DE2116964A1

DE2116964A1 - Vorrichtung zum linearen dreidimensionalen Abtasten und Formausmessen

Info

Publication number: DE2116964A1
Application number: DE19712116964
Authority: DE
Inventors: Gardner Pond Pasadena Calif. Wilson (V.St.A.). GOIc 3-22
Original assignee: Clevite Corp
Current assignee: Clevite Corp
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1971-04-07
Publication date: 1971-10-21
Also published as: JPS5528879B1; DE2116964B2; CA932525A; FR2089122A5; GB1315065A; DE2116964C3; US3675333A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. _o11cnfi; HELMUT GÖRTZ 21 16964

6 Frankfurt am Main 70
Schnecfcenhofsfr. 27 - Tel. 61 70 79

4. April 1971 Gzx/goe

CLEVITE CORPORATION, Cleveland, Ohio (U.S.A.) Vorrichtung zum linearen dreidimensionalen Abtasten und Formausmessen.

Es ist oft wichtig für einen Wissenschaftler oder einen Ingenieur, eine niedergeschriebene Registrierung einer Oberfläche herzustellen und kleine Unregelmäßigkeiten zu vergrößern, so daß sie studiert werden können. Bisher war kein gutes System zur Registrierung dreidimensionaler Konfigurationen auf einem zweidimensionalen Regietrierblatt mit der Erscheinung eines dreidimensionalen Bildes vorhanden. Die hier vorliegende Vorrichtung wandelt dreidimensionale Bewegung eines Stiftes in zweidimensionale Registrierung auf einen Registrierblatt um« was zu einem Bild führt, welches dreidimensional erscheint.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung und ein System, welches eine vertikal empfindliche Stift-Umsetzer-Einrichtung sowie einen Verstärker verwendet, der an eine genaue X-Y-Registrier-Einrichtung gekoppelt ist· Ein Präzisionsbezugswagen führt den Stift linear über das Bezugsexeaplar, das studiert werden soll, in eine Reihe von dichtbeabstandeten parallelen Spuren in X-Achsen-Richtung·

109843/1300

Ein Präzisionswagen kann verwendet werden, um das Vorlagenexemplar langsam in der Y-Achsen-Richtung während jedes Linienzuges kontinuierlich zu bewegen. Die X-Y-Registriereinrichtung zeichnet die Linienzüge des Stiftes über das Bezugsexemplar auf und die Z-Achsen-Bewegung des Stiftes wird in eine zusätzliche X- oder Y-Achsen-Bewegung der Re-λ gistriereinrichtung umgewandelt, um ein scheinbar dreidimensionales Bild der Oberfläche der Vorlage zu zeichnen· Alternativ kann die Vorlage festgelegt bleiben und der Stift sowohl an der X-Achsen- als auch an der Y-Achsen-Bewegung teil« nehmen. Auch kann der Stift festgelegt bleiben und die Vorlage sowohl die X- als auch die Y-Achsen-Bewegung ausführen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung •ines Systems zum Abtasten eines dreidimensionalen Objektes und die Wiedergabe seiner Oberfläche auf einer zweidimensio- * nalen Aufzeichnung mit einem dreidimensionalen Erscheinungsbild.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Registriereinrichtung und eines Systems, welches eine größere Anzahl von linearen parallelen Stiftabtastungen einer Vorlage nebeneinander auf einem Regietrierglied aufzeichnet, wobei eine Z-Achsen-Bewegung des Stiftes entweder als X- oder Y-Achsen-Modulation des Aufzeichnungslinienzuge·

109843/1300

211696A

registriert wird, um eine dreidimensionale konturähnliche Abbildung der Oberfläche zu schaffen·

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus der Darstellung von Ausführungsbeispielen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung·

In der beiliegenden Zeichnung ist eine Einrichtung und eine Schaltung entsprechend der Erfindung wiedergegeben, welche ein Linearlinienzug-Regietrier-System zur dreidimensionalen Abtastung und Oberflächenformausmessung enthält·

