DE1918803B2 - Abtaststeuerung bei einer elektromechanischen Abtasteinrichtung zur Koordinaten-Registrierung von Punkten einer dreidimensionalen Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtaststeuerung bei einer elektro-mechanischen Abtasteinrichtung zur Koordinaten-Registrierung von Punkten einer dreidimensionalen " Oberfläche nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einer Abtaststeuerung dieser Art werden beispielsweise die geometrischen Daten der Oberflächen eines dabei vorzugsweise im Maßstab übereinstimmenden dreidimensionalen Modells einer Kraftfahrzeug-Karosserie aufgenommen und in einer Speichereinrichtung registriert. Mit solchen gespeicherten Daten sind dann die Informationen zur Steuerung einer Werkzeugmaschine erhalten, mit der eine dem Modell entsprechende Oberfläche hergestellt wird.

Eine insbesondere hinsichtlich des unmittelbaren Erfassens auch extremerer Höhensprünge im Verlauf einer bei der Koordinaten-Registrierung einer dreidimensionalen Oberfläche anfallenden charakteristischen Linie für eine solche Abtaststeuerung besonders geeignete elektro-mechanische Abtasteinrichtung ist nach einem älteren Vorschlag gemäß der DE-PS 19 05 909 mit einem die Abtastnadel halternden Kopf ausgerüstet, der auf Grund einer mindestens zweiteiligen Ausführung mit zwei sich in dem Berührungspunkt der Nadelspitze an der dreidimensionalen Oberfläche des Modells sich schneidenden Einstellachsen die Spitze der Abtastnadel gerade im Verlauf solcher größerer Unregelmäßigkeiten in jede für eine kontinuierliche Koordinaten-Registrierung erwünschte neue Relativlage einstellen läßt, ohne daß bei einer solchen Neueinstellung der Nadelspitze auch der dabei angesteuerte Oberflächenpunkt eine neue Festlegung seiner Koordinatenwerte erfahren müßte. Aus dem Siemens-Prospekt »SINUMERIK-Abtast- und Meßsteuerung«, Sept. 1967, ist der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Abtaststeuerung bekannt, die genereU die Erfassung, Aufbereitung und Ausgabe der unter Verwendung digitaler Meßeinrichtungen ermittelten Istwerte für die Meßpunkte in Richtung der drei Koordinatenachsen von dreidimensionalen Oberflächen ermöglichen muß. Für diese bekannte Abtaststeuerung ist außerdem noch die Möglichkeit einer Handsteuerung für den Abtastkopf der Abtasteinrichtung angedeutet, die den für den Beginn jeder Koordinaten-Registrierung maßgeblichen ersten Meßpunkt einstellen läßt sowie auch die Möglichkeit zur Auslassung einzelner Meßpunkte bzw. zum Erfassen zusätzlicher Meßpunkte ergeben soll. Schließlich ist aus der Zeitschrift »BBC-Nachrichten«, Okt. 1961, Seiten 617, 618, noch eine Wegesteuerung bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bekannt, bei der als Meßorgan ein so bezeichnetes Drchfcldsystem mit einem Drehfeldgeber und einem Drehfeld-Empfänger verwendet ist, die jeweils eine einphasige Rotorwicklung und drei im Stern geschalte'.e Statorwicklungen umfassen. Durch die in der Rotorwicklung des Drehfeld-Empfängers in Abhängigkeit von dessen Drehwinkel induzierte Spannung wird unter Zwischenschaltung eines Verstärkerkreises ein Servomotor gespeist, der zur Verstellung des Supports der Werkzeugmaschine unter Zwischenschaltung eines Vorschubgetriebes angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bei einer Abtaststeuerung mit einer elektro-mechanischen Abtasteinrichtung zur Koordinaten-Registrierung von Punkten einer dreidimensionalen Oberfläche vorgesehene Handsteuerung des Abtastkopfes so auszubilden, daß damit eine besonders für größere Oberflächen erwünschte beschleunigte Registrierung von allen Abtastund Meßpunkten ermöglicht wird, die für eine Erfassung des maßgeblichen Oberflächenverlaufs benötigt werden und die gerade bei solchen größeren dreidimensionalen Oberflächen eine vielfache Neueinstellung des Abtastkopfes resp. der Abtastnadel der Abtasteinrichtung für das Abtasten und Ausmessen einer entsprechenden Vielzahl für die betreffende Oberfläche charakteristischer Linien erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch die damit vorgesehene geschwindigkeitsabhängige Grobsteuerung für die drei Servomotoren des Abtastkopfes in Kombination mit einer positionsabhängigen Feinsteuerung kann der Abtastkopf der Abtasteinrichtung resp. dessen Abtastnadel nach jeder Beendigung der Koordinaten-Registrierung

