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Die
Erfindung betrifft ein Messgerät
des Höhenschlags
in einem Vibrationsmikrotom. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung
ein Vibrationsmikrotom, bei welchem ein Messer – insbesondere während eines
Schneidevorgangs – in
Schwingungen in einer Richtung parallel zu einer Schnittebene und
im Wesentlichen (d.h. bis auf Justierungsungenauigkeiten) parallel
zu einer Schneide des Messers versetzbar ist, sowie ein zugehörendes Messgerät, welches
zur Messung des transversalen Versatzes der Schneide bei seiner
lateralen Schwingungsbewegung infolge einer möglicherweise vorhandenen Neigung
der Schneide gegenüber
der Schnittebene eine Lichtschranke aufweist, in die die Schneide
positionierbar ist, wobei die Lichtschranke in einer zur Schnittebene parallelen
Richtung liegt und die Schneide das Licht der Lichtschranke teilweise
abdeckt; die infolge der Schwingung des Messers sich ergebende zeitliche Schwankung
des aus der Lichtschranke abgeleiteten Messsignals wird zur Bestimmung
des transversalen Versatzes verwendet.
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Vibrationsmikrotome,
bei denen die Schneide eine horizontale Oszillationsbewegung entlang der
Richtung der Schneidkante ausführt,
während das
Schnittgut in der anderen Horizontalrichtung voranschreitet und
so entlang einer horizontalen Schnittfläche geschnitten wird, sind
wohlbekannt, beispielsweise aus
DE 196 45 107 C2 und
DE 20 2004 007 658 U1 der
Anmelderin. Vibrationsmikrotome dieser Art werden insbesondere zum
Schneiden von Gewebeproben in Flüssigkeiten
(Pufferlösungen),
beispielsweise Gehirngewebe, oder anderen Materialien geringer plastischer
Stabilität
und/oder Gel-artiger Konsistenz eingesetzt. In einer üblichen
Geometrie wird das Präparat
vertikal (Z-Achse) schrittweise von unten nach oben vorgeschoben.
Während
eines einzelnen Schneidevorganges bewegt sich das Messer mit der
Schneidegeschwindigkeit horizontal (X-Achse) zum Präparat. Dabei
vibriert es im Wesentlichen parallel zur Schneidkante mit einer
Vibrationsrichtung, die senkrecht (Y-Achse) zu den anderen Bewegungsrichtungen
ist, wobei die Schwingfrequenz typischerweise in der Größenordnung
von 100 Hz, beispielsweise im Bereich von 90 bis 100 Hz, ist. Jedoch
ist wegen der Toleranz von Messerhalterung und Messer nicht zu vermeiden,
dass sich die Messerschneide nicht exakt parallel zur Schwingungsrichtung
bewegt. Ein schräg
eingespanntes Messer bewirkt durch die Vibration eine entsprechende
Bewegung in Z-Richtung; dieser transversale (d.h. senkrecht zur
Schnittebene, somit hier in Z-Richtung verlaufende) Schwingungsversatz
wird auch als Höhenschlag
bezeichnet. Die Schnitte zeigen infolge eines Höhenschlags ein wellenförmiges Muster.
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Eine
elektrische Steuerung eines Vibrationsmikrotoms beschreiben J.R.P.
Geiger et al. in dem Artikel `Patch-clamp recording in brain slices
with improved slicer technology',
Pflügers
Arch – Eur.
J. Physiol. (2002) 443:491-501, und schlagen einen als 'vibroprobe' bezeichneten Messkopf
als Hilfsmittel zur Bestimmung des bei der Messer-Oszillation auftretenden
transversalen Versatzes vor. Der Messkopf arbeitet mit einem IR-Lichtstrahl,
der von einer LED ausgesendet und in einer Photodiode detektiert
wird, und misst das Ausmaß,
bzw. die zeitliche Änderung dieses
Ausmaßes,
der (teilweisen) Abdeckung des Lichtstrahls durch die in den Strahlweg
positionierte Schneidkante. Der infolge der Oszillationsbewegung der
Schneide auftretende Höhenschlag
ergibt so eine oszillierendes Ausgangssignal, dessen Schwingungsamplitude
durch geeignete manuelle Justierung der Ausrichtung der Schneide
zu minimieren ist. Mittels einer Einstellschraube (zum Verkippen
des Messers) wird die Messerschneide parallel zur Schwingungsrichtung
justiert und somit der Höhenschlag
des Messers auf ein Minimum reduziert. Dieser Vorgang der Justierung
der Messerschneide ist zeitaufwendig und umständlich, dies auch deshalb, weil
ein Verschwenken des Messers im Allgemeinen mit einem Nachjustieren
der Z-Position verbunden ist.
