile enthält, die leicht zu betätigen sind, und die so konstruiert und angeordnet sind, daß tie eine eigentümliche Querafeeen-Abhängigkeit fUr dit Achslagenind£kotoren hoben, im den Positionsfehler zu begrenzen und zu verringernβ

Der Erfindung liegt weiter ki· Aufgab« zugrunde, ein kombiniertes elektrisches und Mechanisches A^tosisyste· zu« Hessen und Niederschreiben der Lofv* eines Rauapvnktesmiitphtlrischer Koordinaten zv schaffen, im

BAD ORiGfNAL

Raumpunktlagen zu beschreiben, die bisher nicht außer durch Verwendung kartesiecher Koordinaten lokalisiert werden konnten, wobei die verwendete Vorrichtung verhältnismäßig wenige Teile aufweist, die leicht herzustellen sind und die ohne weiteres fllr die Verwendung in einen weiten Anwendungsbereich geeignet sind, entweder als eine zweidmensianale oder eine dreidimenci onale Messvorrichtung, oder als eine passive Vorrichtung zur Nessung der Lage von Punkten zu Inspektionenicken, oder aber als ein aktiver Maschinenteil, z.B. für eine Fräemachine oder Bohrmaschine, um die Augenblickeposition anzuzeigen, oder endlich, um solche Anzeigen zur Erzeugung von Ruckkopplungssignalen zu verwenden, um den Betrieb der Maehine zu regeln.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine verbessert© elektroaechanische Positions-Abtastvorrichtung zu schaffen, welche sphärische Koordinaten benutzt, um die Raumlagen zu definieren, wobei doe System Fehler verringert, die sich bisher durch die Ongenauig&eii v©n Wegen ergaben, wie z.B. solche, wie sie bei den früher

verwendeten Systemen Mit kartesischen Koordinaten vosvendst wurden« in» de« das erfindungsgemäße System Teile verwendet, w©lehe ein leishiesOS Gewicht haben und genauer sind als diejenigen von bestehenden «der früher verwendeten Systemen, und wobei die Elemente des erfindungsgemtilüen Sys» terns eine Quer-Abhängigkeit oder Kreta-Abhängigkeit heben, wodurch eine Genauigkeit der Positionslokalisierung gewahrleistet wird, die unabhängig von ά·χ Weggenauigkeit ist, sodaS die erfindungsge&äSe Vorrichtung mit verhältnisntfßig kleinen Kosten hergestellt werden kann, weil eine sehr präzise maschinelle Bearbeitung nicht unbedingt notwendig ist·

Weitere Aufgaben, Gegenstände und Vorteile- der Erfindung werden Iss der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutertt

909840/1013

BAO ORfGfNAl.

Fig. 1 ist eine teilweise Droufeicht auf einen Objektträgertisch, der mit einer elektromechanischen Lagenabtastvorrichtung gemäß der Erfindung versehen ist,

Fig_o 2 ist eine Seitenansicht des Tisches und der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 ist ein Diagramm, welches veranschaulicht/ wie ein Raumpunkt

durch sphärische Koordinaten definiert werden kann, niJmlich durch Ab- ™ st$hd- und Winkelkoordinaten,

Fig. 5 ist ein vergrößert gezeichneter, teilweiser senkrechter Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3,

F,ig. 6 ist ein Schaltplan, der einen typischen elektrischen Komputer-Kreis zeigt, der in Verbindung mit der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 5 verwendet werden kann, um ein Positionsanzeigesystem gemäß der Erfindung zu bilden, und zwar in einem zweidimensionalen Raum,

Fig. 7 ist eine vergrößert gezeichnete teilweise Seitenansicht, welche

einen Teil iez Abstandsstange und der Abstandsstangen-Trägerplatte in * einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 8 ist ein vergrößerter vertikaler Querschnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7,

Fig. 9 ist einBlodtdiagramm, welches einen Komputer-Kreis darstellt, der mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, um ein Positionsanzeigesystem in einer dreidimensionalen Umgebung zu bilden.

Ein Hauptzweck der Erfindung btstrnYt darin, ein System zu schaffen, welches Übliche oder im Handel erhältliche elektrische Bauteile zusammen mit ver-

909840/1013 BAD ORIGINAL *^:'="·! ^u'

haltnismüßig einfach und leicht gebauten mechanischen Teilen verwendet, um die Position eines Raumpunktes durch sphärische Koordinaten gemessen und niederzuschreiben, wobei die erraten Schwierigkeiten vermieden werden, die bisher beim Entwerfen eines Systems unter Verwendung kartesiecher Koordinaten angetroffen wurden, z.B. die Verwendung von "YX-Tischen" in Verbindung mit Vorrichtungen zur Messung der Z-Koordinate, wodurch dann ein Punkt durch seine XYZ-Koordinoten definiert wurde· Die Hauptschwierigkeiten eit solchen kartesische Koordinaten messenden Vorrichtungen wie z.B. XY-Tischen und ähnlichen Einrichtungen, welche auf dem kartesiechen System basierten, ist die Unabhängigkeit der verschiedenen Kovrdinatenpositionsanzeiger in Bezug aufeinander. Es sei z.B. angebom« men, daß der X-Achsenpositionsindikator nit dem X-Achsen-Antrieb (etwa eine Leitspindel o. dgl.) verriegelt ist, und daß der Schlitten der Vorrichtung sich längs einer geraden Linie parallel zur Y-Achse bewegen Soll. Mathematisch wird dies als YsK beschrieben, wobei X eine Konstante ist. K repräsentiert den Wert der Y-Koordinate an einem bestimmten Punkt. Infolge der praktischen Unmöglichkeit, perfekt geradlinige Wege zu schaffen, ist es unmöglich für den Schlitten, den geforderten Weg zu folgen, ohne geringfügige Abweichungen im Wert der X-Koordinate zu haben. Diese Abweichung ist jedoch nicht meßbar, weil der X-Achsen-Positionsindikator bei seine« normalen Wert verriegelt ist. Infolge dieser Begrenzung durch Unabhängigkeit sind große Sorgfalt und Kosten mit der Anstrengung verbunden, welche erforderlich ist, derartige unbeabsichtigte Poeitionsfehler zu begrenzen und zu verringern. Eine Absicht der vorliegenden Erfindung ist es, «ine Positionsabtastung alt einer zugehörigen Quer-Ache-AbhMngigkeit der Achspositions-Indikntoren zu schaffen. So wurde etwa bei den bekannten