einer bestimmten charakteristischen Linie der jeweils abzutastenden und auszumessenden Oberfläche entsprechend rasch in die für den darauffolgenden Abtastvorgang maßgebliche Startposition neu eingestellt werden, womit die Koordinaten-Registrierung der gesamten Oberfläche entsprechend rascher abgeschlossen werden kann. Dabei ist gleichzeitig die geschwindigkeitsabhängige Grobsteuerung so ausgestaltet, daß es damit allein über eine Veränderung der Eingangsspannung, die mit dem Spannungsteiler geregelt wird, möglich ist, diese Grobsteuerung mehr oder weniger stark zu beschleunigen und damit die nachfolgende positionsabhängige Feinsteuerung auf ein entsprechend mehr oder weniger großes zeitliches Minimum zu beschränken, so daß damit in Abhängigkeit von der Entscheidung über jede Neueinstellung des Abtastkopfes resp. der Abtastnadel der Abtasteinrichtung die Registrierung der für eine betreffende Oberfläche maßgeblichen Koordinaten entsprechend beschleunigt werden kann. Diese beschleunigte Koordinaten-Registrierung umfaßt dabei auch die Möglichkeit, diese handgesteuerte Verstellung des Abtastkopfes der Abtasteinrichtung gemäß einer entsprechend vorteilhaften Ausbildung der Erfindung gleichzeitig entlang zweier, dabei dann einander überlagerter Koordinatenachsen vorzunehmen, um damit also den Abtastkopf resp. die Abtastnadel zunächst mit einem entsprechend noch weiter erhöhten Beschleunigungsfaktor so v.eit an die abzutastende bzw. auszumessende Oberfläche heranzubringen, daß für die nachfolgende positionsab- jo hängige Feinsteuerung eine Verstellung des Abtastkopfes nur noch entlang der einen von solchen einander überlagerten Koordinatenachsen oder entlang der dabei dritten Koordinatenachse vorzunehmen ist. Die insoweit zweckmäßigen und vorteilhaften Ausbildungen j-> der Erfindung sind in den Untcransprüchen 2 und 3 erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine Perspektivansicht einer eleklro-tnechanisehen Abtasteinrichtung zur Koordinaten-Registrierung von Punkten der Oberfläche eines dreidimensionalen Modells einer Kraftfahrzeug-Karosserie, die eine Abtaststeuerung gemäß der Erfindung umfaßt,

F i g. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung der Steuerelemente, die bei der Handsteuerung des Abtastkopfes der Abtasteinrichtung gemäß F i g. I für dessen Verstellung in Richtung der ersten oder y-Koordinatenachse vorgesehen sind,

Fig. 3 u. 4 in einem jeweiligen Blockdiagramm die entsprechenden Steuerelemente, die für die Verstellung des Abtastkopfes in der zweiten oder x-Koordinatenachse und in der dritten oder z-Koordinafenachse vorgesehen sind, und

F i g. 5 u. 6 Einzelheiten einer alternativen Schaltungs- « anordnung bei der Handsteuerung des Abtastkopfes der elektro-mechanischen Abtasteinrichtung gemäß Fig. 1.