Ein zügiger
Justiervorgang ist dagegen im Hinblick darauf, dass die Präparate kurzlebig
sind und schnell behandelt werden müssen, von großem Vorteil.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, die Justierung
des Messers hinsichtlich des Höhenschlags
zu vereinfachen, zu beschleunigen und für den gesamten Bereich möglicher Schwingungsamplituden
und -frequenzen des Messers zuverlässig zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird durch eine seitens eines Messgeräts der eingangs bezeichneten
Art vorgesehene Messelektronik gelöst, die erfindungsgemäß dazu eingerichtet
ist, zumindest ein Ansteuersignal entgegenzunehmen, das den zeitlichen
Verlauf der Schwingung des Messers beschreibt, und die Bestimmung
des transversalen Versatzes der Schneide aufgrund der Werte des
aus der Lichtschranke abgeleiteten Messsignals zu aus diesem Ansteuersignal bestimmbaren
Zeitpunkten vorzunehmen. Vorzugsweise wird das Ansteuersignal seitens
des Vibrationsmikrotoms ausgehend von einem (oder mehreren) aus
der Bewegung des Messers oder der Messerhalterung abgeleiteten Signal(en)
generiert.
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Durch
diese erfindungsgemäße Lösung, die die
Verwendung eines phasentreuen Signals zur Definition der Messzeitpunkte
vorsieht, kann die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messung
des transversalen Versatzes (Höhenschlags)
wesentlich gesteigert werden. Zudem wird die Elimination von Störeinflüssen erleichtert
oder überhaupt
erst ermöglicht.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform,
die den Messvorgang zusätzlich
vereinfacht, sieht vor, dass das zumindest eine Ansteuersignal die
zeitliche Lage der Schwingungsmaxima des Messers definiert und die
Messelektronik aus dem Messsignal Werte ableitet, die den transversalen
Positionen der Schneide zu Zeitpunkten entgegengesetzter Schwingungsmaxima
entsprechen, und den transversalen Versatz aus der Differenz dieser
Werte bestimmt.
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Das
Messgerät
kann vorzugsweise als von dem Vibrationsmikrotom lösbare Einheit
ausgebildet sein, wobei die Messelektronik in dem Messgerät untergebracht
ist. Dies vereinfacht den Betrieb und die Zugänglichkeit des Präparats während des
Schneidevorgangs.
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Das
Messgerät,
insbesondere wenn als lösbare
Einheit realisiert, kann günstiger
Weise ein Signal generieren, das die Größe des gemessenen transversalen
Versatzes beschreibt, und dieses an das Vibrationsmikrotom leiten,
um es beispielsweise auf einer dem Vibrationsmikrotom zugeordneten
Anzeige anzeigen zu lassen.
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Weiters
ist es zweckmäßig, wenn
die Lichtschranke in einer zur (in diesem Fall lediglich prospektiven)
Schnittebene parallelen Richtung liegt.
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Außerdem ist
es zum Ausschließen
von Störeinflüssen von
Vorteil, wenn die Messelektronik zusätzlich dazu eingerichtet ist,
vor einer Bestimmung des transversalen Versatzes die Intensität des Lichtstrahls
der Lichtschranke einzustellen, nämlich bei einer Stellung der
Schneide vollständig
außerhalb der
Lichtschranke, wobei eine Ausnutzung des Aussteuerbereichs des Detektorelements
der Lichtschranke von über
90%, z.B. 95%, eingestellt wird.
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In
korrespondierende Weise wird die gestellte Aufgabe von einem Vibrationsmikrotom
der eingangs genannten Art mit einer Steuerelektronik gelöst, die
dazu eingerichtet ist, aus einem aus der Schwingbewegung des Messers
abgeleitetem Schwingungssignal zumindest ein Ansteuersignal zu generieren,
das den zeitlichen Verlauf der Schwingung des Messers beschreibt,
und zudem für
die Zwecke einer Messung des transversalen Versatzes der Schneide
bei seiner lateralen Schwingungsbewegung infolge einer möglicherweise
vorhandenen Neigung der Schneide gegenüber der Schnittebene dazu eingerichtet
ist, dieses Ansteuersignal einem seitens des Vibrationsmikrotoms
vorgesehenen Messgerät
mit einer Lichtschranke, in die die Schneide positionierbar ist,
zuzuführen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Vibrationsmikrotoms entsprechen, mutatis mutandis,
den oben diskutierten Weiterbildungen des Messgeräts.