909840/1013

BAD

Systemen, welche kortesische Koordinaten verwenden, ein unentdeckbarer Fehler in der Meßarbeit längs Y in die Nessung von X eingeführt und sofort, weil die drei Koordinatennessungen voneinander unabhängig waren. Bein erfindungsgemäßen System werden Messungen von Doppel-Wlnkel-Funktionen und Abstanden verwendet, ua die Positions-Koordinaten zu erlangen, wobei die Messungen Über kreuz gekoppelt werden, sodafi Irgendeine Abweichung einer Messung einen praktisch kompensierenden Effekt auf die anderen Messungen ausübt, und wobei alle Systeme gleichzeitig eingeschal- μ tet sind und gleichzeitig arbeiten, sodaß die Ableseergebnisse gleichzeitig erzielt werden, ohn& daß eine Möglichkeit für Irrtümer besteht, wie es sie in Systemen gibt, die eine Folge von Ablesungen verwenden, etwa bei den Systemen «i-fe kortesischen Koordinaten, die bisher verwendet wurden.

In den Zeichnungen ist mit 11 ganz allgemein ein typisches Beispiel für einen dreidimensionalen elektromechanischen Positionsanzeiger gemOß der Erfindung bezeichnete Die Vorrichtung 11 besteht aus eine« horizontalen Tisch 12, der als eine Bezugsoberflache verwendet wird, auf dieeiT Objekt aufgelegt wird, an welchem ein Punkt lokalisiert werden soll, und für die dann reproduzierbare Lokalisationsdaten erlangt werden soflm· Der Tisch ™ 12 hat eine Aussparung 13, und an den einander gegenüber liegenden Seiten dieser Aussparung sind die aufrecht stehenden vertikalen Kardangelenkträger 14 und 15 befestigt. Mit 16 ist ein Kardangelenkttffig mit Seitenarmen 17 und 18 bezeichnet, die an den oberen Enden der aufrechten Tröger 14 und 15 auf einer gemeinsamen horizontalen Achs· mit den Achszapfen 19 und 20 schwenkbar gelagert sind. Oe* aufrechte Träger 14 ist mit einer horizontalen Flügelschraube 61 versehen, die hindurch geschraubt ist und zum Zwtscke der Feststellung eingreifen kenn in eine Ausnehmung im Seitenarm 17, damit - zeitweilig - der KordongelenkkSfia 16 in einer

9093^0/1013

BAD

Lage mit senkrechter Achse festgestellt werden kann, und zwar zu einen noch beschreibenden Zweck·

Am aufrechten Kardangelenkträger 15 ist eine Konsole 21 angebracht, in der ein konventioneller Koordinatenwandler untergebracht ist, dessen Betötigungswelte starr und koachsial mit dex Welle 20 des Kardangelenkkäfigs 16 verbunden ist, sodaß der Koordinatenwandler 22 so angeordnet ist, daß er entsprechend der Winkeldrehung des Kardangelenkkäfigs 16 um die durch die Zapfen 19 und 20 definierte horizontale Achse herum einen meßbaren elektrischen Effekt liefert* wis etwa ©in© Änderung der Widerstandos, der Impedanz, des Phasenwink®!® ödes dergleichen. Wie nachfolgen«! noch erläutert wird, kenn der Koordinat«nwandl@r von •iner Üblichen Bauart sein, welche elektrische Effekt® entsprechend defl Sinus- und Cosinue-Fuktionen des &isgs!stJrigeei Drehwinkels liefest* Zum Zweck· dmx Diskussion sei derjenige Minkel, wele!s©r al* Drehung um die von den Zapfen 20 und 19 definierte horizontal« Aeh.ee repräsentiert, durch dem griechischen Buchstaben Q bezeichnet, und sinngemäß ist dieses Synitol auch in dett Koordinatenwandler 22 im Fig. 3 eingezeichnet. Der Koordinatenwandler 22 let von konventioneller Bauart und kann irgendeine geeignet· Form hatten, wobei die einfachste Form wahrscheinlich diejenig· ist, welch· Potentiometer mit hintereinander liegenden Glei kontakten hat, ähnlich der in Fig. 6 schematisch dargestellten Baueirt, die noch ausfuhrlich beschrieben wird.

Der Kardangeierkkäfig 16 ist mit dem herabhängenden «md im allgemeinen zylindrischen Fiauptkärper 25 versehen, in welche· aeheial drehbar eine Kardanwelle 26 gelagert ist, die rechtwinklig zu dmr durch dim Zapfen 20, 19 definierten horizontalen Welle steht, und dmrm Achse αϊ· Ache· der vorgenannten horizontalen Welle in eine« in Fig® S ait O Bezeichneten Mittelpunkt schneidet. Die Achse dmx Karde«*®!!© 26 ist in mim*

909840/1013

BAD OWQIiMAt

vertikalen Position verriegelt, wenn die Klemmschraube 6Ί fest andruckend in die oben erwähnte Ausnehmung 62 eingeschraubt ist«