In der Zeichnung ist eine Vorlage 10, beispielsweise eine Münze, dargestellt, deren dreidimensionale Oberfläche auf eine Registrierkarte 11 in scheinbar dreidimensionaler Konfiguration übertragen und aufgezeichnet werden soll·

Die Vorlage 10 liegt auf einem Tisch 12, der vorn genauen Bahnen 13 getragen wird und kontinuierlich sehr langsam in Y-Richtung mittels eines Motors Ik bewegt werden kann· Begrenzungsschalter betätigende Pinger 15 und l6 sind mit dem Tisch 12 zur Betätigung der Begrenzungsschalter 17 und 18 verbunden, um den Motor Ik umzuschalten und den Tisch 12 in seine "Ausgangs"-Position zur richtigen Zeit zurückzubewegen.

109843/1300

Die Stiftvorrichtung 20 mit einem Stift 19 .ist in Berührung mit der Oberfläche der Vorlage 10 gehalten und gegen "Berg- und Tal"-Bewegung empfindlich, d.h., wenn die Vorrichtung sich vertikal oder in Z-Achsen-Richtung bewegt, erzeugt sie ein elektrisches Signal, das den Betrag der Vertikalbewegung wiedergibt· Der Ausgang der Stiftvorrichtung 20 ist mit dem Eingang des Verstärkers 21 über Leitungen 22 verbunden» Die

™ Stiftvorrichtung 20 ist mittels Arm 23, Ständer 24 an dem Tisch 25 angebracht, welcher mittels genauer Bahnen 26 gehalten wird und mittels Motor 27 in X-Richtung bewegt werden kann. Begrenzungeschalter betätigende Pinger 28 und 29 sind mit dem Tisch 25 verbunden zur Betätigung der Begrenzungeschalter 30, 31, um den Vorschub des Tisches 25 umzukehren und diesen in seine "Anfangs"-Position zurückzubewegen· Ein X-Achsen-Lagepotentiometer 32 ist in der Nähe des Tisches 25 angebracht und ein Potentiometerarm 33 tritt mit dem Potentio-

t meter so in Eingriff, daß, wenn der Tisch 25 zurück und vorwärts in X-Achsen-Richtung bewegt wird, wiederholte Abtastungen der Vorlage 10 bewirkt werden· Die X-Achsen-Position wird kontinuierlich mittels Leitungen 34, 35 .*« dem X-Achsen-Positionseingang der X-Y-Registriervorrichtung 11 übertragen·

Auf ähnliche Weise zeigt, wenn der Tisch 12 in der Y-Achsen-Richtung bewirkt wird, ein Potentiometerarm 36 in Eingriff mit dem Potentiometer 37 die Y-Achsen-Position de· Tisches 12

109843/1300

mittels Leitung 38 und Leitung 39» Verstärker 21 und Leitung 52, angeschlossen an die X-Y-Registrier-Einrichtung 11, an·

Die Begrenzungsschalter 17 und l8 haben eine mechanische Zwischenverbindung, die mit gestrichelter Linie 17'-18· angedeutet ist, und die Begrenzungsschalter 30, 31 haben eine mechanische Zwischenverbindung, die durch gestrichelte Linie 3O'-31' angedeutet ist, so daß die Schalter paarweise für den Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb umgelegt werden· Eine Steuerbox 45 steuert den Betrieb der Vorrichtung zusammen mit den Potentiometern 32, 37 und den verschiedenen Begrenzungsschaltern 171 l8 und 30, 31.