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Die
Erfindung samt weiteren Vorzügen
wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels
näher erläutert, das
in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Vibrationsmikrotoms mit montiertem
Höhenschlag-Messkopf;
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2 eine
Schnittansicht durch den Messkopf und den Schwingkopf entlang der
vertikalen Mittelebene des Vibrationsmikrotoms der 1;
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3 das
Bedienfeld des Vibrationsmikrotoms; und
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4 die
Steuerung des Vibrationsmikrotoms und des Messkopfes in einem Blockdiagramm.
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Das
nachstehend dargestellte Ausführungsbeispiel
betrifft ein Vibrationsmikrotom, bei dem ein Höhenschlag-Messgerät in Form
eines Messkopfes anstelle des Präparathalters
montiert wird. Aufseiten des Messkopfes wird zu Beginn jeder Messung
in abgesenkter Position eine Bestimmung des linearen Aussteuerbereichs
des Detektorelementes durchgeführt
und die Intensität
der Lichtschranke des Sendeelements derart eingestellt, dass das
(unbedeckte) Detektorelement nahe der oberen Grenze seines linearen
Aussteuerbereiches betrieben wird. Die Messung selbst erfolgt in
der Mitte des linearen Aussteuerbereichs, typischerweise bei 50%
Abschattung durch das Messer. Durch diesen Vorgang wird erreicht,
dass jeder Messvorgang individuell geeicht wird und weitgehend unabhängig von
langfristigen Störeinflüssen (Temperatur,
Störlicht,
Bauteildrift) bleibt.
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Im
gesamten Messkopf wird kein Einstellglied benötigt, das manuell abzugleichen
wäre. Gemäß der Erfindung
wird das Messgerät
für den
Messvorgang von der Elektronik des Mikrotoms mit einem Signal versorgt,
das den Schwingungsvorgang des Messers zeitlich beschreibt, nämlich die
exakte zeitliche Lage der linken und rechten Maximalausdehnung des
schwingenden Messers definiert. Die Grundlage für dieses Ansteuersignal bildet
eine digitale Messung der Periodendauer der Messerschwingung mithilfe
einer Messung der Nulldurchgänge
des rückgeführten Messerlagesignals
des Schwingungsantriebs. Dadurch ist gewährleistet, dass die Auslösung der
Zeitmessung weitestgehend unabhängig von
Amplitude und Frequenz der Schwingung ist. Das Ansteuersignal weist
Signalimpulse jeweils eine Viertelperiode vor bzw. nach einem Nulldurchgang auf.
Das Sampling des Istwertes der Schwingungsamplitude erfolgt ebenfalls
mittels dieser Signalimpulse. Dadurch wird sichergestellt, dass
die Ermittlung der Messerschräglage
stets synchron zur Messerschwingung erfolgt. Aufgrund der hohen
Präzision des
Messzeitpunktes ist das Messergebnis in einer geringen Schwankungsbreite
stabil und kann deshalb sehr genau bestimmt werden – Auflösungen in der
Größenordnung
von 0,1% oder geringer konnten erreicht werden.
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Aufbau
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1 zeigt
ein Vibrationsmikrotom 1, das hinsichtlich seines äußeren Layouts
und prinzipiellen Mechanik auf dem Vibrationsmikrotom von J.R.P. Geiger
et al. beruht, dessen elektronische Steuerung jedoch gemäß der Erfindung
verbessert ist, wie weiter unten anhand 3 erläutert. Das
Vibrationsmikrotom 1 weist nach an sich bekannter Art einen Schwingkopf 2 auf,
der wie auch in 2 gezeigt in Form eines Auslegers über dem
Schnittgut (Präparat und
Präparatträger, nicht
gezeigt) samt dessen Halterung 4 positioniert ist; anstelle
des Präparatträgers wird
zur Messung und Kompensierung des Höhenschlags ein Höhenschlag-Messkopf 3 auf
die Halterung 4 mittels eines über einen Klemmhebel 4a betätigbaren
Klemmmechanismus montiert.
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Der
Schwingkopf 2 weist einen Messerhalter 5 auf,
in dem ein Messer 6 fest eingespannt gehalten wird. In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft
die Schnittebene horizontal, und gegebenenfalls aufeinander folgende
Schnitte verlaufen vertikal übereinander.