Hit dem unteren Ende des Heuptkärpers 25 ist eine Abdeckscheibe 27 fest verbunden, ?af welcher ein konventioneller Koordinatenwandler 28, ähnlich dem Koordinatenwandler 22 befestigt ist» und dabei so angeordnet ist, daß er elektrische Meßwertänderungen entsprechend den Fuktionen des Drehwinkels der Kardanwelle 26 um ihr« Achse herum liefert, wobei dieser Winkel in Fig. 5 durch den griechischen Buchstaben 1 bezeichnet ist. Der Koordinatenwandler 28 kann somit Potentiometer mit cam Windungen ^ 23 und 30 haben, die im Bezug auf die Abdeekscheibe 27 starr befestigt sind und durch bewegliche Kontakte 24 und 31 abgegriffen werden, welche mit der Betätigungswelle 29 des Koordinatenwandlers mechanisch gekuppelt sind, wobei der Gleitkontakt 24 so angeordnet ist, daß er ein Ausgongssignal entsprechend dem Cosinus des Winkels 0 liefert, wahrend der Gleitkontakt 31 so angeordnet ist, daß er ein Ausgangssignal entsprechend dem Sinus des Winkels β liefert, wie es hier beschrieben wird»

Geeignete Able&evorrichtungen können mit den Potentiometern der verschiedenen Koordinatenwandler verwendet werden.so kann z.B· jeder Koordinatenwandler mit Messinstrumenten Vc und Vs versehen sein, welche an den a Gleitkontakten und den EndansohlUssen der zugeordneten Potentiometer der Koordinatenwandler liegen· So ist z.B. wie Fig. 6 zeigt ein Cosinue-Ableseinstrument Vc an den Gleitkontakt 24 und den Endanschluß 33 der Potentiometerwicklung 23 angeschlossen, und es 1st ein Sinus-Ableseinstrument Vs an den Gleittontakt 31 und den Endanschluß 34 der Potentiometerwicklung 30 angeschlossen.

Der Koordinatenwandler 22 kann mit Ableseeinrichtungen versehen sein, die denen ähnlich sind, die an den KoordinaiMwandler 28 angeschlossen sind, wie dies in Fig. 9 schematisch dargestellt ist.

909840/1013

BAD ORfOMAL

A* oberen Ende der Kardanwelle 26 und rechtwinklig dazu ist eine Trägerplatte 36 fest angebracht, welche in normaler vertikaler Position der Kardanwelle 26, dann nämlich, wenn die Schraube 61 feststellend in die Ausnehmung 62 eingeschraubt ist, sich horizontal erstreckt, nämlich parallel zum Hauptträgertiech 12· Eine Abetandsstange 37 ist auf der Platte 36 zu· Zwecke der Längsbewegung relativ zur Platte verschiebbar gefuhrt, z.B. in Doppel-V-Vftllzlagern 38 und 39, die auf der Platte 36 angebracht sind und, wie Fig. 5 zeigt, Hit Abstand auf beiden Seiten vom Nullpunkt O liegen. Die Abstandsstange 37 kann irgendeinen geeigneten Querschnitt haben und mit Mitteln versehen sein, welche eine Drehung um die eigene Achse verhindern· So kann z*B. die Stange kreisft&migen Querschnitt haben und mit einer lungs verlaufenden Bodennut 40 versehen sein, welche eine oder mehrere Rollen 41 aufnimmt, die auf der Platte 36, wie Fig. 5 zeigt, drehbar gelagert sind. Eine alternative Anordnung ist ausführlich in ά&η Figuren 7 und 8 dargestellt, wo die Abstandsstfuige 37- mit vier im gleichen Abstand voneinander liegenden lungs verlaufenden Abflachungen 70 versehen ist, z.B. mit zwei einander diametral gegenober liegenden Seitenabflachungen 70, 70, welche vertikal verlaufen, und zwei einander diametral gegenüber liegenden oberen und unteren Abflacbungen 70,70, welche horizontal verlaufe». Die Abstandsstange wird von mehreren Wälzlagern 38* gehalten, von denen Jede einen schräg gestellten rechtwinkligen Rahmen 71 aufweist, der auf der Trägerplatte 36' fest angebracht ist. In jedem Rahmen 71 sind an einander gegenüber liegenden Seiten der Abstandsstange 37' Jeweils Paare von V-Rollen drehbar gelagert, die kegelstumpfartige innere Rollenflächen 73 haben, welche sich stutzend an die länge verlaufenden Abflachungen 70 anlegen, wie Fig. 8 es zeigt. Wie aus Flg. 8 ersichtlich ist, legen sich die kegelstumpfartigen Rollenflachen eines Joden Rollenelementes 42* an eine vertikale und an eine

909840/1013

SAD

horizontale Abflachung der Abstandeetonge 37* an, sodafi die Rollen einander gegenüber liegende sollende Berührungsflächen auf den einander gegenüber liegenden Seiten der Abstandsstonge 37' bilden, ebenso wie auch an der Oberseite und der Unterseite der Stange. Die Anordnung in den Fig. 7 und 8 gewährleistet deshalb eine maximale Stabilität und Sanftheit bei« Arbeiten der Abstandestange in ihren Stutzlagereinheiten·

Wie Fig. 7 zeigt, sind die Rahmen 71 verschwenkbar auf Stutzblöcken 75 gelagert der Art, daß eine drehende Eineteilung der Rahmen 71 um Achsen herum möglich ist, die, wie die Achse 76 in Fig. 8, parallel und zwischen den Achsen der Rollenelemente4P#4?, liegen, wobei Jede Achse 76 die Längsachse der Abstandestange 37' rechtwinklig schneidet. Die Rahmen 71 können mit kreisförmigen Grundplatten 77 versehen seih, die konzentrische bogenförmige Schlitze 78 haben, durch welche hindurch Feststellschrauben 79 in die zugeordneten Blöcke 75 geschraubt werden, um die Rahmen 71 in justierten Poetitionen festzuspannen, sodoß die formflüssige Berührung der kegelstumpfartigen Rollenfluchen 73 an den Abflaehun-70 der Abstandsstange 37* aufrecht erhalten wird.