In der Betriebsstellung, wenn der Steuerbox-Schalter 46 in die "An"-Stellumg gelegt ist, ist di· Batterie 47 über eine variable Widerstandsgeschwindigkeits-Steuerung 48 und über eine Leitung 49 mit dem Motor 27 verbunden, um eine X-Achsen-Bewegung des Tisches 25 und der Stiftvorrichtung 20 zwischen den Vorwärts- und Rückwärts-Grenzen, eingestellt mittels den Schaltern 30, 311 und ein Abtasten des Potentiometers 32 durch den Potentiometerarm 33 zu bewirken, wodurch über Leitungen 34, 35 die X-Y-Registriereinrichtung kontinuierlich von der X-Achsen-Position der Stiftvorrichtung 20 auf der Vorlage 10 informiert wird. Während der Rückwärtsbewegung des Tisches 25, wie sie durch die Begrenzungsschalter 30, 31 gesteuert wird,

109843/1300

wird ein "Federanhebe"-Kreis der X-Y-Registriereinrichtung 11 von der Steuerbox k5 über Leitungen 50, 51 angeregt, um zu bewirken, daß die Aufzeichnungsfeder derX-Y-Registriereinrichtung einen Rückwärtalinienzug auf der Registrierkarte zieht. Venn in dem System kein toter dang vorhanden wäre, könnte auch beim Rückführen ein Aufzeichnen ausgeführt ~ werden, da es jedoch schwierig ist, einen toten Gang vollständig zu eliminieren, ist es für ein sehr sorgfältiges Arbeiten vorzuziehen, nur in einer Richtung aufzuzeichnen. Während der Vorwärtsbewegung der Stifteinrichtung 20 über die Vorlage 10 ist die "Feder-Anhebung" nicht in Betrieb und ein Linienzug wird von der Aufzeichnungsfeder (nicht dargestellt) auf dem Aufzeichnungsglied in der X-Y-Registriereinrichtung gezogen· Bei geschlossenem Schalter 60 in der Steuerbox 45 unterliegt während jedes X-Linienzuges der Tisch 12 einer sehr langsamen, kontinuierlichen Y-Achsen- w Bewegung, die im folgenden im einzelnen beschrieben wird.

Vertikale oder Z-Achsen-Bewegung des Stiftes 19 der Vorrich-

tung 20 erzeugt ein elektrisches Signal, welches den Verstärker 21 über die Leitung 22 zugeführt wird· Aus dem Verstärker 21 wird es über die Leitungen 52. 39, über das Y-Lage-Potentiometer 37 und über die Leitung 33 der Y-Achsen-Steuerung der Feder der X-Y-Registriereinrichtung 11 zugeführt, um eine Y-Achsen-Modulation der Feder in Übereinstim-

1098A3/1300

mung mit der Größe der Z-Achsen-Bewegung des Stiftes auf der Vorlage 10 zu bewirken· Diese Y-Achsen-Modulation ist zusätzlich zu der kontinuierlichen, sehr langsamen Y-Achsen-Bewegung des Tisches 12, wobei die kontinuierliche Lageinformation hierbei unter der Steuerung des Potentiometers 37 geschieht«

Bine Anregung des Motors 14 tritt von der Steuerbox 45 ein, wenn der Schalter 60 in eine "An"-Stellung geschlossen wird und die Begrenzungeschalter 17 und l8 in der dargestellten Position liegen· Ein Geschwindigkeitssteuerwiderstand 62 liegt in einem Kreis nit den Leitungen 591 58 und 67» 68} die Batterie 6l treibt den Motor Ik an. Venn der Tisch 12 seine Bewegungegrenze erreicht, betätigt der Begrenzungsschalterara 15 den Schalter 17 und legt auch über die Zwischenverbindung 17'-18· den Schalter l8 in eine "Rückwärts"-Stellung· Der Kreis ist dann zu de* Motor 1% von der Batterie 61, der Geschwindigkeitssteuerung 62, der Leitung 59, de» Schalter 17 (in übergelegter Stellung), der Leitung 63, der Leitung 69 zu den Motor Ik und zurück am der Steuerbox 45 · über die Leitung 68 geschlossen·

Für den ^NVorwärts"-Betrieb Hit de« Schalter 46 der Steuerbox 45 in ⁿAn"-Stellung ist die Batterie 47 über Leitungssehalter 30 und die Leitung 41 in den "Vorwärts"-Kreis und über die

1 09843/1300

Leitung 42 mit dem Antriebsmotor 27 verbunden· Der Rückführungskreis von dem Motor 27 führt über die Leitung 49 und die Geschwindigkeitssteuerung 48 mit variablem Widerstand zu der Batterie 47*