Zu diesem Zweck können
Schwingkopf 2 und Halterung 4 (samt Messkopf 3)
gegeneinander vertikal (Z-Achse) bewegt werden; hierfür weist
z.B. die Halterung im unteren Bereich des Vibrationsmikrotoms 1 einen
Schrittmotor (nicht gezeigt) auf. Durch eine im Schwingkopf 2 untergebrachte Permanentmagnet-Spulen-Federanordnung
(nicht gezeigt; vgl. hierzu den Artikel von J.R.P. Geiger et al.)
wird der Messerhalter 5 samt dem Messer 6 in eine
Schwingungsbewegung versetzt, die in horizontal-seitlicher Richtung
(Y-Achse) verläuft.
Der Schwingkopf 2 kann mittels eines (nicht gezeigten) Gleichstrommotors
in der horizontalen Längsrichtung (X-Achse)
verschoben werden; zusätzlich
kann in dem (nicht gezeigten) Präparatträger ebenfalls
ein Gleichstrommotor vorgesehen sein, der einer steuerbaren, gleichförmigen Bewegung
des Präparats
in X-Richtung während
des Schneidevorgangs bei in X-Richtung festbleibendem Schwingkopf
dient.
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Es
ist nicht ausgeschlossen, dass die drei genannten Richtungen X,
Y, Z in anderen Ausführungsformen
bei Bedarf auch anders als in dem gezeigten Ausführungsbeispiel orientiert sein
können; dann
sind, wie unmittelbar einleuchtend ist, die hier verwendeten Begriffe
horizontal-längs,
horizontal-seitlich
und vertikal sinngemäß je nach
der tatsächlichen
Orientierung der Achsen X (Vorschubrichtung), Y (Vibrationsrichtung)
und Z (Transversalrichtung senkrecht zur Schnittebene) zu verstehen.
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Zurückkommend
auf 1 ist der Messerhalter 5 an der Vorderseite
des Schwingkopfes 2 angebracht, wobei das Messer 6 am
unteren Ende gehalten ist und eine Schneide des Messers aus dem Messerhalter
hervorragt. Dabei ist das Messer 6 nach bekannter Art gegen
die Schneidebene (genauer: die X-Achse) geneigt, um ein gewünschtes Schneidresultat
zu erhalten. Die Schneide verläuft
im Idealfall exakt parallel zur Y-Achse, also senkrecht zu den X-
und Z-Achsen. Mithilfe einer Einstellschraube 7 kann der
Messerhalter 5 um die Führungsachse 8 geschwenkt
werden. Eine volle Drehung der Einstellschraube entspricht beispielsweise
einer Verkippung des Messers um 5,3 mrad (= Änderung des Höhenversatzes
um 5,3 μm
bezogen auf eine horizontal-seitliche Verschiebung der Schneiden
von 1 mm).
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Bezugnehmend
auf 2 weist der Messkopf 3 eine Lichtschranke
in X-Richtung auf, die mittels einer IR-LED als Sendeelement und
einer IR-Photodiode als Detektor realisiert ist. Die optische Achse 9 der
Lichtschranke ist in 2 als gestrichelte Line gezeigt.
Die laterale Ausdehnung der Lichtschranke (wie durch die seitliche
Ausdehnung der LED und Photodiode sowie allfällig vorhandener Öffnungsblenden
im Messkopf definiert) ist in der Größenordnung von 1 mm, somit
wesentlich größer als der
Höhenversatz über eine
Schwingungsamplitude. Das Messer wird so positioniert, dass ungefähr 50 % des
IR-Lichtes abgedeckt werden; die Photodiode misst die Menge des
unterhalb der Schneide ungehindert sich ausbreitenden IR-Lichtes
und somit das Ausmaß der
Abdeckung der Lichtschranke durch die Schneide (das Messer). Ziel
der Kompensation des Höhenschlags
ist, den Verlauf der Schneide so einzustellen, dass bei eingeschalteter
Vibration (Oszillation entlang der Y-Achse) das Ausmaß der Abdeckung sich über eine
Schwingungsperiode möglichst
wenig ändert – und idealer
Weise konstant bleibt.
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Auf
eine Begrenzung des Lichtstrahles 9 hinsichtlich seiner
Ausdehnung – insbesondere
in der Z-Richtung, was einen alternativen Ansatz darstellen könnte, eine
direktere Auflösung
der Z-Position der Schneide zu ermöglichen, – wurde wegen des damit verbundenen
drastischen Verlustes an Lichtintensität und somit Empfindlichkeit
verzichtet.