Die zur Koordinaten-Registrierung von Punkten einer dreidimensionalen Oberfläche ausgebildete elektro-mechanische Abtasteinrichtung 10 umfaßt eine t>o Plattform 12 mit einer Spur 14, längs welcher die Basis 16 einer vertikalen Stütze 18 beweglich ist. Die Abtasteinrichtung 10 ist für das Abtasten eines Tonmodells 20 einer Kraftfahrzeug-Karosserie dargestellt, dessen Oberfläche längs für die Formgebung ηί dieses Tonmodells charakteristischer Linien in den drei Raumkoordinaten mit einer Abtastnadel 28 eines Abtastkopfes 26 der Abtasteinrichtung 10 für die Koordinaten-Registrierung abgetastet wird

Der Abtastkopf 26 ist an einem quer zu der Stütze 18 ausgerichteten Arm 24 befestigt, der durch einen längs der Stütze 18 beweglichen Support 22 gehalten wird. Der Arm 24 und damit der Abtastkopf 26 mit der Abtastnadel 28 ist mit einer von einem Schaltpult 30 aus ermöglichten Steuerung in Richtung einer mit dem Doppelpfeil 32 verdeutlichten ersten oder y-Koordinatenachse beweglich, die quer zu einer in Längsrichtung des Tonmodells 20 der Kraftfahrzeug-Karosserie verlaufenden Symmetrieebene ausgerichtet sein kann. Zur Bewegung des Armes 24 ist an dem Support 22 ein erster Servomotor 34 angeordnet, der beispielsweise ein mit dem Arm 24 in einer Reibverbindung stehendes Reibrad antreibt. Außer über diesen ersten Servomotor 34 kann der Arm 24 auch noch von Hand mittels eines Handrades 36 in Richtung der /-Koordinatenachse 32 bewegt werden, wofür durch dieses Handrad ein weiteres, ebenfalls mit dem Arm 24 im Reibantrieb gehaltenes Reibrad drehbar ist. Die ^-Koordinatenwerte, die bei der Bewegung des Armes 24 in Richtung der y-Koordinatenachse 32 anfallen, werden mittels einer digitalen Meßeinrichtung 38 im Zusammenwirken mit einer an dem Arm 24 vorgesehenen Zahnstange 40 erfaßt, deren Zahnteilung mithin für entsprechende Bewegungsschritte des Armes 24 zur Erzeugung von Spannungsimpulsen in der digitalen Meßeinrichtung 38 genutzt wird, von denen jeder einzelne einem einzigen Bewegungsschritt des Armes 24 einer mithin vorbekannten Wegstrecke entspricht, die zur Registrierung der y-Koordinate des Punktes der Oberfläche des T-"modells 20 ausgewertet werden kann, der augenblicklich mittels der Abtastnadel 28 des Abtastkopfes 26 abgetastet wird. Die Zahnteilung der Zahnstange 40 kann beispielsweise so gewählt sein, daß es für jeden Bewegungsschritt von 0,025 mm des Armes 24 zur Erzeugung eines Spannungsimpulses durch die digitale Meßeinrichtung 38 kommt.

Für die Verstellung des Abtastkopfes 26 in Richtung der beiden übrigen Raumkoordinaten sind funktionell entsprechende Mittel vorgesehen, die daher mit gleichen Bezugsziffern mit einfachen und zweifachen Strichindizes bezeichnet sind. So sind für die Bewegung des Abtastkopfes 26 resp. der den Arm 24 halternden Stütze 18 in Richtung der zu der Symmetrieebene des Tonmodells 20 parallelen zweiten oder x-Koordinatenachse 32' ein zweiter Servomotor 34' und ein zweites Handrad 36' vorgesehen, wobei unter Berücksichtigung der größeren zu bewegenden Massen in diesem Fall anstelle eines Reibradantriebes zweckmäßiger ein Zahnradantrieb mit jeweils einem durch den Servomotor 34' und das Handrad 36' in Drehung versetzbaren und mit einer gemeinsamen Zahnstange im Zahneingriff stehenden Zahnrad verwirklicht ist. Es ist außerdem eine entsprechende digitale Meßeinrichtung 38' vorhanden, die im Zusammenwirken mit einer entsprechenden Zahnstange 40' für die Registrierung der x- Koordinaten aller Punkte maßgebend ist, die durch die Abtastnadel 28 des Abtastkopfes 26 in Richtung dieser *-Koordinatenachse 32' erfaßt werden. Für die Bewegung des Abtastkopfes 26 resp. des den Arm 24 halternden Supports 22 in Richtung der mit der Längsachse der Stützt 18 übereinstimmenden dritten oder z-Koordinatenachse 32" sind schließlich ein entsprechender dritter Servomotor 34" und ein drittes Handrad 36" vorgesehen, und auch diese Bewegung des Supports 22 wird mittels einer digitalen Meßeinrichtung 38" im Zusammenwirken mit einer Zahnstange 40" für die Registrie-