Der Begrenzungsechalter 31 liegt in dem zuvor beschriebenen Kreis mittels Leitungen 40' und 41'·

Für den Rückwärtsbetrieb sind die BegrenzungsscMLter 30, 31 von ihren anderen Polen "R" mittels des Begrenzungsechalterfingere 39 und die mechanische Zwischenverbindung 30'-3I¹ gelegt· Der Rückwärts-Anregungskreis von dem Motor 27 führt von der Batterie 47 über die Geschwindigkeitssteuerung 48 mit variablem Widerstand, die Leitung 49« die Leitung 44zu dem Schalter 30 und zurück zu der Steuerbox 45 über die Leitung 40 zu dem Schalter 46«

Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die Vorlage 10 an dem Tisch 12 befestigt ist und sich der Tisch 12 in Y-Achsen-Richtung mit geringer kontinuierlicher Geschwindigkeitsrate, d.h. etwa 1/100 oder weniger der X-Abtast-Geschwindigkeit , bewegt. Dies bedeutet, daß jeder X-Abtast-Linienzug auf der X-Y-Regietriereinrichtung 11 eine sehr geringe Neigung abhängig von den relativen X- und Y-Ahtastgeechwindigkeiten hat. Jeder nachfolgende Linienzug ist jedoch im wesentliche»

1098 U3/1300

parallel zu dem vorhergehenden· ausgenommen für leichte Differenzen in der Y-Achsen-Modulation entsprechend der vertikalen oder Z-Achsen-Bewegung des Stifte« 21«

Ein alternatives Verfahren besteht darin, den Tisch 12 um einen differentiellen Schritt in Y-Achsen-Richtung zwischen den X-Achsen-Abtastungen bewegen und den Tisch 12 während jeder X-Achsen-Abtastung zu halten· Dies kann dadurch erreicht werden« daß man einen Schritt-Motor 14 verwendet_t welcher angeregt wird, wenn der X-Achsen-Begrenzungsschalter 31 von dem Begrenzungeschalterarm 29 Übergelegt wird, wodurch der Tisch 12 in eine neue in dichtem Abstand befindlich· Stellung vorgerückt wird, während der Tisch 25 sich für die nächste X-Achsen-Abtastung zurückbewegt·

Um Vorlagen 10 verschiedener Größe abzutasten, können die Begrenzungsarme 13, 16 der Y-Achsen-Abmessung und die Begrenzungsarme 28, 29 der X-Achsen-Abmessung in ihrer Länge einstellbar sein, oder die Stellungen der Begrenzungsschalter selbst können einstellbar sein·

Zwei andere alternative Anordnungen sind die folgendent (1) Die Vorlage 10 wird stationär gehalten und die Stiftvorrichtung 20 ist in X- und Y-Achsen-Richtungen über die Vorlage bewegbar, und (2) die Stiftvorrichtung 20 ist stationär ge-

109843/1300

halten und die Vorlage 10 bewegt sich sowohl in X- als auch in Y-Achsen-Richtung·

Mittel können vorgesehen sein, um jede nte-Abtaatung auszulassen, um der Bedienungsperson nach Nachfolgen eines bestimmten Profils zu erleichtern, ähnlich der Technik, die bei dem Konturenauftragen verwendet wird, bei der jede nte-Konturenlinie als eine-dickere Linie gedruckt wird· Um dies zu erreichen, ist eine Schrittschalterzähler-Vorrichtung 24 mit einer Batterie mechanisch mit dem Begrenzungsschalter 31 mittels der mechanischen Verbindung 55 verbunden und ihr elektrischer Ausgang an die Leitungen 50, 51 des Feder-Anhabe-Mechanismus der X-Y-Registriereinrichtung 11 über Leitungen 56, 57 verbunden, wodurch die Feder der X-Y-Registriereinrichtung 11 davon abgehalten wird, jeden nten-Linienzug zu schreiben· Alternativ kann eine gestrichelte Linie in jedem nte-Linienzug geschrie- W ben werden· .