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Wie
bereits erwähnt,
zeigen 1 und 2 das Vibrationsmikrotom 1 mit
montiertem Messkopf zur Kompensation des Höhenschlags. Nach dem Justieren
des Messerhalters 5 wird der Messkopf entfernt und durch
den Präparatträger mit
dem zu schneidenden Präparat
ersetzt.
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Ein
Bedienfeld 10, das in 3 gezeigt
ist, ist beispielsweise als eigene Bedienkonsole ausgeführt, die
mittels eines Verbindungskabels mit dem Vibrationsmikrotom verbunden
ist. Über
das Bedienfeld 10 können
Werte wie die Vibrationsamplitude, die Z-Positionierung und (nur
für die
Präparathalterung)
den Vorschub in X-Richtung eingestellt werden, sowie auf der Anzeige 11 das
Ergebnis der Höhenschlag-Messung
dargestellt werden, sowie je nach Bedarf andere Zahlenwerte. Die
Funktion der für
die Erfindung wesentlichen Komponenten des Bedienfeldes ergibt sich
aus der nachfolgenden Diskussion; Bedienkomponenten, die hier nicht
diskutiert sind, dienen Aufgaben, die für die Erfindung nicht von Bedeutung
sind, oder sind späteren
Erweiterungen vorbehalten.
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Steuerelektronik
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4 zeigt
ein Blockdiagramm der Steuerung des Vibrationsmikrotoms. Die Komponenten
der Hauptsteuerung C-1 sind im Körper
des Vibrationsmikrotoms 1 untergebracht; daneben finden
sich auch Steuer- und Antriebskomponenten im Schwingkopf 2 (in 4:
Kasten C-2) und im Körper
des Messkopfes 3 (Messelektronik C-3), sowie im Bedienfeld 10 (Anzeigesystem
C-10).
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Die
Schwingkopf-Steuerung C-2 misst die Amplitudenauslenkung des Schwingkopfes 2,
und somit der Messerhalterung 5. Der Antrieb erfolgt elektromechanisch
mit einer feststehenden Luftspule L1 und an einem Aluminium-Grundblock
gekoppelten Permanentmagneten (nicht gezeigt; vgl. hierzu den Artikel
von J.R.P. Geiger et al.). Der Grundblock bildet zusammen mit zwei
seitlich montierten Blattfedern ein Feder-Masse-System, dessen Resonanzfrequenz
sich aus der Federkonstante und der Masse des Antriebskopfes bestimmt.
Die Schwingungsform ist mit hoher Genauigkeit sinusförmig, sodass
die abgeleiteten Signale – soweit
nicht anders angegeben – ebenfalls
sinusförmig
sind. Der Antriebsstrom jl1 der Luftspule L1 wird von der Hauptsteuerung
C-1 geliefert. Die Auslenkung des Systems wird mittels einer IR-Lichtmesstrecke LS1
gemessen, deren IR-Photodiode einen der Schwingung entsprechenden
von einem Gleichstromanteil überlagerten
Wechselstrom liefert; dieser Messstrom js1 wird in einem Signalverstärker OP1
verstärkt
und in eine Spannung umgesetzt, wobei der Gleichspannungsanteil
abgetrennt wird. Dieses Wechselspannungssignal wird in einem differenziellen
Leitungstreiber OP2 nochmals verstärkt und als nicht-invertierte
und invertierte Spannungssignale vs1, vs2 ausgegeben und an die Hauptsteuerung
C-1 geleitet; das Signal hat z.B. einen Wert von 1 V je mm Auslenkung
des Schwingkopfes. Die Übertragung
des Messsignals der Schwingkopfbewegung erfolgt in Form zweier zueinander
invertierter Signale, um entlang des Übertragungsweges auftretende
Störungen
zu kompensieren.
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In
der Hauptsteuerung C-1 werden die beiden Signale vs1, vs2 mittels
eines differenziellen Verstärkers
OP3 (über
Differenzbildung der beiden Signale) in ein Kontrollsignal tp2 der
Schwingkopf-Schwingung z.B. in Form eines Wechselspannungssignals
umgewandelt. Ein Sample-and-Hold-Schalter SH ermittelt die Amplitudenweite
des Kontrollsignals tp2 in Form eines Gleichspannungssignals (z.B.