rung der entsprechenden z-Koordinaten aller Punkte übersetzt, die mittels der Abtastnadel 28 des Abtastkopfes 26 auf der Oberfläche des Tonmodells 20 abgetastet werden. Für die drei digitalen Meßeinrichtungen ist im übrigen noch an der Basis 16 ein Bezugspunkt 42 geschaffen, der mithin für jede Neueinstellung des Abtastkopfes 26 resp. der Abtastnadel 28 in der Relativlage bezüglich der Oberfläche des Tonmodells 20 als Basisangabe für die Koordinatenregistrierung aller nachfolgend abgetasteten Punkte ausgewertet wird.

Die Bewegung des Abtastkopfes 26 resp. der Abtastnadel 28 in Richtung der drei Koordinatenachsen 32, 32' und 32" kann von dem Schaltpult 30 aus gesteuert werden, an dem folglich eine entsprechende Vielzahl von Bedienungshilfen für die Steuerung der drei Servomotoren 34, 34' und 34" vorgesehen ist. Anhand der F i g. 2 soll nachfolgend die Handsteuerung des Abtastkopfes 26 resp. des Armes 24 in Richtung der y-Koordinatenachse 32 näher erläutert werden, deren Grundzüge auch für die beiden übrigen Koordinatenachsen gelten.

Für die Handsteuerung des Abtastkopfes 26 in Richtung der y-Koordinatenachse 32 resp. des in dieser Richtung wirksamen Servomotors 34 ist eine geschwindigkeitsabhängige Grobsteuerung 44 und eine positionsabhängige Feinsteuerung 46 vorgesehen. Mit der geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerung 44 ist der Nullabgleich eines Spannungsteilers 48 einstellbar, der über einen mit der positionsabhängigen Feinsteuerung 46 gemeinsamen Summenpunkt 50 an einen mit dem Servomotor 34 verbundenen Verstärker 52 angeschlossen ist Der Verstärker 52 ist an einen Spannungsverteiler 54 angeschlossen, über den eine Wechselspannung von beispielsweise 115 Volt für die'Verstärkung der von dem Spannungsteiler 48 in Abhängigkeit von der Grobsteuerung 44 gelieferten Gleichspannung für die Anlieferung an den zweiphasigen Servomotor 34 zugeteilt wird, dessen Abtriebsdrehzahl von einem ebenfalls mit dem Summenpunkt 50 verbundenen Spannungstachometer 56 abgenommen wird. Mit der Grobsteuerung 44 kann mithin der Arm 24 und damit der an diesem Arm befestigte Abtastkopf 26 resp. die Abtastnadel 28 geschwindigkeitsabhängig in Richtung der y-Koordinatenachse 32 bewegt werden, wobei in Fig.2 noch schematisch angedeutet ist, daß für die mechanische Verbindung zwischen dem Servomotor 34 und dem Arm 24 eine elektromagnetische Kupplung 58, ein Obersetzungsgetriebe 60 und der bereits erwähnte Reibradantrieb 62 verwirklicht sind. Die positionsabhängige Feinsteuerung 46 umfaßt andererseits einen über eine elektromagnetische Eingangskupplung 64 mechanisch bedienbaren Drehfeld-Geber 66 und einen damit elektrisch verbundenen Drehfeld-Empfänger 68, die beide eine einphasige Rotorwicklung /?i bzw. A₂ und eine Statorwicklung Si bzw. $2 mit jeweils drei um je 120° gegeneinander versetzten und im Stern geschalteten Einzelwicklungen aufweisen. Die in Abhängigkeit von dem folglich mittels der Feinsteuerung 46 veränderbaren Drehwinkel der Rotorwicklung R\ des Drehfeld-Gebers 66 in dessen Statorwicklung S\ induzierte Spannung wird über die Statorwicklung S₂ des Drehfeld-Empfängers 68 an den Summenpunkt 50 abgegeben, so daß sie analog der bei der geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerung von dem Spannungstachometer 56 an diesem Summenpunkt 50 erhaltenen Spannung nachfolgend eine Verstärkung durch den Verstärker 52 bei der positionsabhängigen Feinsteuerung des Servomotors 34 erfahren kann. Das mithin auch für diese positionsabhängige Feinsteuerung in die Übersetzung zwischen dem Servomotor 34 und dem Arm 24 zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe 60 wire! andererseits für eine Nachlaufeinstellung der Rotorwicklung R₂ des Drehfeld-Empfängers 68 genutzt, für deren mechanische Verbindung mit dem Übersetzungsgetriebe 60 eine weitere elektromagnetische Kupplung 70 vorgesehen ist. Für die Handsteuerung des Abtastkopfes 26 resp. der