Wie Fig. 8 zeigt, ist die Achse 76 unter 45° gegenüber der Horizontalen geneigt, entsprechend der 45° -Neigung der kreisförmigen Grundplatte 77 auf den zugeordneten Rollenrahmen 71·

Für die Abstandsstange 37 oder 37* kann irgendeine geeignete Anzahl von Stutzlagern 38 oder 38' vorgesehen sein, die ausreicht, um die Abstandsstange jeder Zeit exakt parallel zur Platte 36 oder 36' zu halten, insbesondere, um die Abstandsstange exakt rechtwinklig zur Achse der Kardanwelle 26 zu halten, und zwar so, daß der Nullpunkt 0 auf der Mittelachse der Abstandsstange liegt. So können die Anordnungen 38 und 39 in der typischen Ausfuhrungsform gemäß Fig· 1 bis 5 symetrisch auf einander gegenüber liegenden Selten des Mittelpunkts 0 angeordnet sein, wie

909840/1013

BAD GBIGiHAl.

Fie· δ zeigt, wobei die HilfsfUhrungsrolle 41 in betrachtlichen Abstand vor der Anordnung 39 in Richtung der Längenausdehnung der Abetandsstange gelegen ist, und wobei die Rolle 41 eng in der Nut 40 sitzt, ober dabei entsprechend den Ulngsbewegungen der Abstandsstange frei rollen kenn.

Die Doppel-V-Rollenanordnungen 38 und 39 können geeignete und proktiech rechtwinklige Tragrahnen haben, in welchen einander gegenüber liegende V-Rollen 42, 42 drehbar gelagert sind, welche kegelstumpfortige und sich an die Stange anlegende Oberflächen haben, welche in enger Rollberilhrung von der Abstandsstange 37 berührt werden, damit eine Abweichung der Stange 37 von eine« Bewegungsweg, in welche« ihre Achse i» Nullpunkt 0 liegt und in welchen ihre Achse inner rechtwinklig zur Achse der Kardanwelle 26 gehalten wird, praktisch verhindert· Ein konventioneller Koordinatenwandler 43 ist auf der V-Rollenanordnung 39 so angeordnet, daß sein Betätigungselement 44 getrieblich nit der Abstandsstange 37 gekuppelt ist· Das Betätigungselement 44 kann hiemach ein Kegelzahnrad aufweisen, welches in die Kegelradverzahnung 45 auf der Oberfläche 4·χ Abstandsstange 37 eingreift, eodaß das Betätigungselement 44 entsprechend der Längsbewegung der Abstandsstange gedreht wird» Der Koordinatenwandler 43 kann von irgendeiner geeigneten Bauart sein, die entsprechend den Auenaß der Drehung des Elementes 44 eine änderung in eine« elektrischen Zustand ergibt. Der Koordinatenwandler43, der in Fig© 5 mit den zusatzlichen Symbol R bezeichnet ist, kann z.B. einen Tronsfomator 46 enthalten, der eine Primttrwindung 47 und eine Sekundärwindung 48 hat, wobei di* Sekundärwindung einen gleitenden Abgriff 49 hat. Der gleitende Abgriff 49 kann mechanisch mit dem Kegelrad 44 gekuppelt sein, sodafi er dadurch angetrieben wird, und zwar entlang

900840/1013

BAD

der Windungen der Sekundärwicklung 48 in Abhängigkeit von der Drehung dee Kegelrades 44. Sofern erwünscht, kann ein geeignetes Ablesungsinstrument, welches in Fig. 6 mit VR bezeichnet ist, an den beweglichen Kontakt 39 und an einen Endanechiuß 50 der Sekundärwindung 48 angeschlossen werden.

In der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Abwandlung kann ein Koordinatenwandler 43 in geeigneter Weise auf irgendeinen der Rahmen 71 montiert sein und «it der Abstandsstange 37* in derselben Weise getrieblich λ gekuppelt sein, wie dies oben in Verbindung «it den Koordinatenwandler 43 in Figo 5 beschrieben wurde»

Fig. 6 stellt einen typischen elektrischen Stromkreis dar, der in Verbindung alt der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, wenn die Schraube 61 so angezogen ist, daß sie fest in die Ausnehmung 62 druckt, wodurch der Kardangelenkkäfig 16 in einer Position verriegelt wird, in welcher di^ Achse der Welle 26 vertikal steht und die Abstandsstange 37 (oder 37*) darauf beschränkt ist, in einer Horizontalen Ebene zu schwenken. Im Stromkreis gemäß Fig. 6 ist eine geeignete Wechselstromsignalquelle VS mit der primärwicklung 47 des Transformators 46 verbunden» Die ft-Winkel-Widerstandwindung 23 des Koor- * dinatenwandlers und die S-Winkel-WiderstandVindung 30 des Koordinatenwandlers sind in Serie gescheltet und an den Gleitkontakt 49 und den Endanschluß 50 der Sekundärwindung 48 des Transformators 46 angelegt. Es ist deshalb ersichtlich, daß der Signalspannungseingang in den Kumputerkreis, άνχ aus den zum Koordinatenwandler 28 gehörenden Widerstanojflndungen 23 und 30 besteht, wie Fig· 6 zeigt· entsprechend dem Abstand variiert, nämlich entsprechend dn Längsbewegung der Abstandsstang· 37 (oder 37') · Diese Eingängssignalspannung ist in Fig. 6 mit ds« Symbol VR bezeichnet und kann auf dem in

SQ8S40/1G13

BAD

Fig· 6 mit 51 bezeichneten Meßinstrument abgelesen werden· Somit hat der Abstand sein elektrisches Analogen im Eingangsspannungswert VR.