1 V je mm Schwingungsamplitude, Signalbereich von 0 bis 3000 mV).
Dieses Signal wird als Ist-Wert v1 einem Amplitudenregelkreis OP4 zugeführt, der
es mit dem Soll-Wert v0 vergleicht und im Wesentlichen als PI-Regler
das Antriebssignal jl1 für
die Antriebsspule L1 des Schwingkopfes mit der Betriebs-Schwingfrequenz
erzeugt.
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Aus
dem Kontrollsignal tp2 wird mittels eines Nulldurchgangsdetektors
OP5 ein Rechtecksignal trg1 abgeleitet, aus dem ein Maximum-Minimum-Detektor
MC4 zwei Steuersignale pklo, pkhi erzeugt. Die Signale pklo, pkhi
weisen jeweils am Zeitpunkt des Signalminimums bzw. -maximums des
Kontrollsignals tp2 Nadelimpulse auf. Eines der Signale pklo, pkhi
wird als Triggersignal dem oben diskutierten Sample-and-Hold SH
zugeführt.
Beide Signale pklo, pkhi werden der Messelektronik C-3 des Messkopfes zugeführt und
dienen diesem als Ansteuersignale (Synchronisationssignale) zur
genauen zeitlichen Definition der Schwingungsendpunkte.
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Die
Messelektronik C-3 befindet sich beispielsweise im Boden des Messkopfes 3 und
wird von einem Mikrocontroller MC3 gesteuert, der mit der Hauptsteuerung
C-1 und dem Anzeigesystem C-10 kommuniziert und hierzu ein serielles
Modul SM3, das einen seriellen Bus SBUS nach Art des bekannten RS485
realisiert, aufweist. Die Messelektronik C-3 ist während des
Messvorgangs mit der Hauptsteuerung C-1 beispielsweise über eine
Kabelleitung (in 1 und 2 nicht
gezeigt) angeschlossen, das neben dem seriellen Bus SBUS und den
Signalleitungen der Signale pklo, pkhi auch die Spannungsversorgung
(15 V) der Messelektronik enthält.
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Die
Lichtschrankenanordnung des Messkopfes ist in 4 symbolisch
mit dem Bezugszeichen LS2 dargestellt. Die Sendediode wird von einer Stromversorgung
OP6 gespeist, die einen Speisestrom liefert, dessen Stromstärke vom
Mikrocontroller MC3 über
ein Steuersignal tpa2 vorgegeben wird. Die Detektordiode liefert
einen Detektorstrom, der von einem Signalverstärker OP7 in ein Spannungssignal
tpa3 umgewandelt wird. Zusätzlich
kann ein weiterer Verstärker
OP8 vorgesehen sein, der als Amplitudenskalierung nach Art eines
Multiplizierers dient und die Größe des Spannungssignals
tpa3 auf eine gewünschte
Skala (z.B. 1 mV entsprechend 1 μm
des Messerhubs, oder 1 mV je Umdrehung der Stellschraube 7)
umsetzt; der Skalenfaktor tpa1 wird dem Verstärker OP8 vom Mikrocontroller
MC3 geliefert. Das so erhaltene (gegebenenfalls skalierte) Spannungssignal
wird als Messsignal tpm dem Mikrocontroller MC3 zugeführt.
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Jeweils
zu den durch die Ansteuersignale pklo, pkhi definierten Zeitpunkten
bestimmt der Mikrocontroller MC3 die Größe des Messsignals tpm; der
so erhaltene Momentanwert, der in diesem Falle dem positiven bzw.
negativen Spitzenwert des oszillierenden Signals tpm entspricht,
wird in digitalisierter Form zwischengespeichert und über den
seriellen Bus SBUS an das Anzeigesystem C-10 gesendet. Der Wert
wird dort seitens des Mikrocontrollers MC2 empfangen und auf der
Anzeige 11 des Bedienfelds 10 angezeigt.