ίο Abtastnadel 28 in Richtung der x-Koordinatenachse 32' und in Richtung der z-Koordinatenachse 32", die mittels der Servomotoren 34' und 34" übersetzt wird, sind ebenfalls jeweils eine geschwindigkeitsabhängige Grobsteuerung 44' bzw. 44" und eine positionsabhängige Fernsteuerung 46' bzw. 46" vorgesehen. Da diese Grob- und Feinsteuerungen übereinstimmen mit denjenigen für den Servomotor 34, der für die Verstellung des Abtastkopfes 26 in Richtung der y-Koordinatenachse 32 angeordnet ist, sind in den Fig.3 und 4 die entsprechenden Steuerteile mit gleichen Bezugsziffern und für die Unterscheidung mit einfachen und zweifachen Strichindizes bezeichnet Durch das Blockdiagramm der Fig.3 ist folglich ausgewiesen, daß mittels der geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerung 44' und der positionsabhängigen Feinsteuerung 46' durch den Servomotor 34' die Basis 16 in Richtung der x-Koordinatenachse 32' bewegt werden kann, und gleichartig ist durch die F i g. 4 ausgewiesen, daß mittels der geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerung 44" und der positionsabhängigen Feinsteuerung 46" der Servomotor 34" zur Bewegung des Supports 22 in Richtung der z-Koordinatenachse 32" beeinflußbar ist