Die Abstandsstange 37 (oder 37*) ist an ihrem vorderen Ende mit einer einstellbaren Fühlerstange 52 versehen, die ein angespitz«*; vorderes Ende 53 hat. Geeignete Lagerungen, wie etwa i« Abstand von einander angeordnete Lager 54 und 55, können auf einer Trägerplatte 56 befestigt sein und eich rechtwinklig zum vorderen Ende der Abstandsstange 37 (oder 37'} erstrecken, wobei die Lagereinheiten 54 und 55 vorzugsweise ähnlich den Einheiten 38 und 39 (oder 71) sind,die oben schon beschrieben wurden· Die Fühlerstang© 52 kann mit Mitteln versehen sein, um die Drehung um die eigene Achse zu verhindern, z.B· alt einer Lttngsnut, in welcher eine Rolle 57 läuft, die auf der Tragerplatte 56 drehbar gelagert ist und eng in Ü9r Nut sitzt, wie es auch bei 4bx Rolle 41 und der ihr zugeordneten Nut 40 der Fall ist, wobei aber die Rolle 57 praktisch in der Mitte zwischen den Lagerungen 54 und 55 angeordnet 1st, wie Fig. 2 zeigt· Es kann aber auch alternativ eine Anordnung ähnlich derjenigen, die in den Fig. 7 und 8 gezeichnet ist, vorgesehen werden.

Diese Anordnung ergibt eine Einstellung der Fühlerstange 52 in einer zur Achse der Abstandsstange 37 rechtwinkligen Richtung« Irgendwelche geeigneten Mittel können verwendet werden, um die Fühlerstange in einer bestimmten justierten Position festzustellen, in 4λχ sie sodann starr mit der Abstandestange 37 verbunden ist. Geeignete Markierunsn kennen auf der Fuhlerstange 52 vorgesehen sein, die in Verbindung mit den an den Platten 56 befestigten Teilen verwendet werden kiJnnen, u» irgendeine gewünschte oder früher verwendete Einstellung der Fühlerstange in die Lagerungen 54 und 55 zu reproduzieren·

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dann, wenn die Ftlhlerstange 52

909840/1013

8AD OWGINAl.

in einer fixierten Lage relativ zur Abstcndsstange 37 festgestellt ist, die Längsbewegungen der Abstandsstange 37 die Einstellung des Schiebekontaktes 49 verändern und damit die Abstandssignalsspannung VR Sndern. Venn die Kontaktspitze 53 einen bestimmten Raumpunkt berührt, und wenn die Fuhlerstange 52 festgestellt ist, wird an Meßinstrument 51 ein bestimmter Abstandssignalwert VR abgelesen, welcher der Abstandskoordiadte der Fühlerspitze 53 entspricht.

Wie sich aus Fig. 6 ergibt, erscheint der Spannungsabfall am Wider- λ standsteil RC zwischen dem Schiebekontakt 24 und dem Endanschluß 33 am Ableseinstrument VC. Dies ist das Analogon des Wertes von R cos Q, der durch den Serienkreis mechanisch errechnet wurde. In ähnlicher Weise entspricht der Spannungsabfall am Widerstandsteil RS zwischen dem Schiebekontakt 31 und dem Endanschluß 34 dem Wert von R sin (B, und wird am Meßinstrument VS abgelesen. Es ist also möglich, wie hier beschrieben, die Position eines jeden Punktes auf einem Gegenstand, welcher auf den) Tisch 12 gelegen ist, in Termen von Koordinaten zu spezifizieren, die jeweils Funktionen des Abstandes (VR), O (in diesem Fall bei 90°) und 9 (dessen Sinus- und Cosinus-Werte durch den Koordinatenwandler 28 bestimmt werden), wenn die Fühler- \ spitze 53 den betrachteten Punkt berührt.

Fig. 4 zeigt die allgemein bekannte Transformation kart esischer Koordinaten eifies dreidimensionalen Systems in Polarkoordinaten· Die XYZ Werte der Koordinaten im normalen kartesischen Koordinatensystem kennen in den Termen von R, 0 und (I Werten des Polarkoordinatensystems ausgedruckt werden. Es ergibt sich aus Fig. 4, daß 0 der Winkel zwischen der Abstandslinie R und der OZ-Achse ist· Der Winkel f liegt zwischen der vertikalen Ebene, welche die Abstandslinie R enthält und der OX-Achse. Durch einfache trigonometrische Analyse, die de« in der

909840/1013 BAD

Polarkoordinaten-Transformation erfahrenen Fachmann wohl bekannt ist, kann gezeigt werden, daß die kartesischen Koordinaten des Punktes P am Ende der Abstandslinie R dargestellt werden können durch XsR sin O cos 9, YsR sin Q sin 9 , und ZsR cos O.,

Es ist bemerkenswert, daß jeder der kartesischen Koordinatenwerte direkt proportional zum Wert von R ist, in der Weise, daß der Strom im Komputer-Kreis gemäß Fig. 6 direkt proportional dem Wert VR des Abstandssignals ist·

Es ist weiter bemerkenswert, daß dieXtff Werte in kartesischen Koordinaten-Fuktionen von allen drei sphärischen Koordinaten-Variablen R, 0 und 9 sind, und daß der Z-V/ert eine Funktion sowohl von R als auch von 0 ist* In dem X- Y- Ablesesystem, welches den Kreis gemäß Fig. verwendet, ist der Winkel 0 gleich 90°, wobei der Wert von Z gleich Null ist. Der Wert von sin θ ist die Einheit, wodurch sich aus der obigen Beziehung XsR cos 9 und YsR sin 9 ergibt· Diese Information Über die Koordinatenablesung wird durch die Meßinstrumente VC und VS erlangt, wie in Fig. 6 dargestellt. Die beobachteten Ablesungen können deshalb verwendet werden, um die Position irgendeines Punktes in der X- Y- Ebene, in welcher die Fühlerspitze 53 lokalisiert ist, klar zu bestimmen, und insbesondere, um die Position irgendeines Punktes klar zu bestimmen, der dann, wenn die Fühlerstange 52 in einer bestimmten fixierten Lage zur Abstandsstange 37 festgeklemmt ist, von der Fohlerspitze 53 berührt wird.