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Zurückkommend
auf die Hauptsteuerung C-1 steht ein Mikrocontroller MC1 mittels
eines seriellen Moduls SM1 über
den seriellen Bus SBUS mit den Mikrocontrollern MC2, MC3 des Bedienfelds 10 und
des Messkopfes 3 in Kommunikation. Der Mikrocontroller
MC1 hält
beispielsweise in Speicherregistern VA, MX, MZ jeweils die Werte
der Vibrationsamplitude (wird als Sollsignal v0 an den Regler OP4 geleitet),
der Schnitt-Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittdicke. Unter
Verwendung der zuletzt genannten Werte werden die Motoren, nämlich der Gleichstrommotor
M1 der X-Richtung und der Schrittmotor M2 der Z-Positionierung, über jeweils
zugeordnete Motorkontroller DMC, SMC gesteuert. Die Vorschubgeschwindigkeit
und die Sollvorgabe der Z-Position werden auf dem Bedienfeld beispielsweise
mittels Regelknöpfen
P1, P2 manuell eingestellt. Die Betätigung einer der Tasten (3)
auf dem Bedienfeld wird von dem Bedienfeld-Mikrocontroller MC2 nach an
sich bekannter Art erkannt und über
den seriellen Bus SBUS (serielles Modul SM2) an den Hauptsteuerungs-Mikrocontroller MC1
gemeldet.
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Höhenschlag-Messung
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Bei
einem Abgleich des Höhenschlags
ergibt sich beispielsweise folgender Ablauf:
Die elektrische
Verbindung zwischen Messkopf 3 und Mikrotom wird z.B. durch
Einstecken des Verbindungskabels hergestellt (sowie gegebenenfalls
durch Eingabe eines entsprechenden Befehls auf dem Bedienfeld 10 aktiviert).
Die Bereitschaft wird auf dem Bedienfeld 10 angezeigt,
beispielsweise durch Anzeigen von "VCHECK" auf der Anzeige 11.
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Der
Benutzer betätigt
die Taste DOWN auf dem Bedienfeld. Die Hauptsteuerung veranlasst
die Z-Positionierung des Messkopfes in die unterste Position; zusätzlich fährt auch
der Schwingkopf das Messer in die hinterste Position. Nach Montage
des Messers 6 (und allfälliger
manueller Grobeinstellung der Messerneigung) wird die Klemmschraube 12 festgezogen.
Der Messkopf 3 wird auf der Halterung 4 montiert
und mit dem Klemmhebel 4a fixiert.
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Nach
beendigter Montage betätigt
der Benutzer die Taste RUN. Daraufhin fährt die Hauptsteuerung den
Schwingkopf so nach vorne, dass das Messer 6 oberhalb der
Lichtschranke 9 des Messkopfes positioniert ist. Dabei
ist noch die Lichtschranke vollständig frei, und währenddessen
kann der Messkopf-Mikrocontroller
C-3 zweckmäßiger Weise die
Intensität
des Lichtstrahls über
das Steuersignal tpa2 auf einen Wert einstellen, bei der das Ausgangssignal
tpm auf einen Ausgangswert geregelt ist, der 95% der Aussteuerbarkeit
entspricht. Die Einstellung der Intensität zu Beginn eines Höhenschlagabgleichs kompensiert
mögliche
Störeinflüsse, wie
Fremdlicht, Temperaturschwankungen usw.
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Dann
wird der Messkopf in Z-Richtung hinaufgefahren in eine Position,
in der das Messer die Lichtschranke teilweise abdeckt. Dies wird
daran erkannt, dass durch die Abschattung durch das Messer das Signal
tpm auf einen vorgegebenen Bruchteil des Ausgangswertes fällt, beispielsweise
50% mit einer Toleranz von z.B. ±1%. Auf diese Weise befindet
sich die Messvorrichtung in einem Arbeitspunkt, bei dem der Zusammenhang
zwischen Z-Position und Lichtmenge linear ist und eine größtmögliche Sensibilität bietet.
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Falls
keine Abschattung erreicht werden kann, liegt ein Fehler vor und
der Messkopf wird wieder in die unterste Z-Position zurückgefahren.
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Bei
erreichter Positionierung in der Lichtschranke wird die Vibration
mit der am Bedienfeld eingestellten Amplitude gestartet. Die Geschwindigkeit
in X-Richtung ist 0. Die Messelektronik C-3 bestimmt nun den Höhenschlag
wie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
und sendet das Messergebnis an den Mikrocontroller MC2 zur Anzeige
auf dem Bedienfeld. Beispielsweise könnte ein Wert "+3,4" angezeigt werden,
was bedeutet, dass der Höhenschlag
mit 3,4 Umdrehungen im Uhrzeigersinn an der Stellschraube korrigiert
werden kann (ein negativer Wert würde Gegenuhrzeigersinn bedeuten).
Der angezeigte Wert könnte
auch anders skaliert sein, z.B. in μm/mm (Z-Höhenschlag pro Versatz in X-Richtung).