Diese in Richtung der drei Koordinatenachsen mögliche Einzelsteuerung des Abtastkopfes, die also bei jeder Koordinatenachse in eine geschwindigkeitsabhängige Grobsteuerung und eine positionsabhängige Feinsteuerung unterteilt ist, kann nach F i g. 5 alternativ dahin abgewandelt sein, daß die Handsteuerung des Abtastkopfes nur für zwei willkürlich auswählbare Koordinatenachsen vorgesehen wird, wobei dann die verbleibende dritte Koordinatenachse mit einer auf den Bezugspunkt bezogenen Schaltung einer Schleife berücksichtigt wird. Diese Möglickeit kann mit einem Drehfeldgeber 72 verwirklicht werden, der eine Rotorwicklung 74 und zwei um 90" außer Phase stehende Statorwicklungen 76 und 78 umfaßt, in denen folglich in Abhängigkeit von dem Drehwinkel θ der Rotorwicklung 74 die Spannungen Gm = E\ · cos θ und E₀₂ = E\ ■ sin θ induziert werden. Die Spannung E\ stellt dabei die Eingangsspannung der Rotorwicklung 74 des Drehfeld-Gebers 72 dar, die beispielsweise die Ausgangsspannung eines Potentiometers sein kann und damit entsprechend veränderlich ist, so daß auch die in den Statorwicklungen 76 und 78 induzierten Spannun gen entsprechend veränderlich sind. Diese in den Statorwicklungen 76 und 78 induzierten Spannungen sind dann für diese Alternative ausweislich der F i g. 6 mittels zweier Parallelkreise 80 und 82 noch zusätzlich an die drei Summenpunkte 50, 50' und 50" wahlweise zuleitbar, indem in den einzelnen Anschlußleitungen an diese Summenpunkte Schalter SWl bis SW6 eingebaut sind, durch die folglich jeweils zwei der drei Steuerkreise wahlweise ein- und ausgeschaltet werden können, die anhand der Fig.2 bis 4 für die Einzelsteuerung des Abtastkopfes in Richtung der drei Koordinatenachsen beschrieben worden sind. Dabei ist es über eine Veränderung des Drehwinkels der Rotorwicklung 74 des Drehfeld-Gebers 72 möglich, für

die beiden ausgewählten Koordinatenachsen eine positionsabhängige Feinsteuerung zu erhalten, während andererseits eine von der Geschwindigkeit abhängige Steuerung noch zusätzlich damit erreicht werden kann, daß die Eingangsspannung der Rotorwicklung 74 entsprechend verändert wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Abtaststeuerung bei einer elektromechanischen Abtasteinrichtung zur Koordinaten-Registrierung von Punkten einer dreidimensionalen Oberfläche mit einem in Richtung einer ersten Koordinatenachse mittels eines ersten Servomotors verstellbaren Arm, der einen von Hand steuerbaren Abtastkopf trägt und an einer in Richtung einer zweiten Koordinatenachse mittels eines zweiten Servomotors verstellbaren Stütze für eine Verstellbarkeit mittels eines dritten Servomotors in Richtung einer dritten Koordinatenachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Handsteuerung des Abtastkopfes (26) alle drei i> Servomotoren (34, 34', 34") jeweils mittels einer geschwindigkeitsabhängigen ürobsteuerung (44, 44', 44") und einer positionsabhängigen Feinsteuerung (46,46', 46") einzeln steuerbar sind, wobei jede Grobsteuerung mit dem zugeordneten Servomotor über einen mit der zugeordneten Feinsteuerung gemeinsamen Summenpunkt (50, 50', 50") verbunden ist, an welchen gemeinsam mit einem Spannungsteiler (48,48', 48") der Grobsteuerung ein von der Abtriebsdrehzahl des zugehörigen Servomotors abhängiger Spannungstachometer (56,56', 56") und die mit der Statorwicklung (S\) eines mit seiner Rotorwicklung (R\) zur jeweiligen Feinsteuerung angeordneten Drehfeld-Gebers (66, 66', 66") verbundene Statorwicklung (Si) eines jeweiligen Dreh- «> feld-Empfängers (68, 68', 68") angeschlossen sind, dessen Rotorwicklung (R2) mit dem durch den jeweils zugehörigen Servomotor verstellbaren Teil (24,16,22) mechanisch verbunden ist.

2. Abtaststeuerung nach Anspruch 1, dadurch >⁵ gekennzeichnet, daß an die Summenpunkte (50, 50', 50") der geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerungen (44, 44', 44") und der positionsabhängigen Feinsteuerungen (46, 46', 46") von zwei ausgewählten Servomotoren (34, 34', 34") zwei wechselseitig außer Phase stehende Statorwicklungen (76, 78) eines weiteren, mit seiner Rotorwicklung (74) zur Feinsteuerung angeordneten Drehfeld-Gebers (72) angeschlossen sind.

3. Abtaststeuerung nach Anspruch 2, dadurch ^ gekennzeichnet, daß an die Rotorwicklung (74) des weiteren Drehfeld-Gebers (72) der Ausgang eines Potentiometers angeschlossen ist.