Es ist auch offen-sichtlich, daß die Z-Koordinaten direkt abgelesen oder bestimmt werden können, indem die Skalenmarkierungen verwendet werden, die auf der Fuhlerstange 52 vorgesehen sind, um irgendeine gewünschte oder spezifizierte Einstellung der Fühlerβtange in den Lagerungen 54 und 55 zu reproduzieren, wie es oben erwähnt wurde»

900840/1013

BAD ORIGINÄR ^a '

Die X, Y und Z Koordinaten können Jedoch elektrisch und gleichzeitig bestimmt werden durch die Verwendung eines Komputer-Kreises entsprechend Fig. 6, der aber so eingerichtet ist, daß er die X,Y und Z-Werte aus den oben erwähnten Gleichungen errechnet, welche R und die Funktionen der Winkel O und (I verwenden. Solch ein Koordinaten-Rechtnkreis ist schematisch in Blockform in Fig. 9 dargestellt· In diesem Komputer-Kreis sind die Koordinatenwandler 22 und 28, die einander ähnlich sind, und die auch dem Koordinatenwandler 28 in Fig. 6 ähnlich sind, so angeschlossen, daß Ihre Ausgänge in Multipliziereinrichtungen ein- ^ gegeben werden, welche gleichfalls die Ausgangssignale vom Abstandswandler 43 aufnehmen. So liefern der Abstandswandler 43, die sin 0 Komponente des Wandlers 22 und die ein (I -Komponente des Wandlers 28 Eingangssignal^ in eine erste Multipliziereinrichtung 80, die von Üblicher Bauart ist und ein Ausgangssignal entsprechendpmrt der Y* Koordinate liefert, nämlich R sin 0 sin §· Die cos (!-Komponente des Wandlers 28, die sin tt-Komponente des Wandlers 22 und der Abstandswandler 43 liefern Eingangssignale in eine zweite konventionelle Multipliziereitirichtung 81, welche ein Ausgangssignal liefert, das den Wert der X-Koördinate entspricht, nämlich R sin 0 cos (I · Die cos 0 -Komponenten des Wandlers 22 und der Abstandswandler 43 liefern Eingangssignale in eine dritte konventionelle Multipliziereinrichtung 82, welche ein Ausgangssignal liefert, das dem Wert der Z-Koordinate entspricht, nämlich R cos 9. Die Multipliziereinrichtungen Ä>, £1, U2_t die oben erwähnt wurden, sind von konventioneller Bauart und können z.B. dem Modell Nr. 444 081 der von der Firma Leeds & Northrup Company, 4907 Stenton Avenue, Philadelphia , 44, Pennsylvania, USA, hergestellten magnetischen Festkörper-Multipllzier-und Dlvidiereinrlchtunt gleich sein oder daraus kombiniert «ein. " """.' *"■

909840/1013 · "

BAD

Et ist ersichtlich, daß die durch das Syste» in Fig. 9 dargestellte Anordnung diejenige ist, wobei der Kardangelenkkäfig 16 frei gegenüber

den aufrecht stehenden Amen 14 und .15 schwingen kann, nttalich dann, wenn die Schraube 61 gelöst ist.

Aus OBX vorstehenden Betrachtung wird klar, daß das erfindungsgeaäße Syato· eine direkt· B*ttiMung der notwenigen Koordinaten eines Punktes auf den Tische 12, der durch die Spitze 53 berührt wird, liefert, wobei die Lokalisierung-Koordinaten vos) Abstand sowie von den Sinus-Werten und Cosinus-Werten des Winkels 0 und des Winkels fl abgeleitet werden· Weil die Messungen avf ihre einfachste For· zurückgeführt sind, enthalt die Einrichtung eintelnieele Anzahl von Teilen, weswegen sie ge» wicht SBiHi leichter ist und in Betrieb auch wesentlich genauer al« die eanen und bisher verwendeten Systeete« Die Vorrichtung kann eede als passive Vorrichtung verwendet werden, us> Positionen for Inspektionszwecke zu «essen, oder aber auch als aktiver Teil einer Werkzeugmaschine, z.B. einer Frtfsaaschine oder Bohrmaschine, iiiaidbsWurt doium angebracht wird, daß sie die Position der Merkaeug· schneide anzeigt. Die von den Ableseeinheiten des Systeas arlangVi Signale ktfnnen tils Mittel zur Ruckkopplung verwendet werden, im Einstellung der Werkzeugschneide an ά·χ Maschine zu steuern oder zv regeln.

Da die Peeltianeaadnatan van eine· ge—inoa Kaaaetar-Kreis ab» gieitet waraaa und gleichzeitig anfalle«, besteht eine aas) Syste· iewaeaa Owor-^bifkelt veneinender und aufeinander, wodurch dia Genauigkeit des- Positione-Ukelisi«ru*a unabhängig von der Wea-Ganaeifkait arlangt wird. Dies steht ist Gegensatz zu Jan Erfordernissen dar fOsitloas-Lokelisiertmfs-Verrichtuwten auf ae« Grundlof· des kerteeieaban Syatee», wabai Uitapinefeln and SdiUtte« arfaraW-

«••40/1013

BAD ORfGfNAL

Hch Hind, die sich entity §m&$®s Linien beiwgeft Wien· Sei eelchen Verrichtungen lsi m infold? der pxd&&v&m tfci^lieltkeit, perfekt geradlinige tfoge zu schatte, MmtDfcltoh, dteB «in Schlitten «tin·· «·»» gesehenen W«g feinen keen, ohne cJ.tboi Abweichungen zu JJe ftm, welch· @inen Irrtum in der Messung ©inor d@r «nderen Koordinaten zu

D.i.^se Abwticlitmg ißt

!B@8$lmsr« wall, di· K*«r-> wsseden ^f, indwi welcher der §·*

ict»

©no kai «olctian

Sorgfeit und us di® siteht oi^*xtiet#n

fetssfcsit^ü© Vorrichtung, etiieti KconHrwrt·

verringert, |edeiif«il« feei bisher verwen

sitit-Rsfehler zu begrenzen mi sü

Die veigenenntan NQ€fifell># *rs»dsa fest «sicher eine «ochstlMtölg» lie fmsfsre fe*tf;«ht_f SÜ&smmden·

die Notwtndii
eehledenen Teile der
im Vergleich *lt den entepit shsnden deten Sytteiien.