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Der
Benutzer quittiert die Anzeige, beispielsweise durch Betätigen einer
spezifischen Taste wie STOP oder PAUSE. Die Vibration des Schwingkopfes
wird, sofern sie nicht schon nach erfolgter Messung abgeschaltet
wurde, beendet. Der Benutzer kann nun die Messerneigung justieren.
Hierzu öffnet er die
Klemmschraube 12, dreht die Einstellschraube 7 um
den angezeigten Wert und zieht die Klemmschraube 12 wieder
an.
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Es
sei angemerkt, dass dieser Justiervorgang mit Absicht manuell geschieht.
Zwar wäre
es eine zusätzliche
Vereinfachung, wenn für
die Justierung der Messerneigung beispielsweise ein Stellmotor oder
ein Piezoelement vorgesehen würde;
jedoch hat die Erfahrung gezeigt, dass – abgesehen von dem damit verbundenen
elektrischen und elektronischen Aufwand -derartige Stellelemente
den Schwingkopf unnötig
schwer machen würden,
was das Schwingverhalten des Schwingkopfes ungünstig verändern würde.
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In
der Regel ist der Abgleich bereits nach dem ersten Durchlauf ausreichend;
gleichwohl empfiehlt es sich, den Wert durch Wiederholen des Messvorgangs
zu überprüfen und
gegebenenfalls die Justierung der Messerneigung nachzujustieren.
Hierzu betätigt
der Benutzer die Taste RUN und der oben dargestellte Vorgang läuft von
neuem ab. Prinzipiell kann der Vorgang so oft wie erforderlich wiederholt werden,
bis die Messung einen Höhenschlag
0 ergibt.
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Durch
die bei jedem Durchlauf stattfindende Einstellung der passenden
Z-Position wird
zugleich auch ein Verstellen der Z-Position des Messers infolge
der Justierung kompensiert.
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Wenn
die Justierung beendet ist, betätigt
der Benutzer zur Bestätigung
die Taste DOWN. Der Messkopf wird wieder in die unterste Z-Position
gefahren, und das Messer zurückgefahren.
Keine Tasten außer
RUN (das einen neuen Messdurchlauf startet, siehe oben) werden akzeptiert.
Es wird nun erwartet, dass der Messkopf entfernt und elektrisch von
dem Mikrotom getrennt wird. Stattdessen kann nun ein Präparathalter
montiert und angeschlossen werden; sobald dies geschehen ist, kann
mit einem Schneidevorgang begonnen werden, der nach wohlbekannter
Art aufgrund der über
das Bedienfeld 10 eingegebenen Parameter, insbesondere
Schwingungsamplitude, Z-Position (mittels Tasten UP und DOWN), abläuft.
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Kalibrierung des Skalenfaktors
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Die
Kalibrierung des Skalenfaktors tpa1 erfolgt nach Eingabe eines entsprechenden
Befehls auf dem Bedienfeld bei angeschlossenem Messkopf 3,
z.B. durch Betätigen
der Taste AUTO/MAN. Der Schwingkopf wird dann in eine Position gebracht,
bei der das Messer 6 oberhalb der Lichtschranke 9 des Messkopfes
positioniert ist. Der Messkopf-Mikrocontroller C-3 kann wie oben
beschrieben die Intensität des
Lichtstrahls einstellen. Dann wird der Messkopf in Z-Richtung hinaufgefahren
in die oben beschriebene Position, in der das Messer die Lichtschranke
teilweise abdeckt, und eine Messung des Höhenschlags wird ausgeführt. Der
Wert des Signals tpm wird vom Mikrocontroller MC3 zwischengespeichert.
Dann wird der Benutzer aufgefordert, z.B. durch Ausgabe eines Befehls über die
Anzeige, die Justierung der Einstellschraube 7 um genau
eine Drehung im Uhrzeigersinn zu ändern. Wenn der Benutzer diese
Drehung vorgenommen hat und durch z.B. Betätigen der Taste RUN anzeigt.
wird eine neue Messung des Höhenschlags
vorgenommen. Aus der Differenz der beiden Werte des Signals tpm
bestimmt der Mikrocontroller MC3 den Faktor, um den der aktuelle
Wert des Steuersignals tpa1 zu korrigieren ist, führt die
entsprechende Korrektur durch und speichert den so gewonnen neuen
Wert des Signals tpa1 auf einem seitens des Mikrocontrollers vorgesehenen
EEPROM (nicht gezeigt) ab.