£® iet ereichtli€fi_? &*B di® Abstanaeitoiigo 37_r auch »enn sie In der Bsschr&ifcung speziell »it ®i?ism kreiifHraigen Qutrcehnltt deilt h ftden anderen g«ti|}»ss!it0it ^»riehiiitt hnhxn kann, s«8»

dar«tisdtsn Qüerseheitt «der l QmAiAt· i«l «tosr *»lei»ea e KNIn^sti^jier $6 in geeigneter Meiee alt ieU<gn ^irethee^ srtSclst f9Kwm twiwrO; idle die dtte« in fMHWeader W«i·* «vAiehnen· Per Verteil, «ine Ab»t»ni»t*ent· elt

tfieteti

andere fftstmtehi·

9§9S4Ö/1013

BAD OFIJOtNAl.

zu verwand·«, liegt dor£n_f «foil fest«® spezielles* f'SttoIs3 ®&%~s d£f sind» vm eine Dr*hyng der Abetandsstongo te dfio cücrsD ^aibco so t· fölt anderen Htetens duseh Verwendung o&rx? oäel^teoäo= tendsfttenff« 37 eröferigf sicfs dl« Äs^fc^u^) gIcbds 1LG::cjC-mit 40 trad de» zugeordneten Rolle 41.

itf nma «it «Mttpnehend ss
4m

von isfantfslfitr jwef"
tit eh seitSy ©d€f mma »14

5g_e ? end 8 sesoag^: find, ιλιΙ©Ιϊ# fleh es die

aw di# tlpsas Ädü» v«^lsdi3f% til^i* ill·© e&sii mmnlm_§ feti il«»er i^^yiimg ü» Ifefc 40 «sd ils I®M® 41 fastgelcossa"

£« ist suefi «xeichillch, cteß dl« KfoxdlfHitssnasifer if, Sl dl· oben b«tcHiii»«n worden, mir In

«If $ehi*b«tc9*ri«kt*ft hohen^

44m 9Q%mtiom$it*iniin4*mQm mxmwgm, 43m iann ifcslegs aas '&&m&Mm$® w_o_ ter Wink«l 9 «nd

auf d*r
tH· a VR du«

BAD ORfGINAt

z.B. Induktionswandler, wie etwa dos Modell Nr. CJO 0565 100, welches von der Firea Keorfoit Poducts Division«, General Precision, Incorporated, Little Falls, New Jersey, USA, hergestellt wird.

Wennoleich in der vorstehenden Beschreibung «in besondere« Ausfuhruhqsbtispiel for eine verbesserte dreidinenssionale Kallbriervorrichturwj zur Erfassuno der Lag· eines ßauapmktes durch sphtlrlsehe Koordinaten offenbart wurde, sind selbs^tverstäßdiich die verschiedenartigsten Abwandlungen innerhalb de® all§e&änen Erfindungsgedankens sttglich.

90··40/1013

Claims (15)

1. Patentansprüche:

   fl)JPositioH8-Abtcet- und Anzeigevorrichtung, gekennzeichnet durch einen Kardanköfig (16), in dem ein Kardanglied (36) schwenkbar zwecks Drehung ue eine Bezugsachse (26) gelagert ist, wobei Lagerungen (38,39) auf dem Kardanglied (36) eine lineare Fuhrung ergeben, in der eine Abetandsetange (37) läuft, und wobei eine Einrichtung (53) zur Punktabtastung auf der Abstandeetange (37) vorgesehen ist, während durch die Abstandsstange (37) eine AbstandsmeßvouLchtung (43) betätigt wird, und vom Kardanglied (36) eine WinkelneSvorrichtung (28) betrieben wird, welche die Winkelbewegung des Kardangliedes (36) um die Bezugsachse (26) herum erfaßt, und endlich Mittel (Fig. 6) fur die gleichzeitige Anzeige der Meßwerte der Abstandsmeßvorrichtung (43) und der WinkelmeBvorrichtung (28).
2. 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Werkstückträger fläche (12) neben der Abstandsstange (37) und rechtwinklig zur Bezugsachse (26) liegt«
3. ' Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Führung (für 37) die Bezugsachse (26) unter einem rechten Winkel schneidet und dadurch einen Null-Bezugspunkt (θ) definiert·
4. 4) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (53) zur Punktabtastung aus einem stabartigen Teil (52) bestehen, der sich rechtwinklig zum Ende der Abstandestange (37) erstreckt, wobei Lagerungen (54,55) am Ende der Abstandsstange (37) den" stabartigen Teil (52) in Längsrichtung einstellbar halten, wobei Mittel zum Feststellen des stabcrtigen Teils (52) in einer bestimmten

   909840/1013

   BAD, ORKSiNAt.

   Lttngseinstellung in den Lagerungen (54,55) vorgesehen sind.
5. 5) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur gleichzeitigen Anzeige der Neßergebniste der Abstandsmeßvorrichtung (43) und der Wlnkelmeßvorrichtung (28) einen elektrischen Kreis »it Mitteln zur elektrischen Kombination der Meßergebnisse (Fig. 6) aufweisen«
6. ' Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstands- g neßvorrichtung (43) einen elektrischen Meßwertwandler enthält, der auf dem Kardcinglied (36) montiert ist, und derart getrieblich »it der Abstandsstange (37) gekuppelt ist, daß er durch deren Bewegungen getrieben wird·
7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßvorrichtung (28) einen elektrischen Winkelwandler enthalt, der auf dem Kard<anktifi.g (16) montiert ist und getrieblich mit dem Kardanglied (36) gekuppelt ist, sodaß er durch dessen Drehung angetrieben wird«
8. ' Vorrichtung ncch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- " standsmeßvorzichtung (43) einen elektrischen Abstandswandler enthalt, der au? dem Kardanglied (36) montiert und getrieblich mit der Abstandsitange (37) gekuppelt ist, und daß weiterhin die Winkelmeßvorrichtung (28) einen elektrischen Meßwertwandler enthalt, der auf den ICardankäfig (16) montiert, und mit dem Kardanglied (36) getrieblich gekuppelt ist·
9. 9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung, welche gleichzeitig die Meßwerte der Abstandsmeßvor-

   909840/1013

   richtung (43) und der Winkelmeßvorrichtung (28) anzeigt, «inen Stromkreis enthalt, welcher die Meßwertwandler untereinander verbindet, sowie elektrische Anzeigevorrichtungen, die on die Meßwertwandler angeschlossen sind (Fig· 6)·
10. 10) Vorrichtung noch Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Winkelwandler (28) einen Sinus-Ableltungsteil (RS) und einen Cosinus-Ableitungsteil (RC) aufweist, und daß die Anzeige· vorrichtung Mittel (80,81) zur Kombination der Ausgange der Ableitungsteile (RS, RC) Mit dem Ausgang (R) des Abstandswandlers (43) enthält, vodurch Y-Koordinaten- und X-Koordinaten - Signale abgeleitet werden·
11. 11) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis (Fig. 6) eine Serlenscholtung enthalt, und daß eine Stromquelle (VS) Ober den Abstandswandler (43) an den Stronkreis angeschlossen is*, wobei der Abstandswandler (43) Mittel (4?)enthalt, IMi die Spannung, welche die Serienscheltung aus der Stro*quelle (VS) erhalt, entsprechend deM Betrag der Linearbewegung der Abstandsstange (37) längs der Fuhrung zu regulieren, wobei der Winkelwandler (28) Sinus« und Cosinus- Impedanzen (RS, RC) ent* halt, die im Serienkreis liegen, und wobei Mittel (24, 31) vorgesehen sind, um den Spannungsabfall an den Impedanzen (RS, RC) entsprechend den Sinus- und Cosinus-Werten des Drehwinkels des Kardangliedes (26) abzuleiten, und wobei endlich die Anzeige-Mittel, welche die Meßwerte der Abstandsmeßvorrichtung (43) und ύ·χ Winkel«eßvorrichtung (28) gleichzeitigdnzeigen, ensprechende Meßinstrumente (VS, VC, R) enthalten, die an die Impedanzen angeschlossen sind, sodaß sie auf die Spannungsabfall«! ansprechen«

    909840/1013
12. 12) Vorrichtung noch Anspruch 3,- dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (19,20) vorgesehen sind, um den Kardankäfig (16) zwecks Drehung um eine zweite Bezugsochse (19,20) schwenkbar zu logern, die rechtwinklig sowohl zur linearen Führung (für 37) und zur erst« genannten Sezugsachse (26) verlauft und durch den Null-Bezugspunkt (0) hindurch geht« wobei eine zweite WinkelMeßvorrichtung (22) durch den Kordonköfig (16) betätigt wird, indeM sie die Winkelbewegung dm Kardonküfige (16) um die zweite Bezugsochse (19,20) heruM Mißt, und doß Mittel vorgesehen sind, welche den Meßwert der zweiten Winkelmßvorrichttmg (22) gleichzeitig Mit den Meßwerten der Abstondsaefivorrichtung (43) und der ersten Winkelmeßvorrichtung (28) anzeigen«
13. 13) Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die AbstandsMftSvorrichtung (43) einen elektrischen Abstandswandler enthalt, der auf dee Kardanglied (36) montiert ist und getrieblich Mit der Abstandsstange (37) gekuppelt 1st, wobei die erstgenannten und zweitganannten Winkelmeßvorrichtungen (22,28) einen ersten elektrischen Vfinkelwandler enthalten, der ouf dem Kardankttfig (16) Montiert und getrieblich mit dem Kardanglied (33) verbunden ist, " sowie einen festen zweiten elektrischen Wandler (28), der getrieblich Mit de« Kardankäfig (16) gekuppelt ist.
14. 14) Vorrichtung noch Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche gleichzeitig die Meßwerte der Abstandsmeßvorrichtung. (43), der erstgenannten WinkelMeßvorrichtung (28) und der zweitgenannten WinkelMeßvorrichtung (22) anzeigen, einen KoMputer-Kreie (Fig. 9) entholten, der die Wandler (43* 28, 22) Miteinander verbindet, wobei die Winkelwandler (28,22) Sinus·» und Cosinus» Ableitungeteile

    909840/1013

    BAD ORIGfNAL

    (RS, RC) haben, und vobei der Coaputer-Kreis Mittel $0,81, 82) enthält, um die Ausgänge der Abieitungsteile (RS, RC) mit dem Ausgang des Abstandsvaudlers (43) zu kombinieren·
15. 15) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (80,81,82) zur Kombination der Ausgange der Abloitungsteile (RS, KC) mit dec: Ausgang des Abstandswandlers (43) aus Kitteln bestehen, welche die Auegänge der Sinus- Ableitungsteile (RS) der Winkolviandlcr (28,22) mit dem Auegang (R) dee Abstandswandlere (43) kombinieren, vm ein Y-Koordinaten-Signal abzuleiten, sowie Kittel, um den Ausgang des Cosinus-Ableitungsteils (RC) des ersten Winkelwandlers (28) und den Ausgang des Sinus-Ableitungsteils (?S) des zweiten Winkelwandlers (22) «it dem Ausgang (R) des Abstandswandlers (43) zu kombinieren, ua ein X-Koordinaten-Signal abzuleiten, und schließlich Mittel, ua den Ausgang des Cosinus-Ableitungsteils (RC) des zweiten Winkelwandlers (22) mit dem Ausgang (R) des Abstandswandlers (43) zu kombinleren ua ein Z-Köordinaten-Signal abzuleiten·

    909840/1013

    BAD ORIGINAL