Jede gewünschte Verstärkung des X-, Y- oder Z-Signals kann erreicht, werden* Die X- und Y-Achsen können ausgetauscht werden und die Polaritäten des Aufzeichnungssignals vertauscht werden■· Unterschiedliche X- und Y-Empfindlichkeiten können ein· isometrische Ansicht der Vorlage, welche aufgezeichnet wird, hervorrufen· Somit wird eine sehr flexible, dreidimensionale Aufzeichnung der Oberfläche einer Vorlage erhalten.

109843/1300

Claims

- 11 Patentansprüche

(l·/ Verfahren zur Übertragung einer dreidimensionalen X,-Y-, Z-Achsen-Relief-Konfiguration auf eine zweidimensionale X-, Y-Acheen-Aufzeichnungsoberflache, gekennzeichnet durch wiederholtes lineares Abtasten der Konfiguration in einer der X-, Y-Achsen-Richtungen unter Verwendung eines Aufnahme-Stiftes, welcher für die Bewegung in Z-Achsen-Richtung empfindlich ist, wobei aufeinanderfolgende Abtastungen gegeneinander um einen geringen Betrag in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen versetzt werden, gleichzeitiges wiederholtes lineares Abtasten der Aufzeichnungsoberflache in eine der X-, Y-Achsen-Richtungen mit einer Registriereinrichtung, welche auf die Aufzeichnungeoberfläche aufzeichnet, wobei aufeinanderfolgende Abtastungen voneinander um einen geringen Betrag in der anderen der X-, Y-Achsen Richtungen versetzt werden, und Umwandeln der Z-Achsen-Bewegung des Aufnähmestiftes in eine Bewegung der Registriereinrichtung in die andere der X-_t Y—Achsen-Richtungen als die, in der die Registriereinrichtung auf das Aufzeichnungsglied aufzeichnet, wobei die umgewandelte Z-Achsen-Stiftbewegung die aufeinanderfolgenden Abtastungen der Registriereinrichtung modulierte

1 098 A 3/1300

2* Verfahren nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch

Stationärhalten der Konfiguration in einer der X-1 Y-Achsen-Richtung während der Bewegung de· Stifte« über sie in der Richtung, und

kontinuierliches Bewegen der Konfiguration in der anderen fc der der X-, Y-Achsen-Richtungen mit einer Rate, die vergleichsweise klein ist zu der Bewegungsrate des Stiftes über die Konfiguration«

3· Verfahren nach Anspruch 1, g ek ennzei e h ή β t ■ durch' ·

Stationärhalten der Konfiguration in der einen der X-, T-Achsen-Richtungeh während der Bewegung des Stiftes Über sie in dieser Richtung, und . -

intermittierendes Bewegen der Konfiguration in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen tun kleine Beträge zwischen den Abtastungen des Stiftes über die Konfiguration·

k· Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet durch Mittel, welche bei jeder nte-Abtastung der AufVzeichnungeoberflache bewirken, daß die Regietriereinrichtung ihren LinienzUg von der noraalen Aufzeichnung ändern» ■;··.- · '■ '

109843/1300

- 13 -

.3» Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel bei jeder nten-Abtastung verhindern, daß die Registriereinrichtung auf dem Aufzeichnungsglied während der nten-Abtastung aufzeichnen.

6. Verfahren zum Übertragen einer dreidimensionalen X-, Y-, Ja*Z-Achsen-Relief-Konfiguration auf eine zweidimensional? X-, Y-Achsen-Aufzeichnungsoberflache, gekennzeichnet durch

wiederholtes lineares Abtasten der Konfiguration in einer der X-, Y-Achsen-Richtungen unter Verwendung eines Aufnahme-Stiftes, der für Bewegung in Z-Achsen-Richtung empfindlich ist, ,

wiederholtes lineares Abtasten der Aufzeichnungsoberflache in einer der X-, Y-Achsen-Richtungen mit einer Registrier-

ί
einrichtung, die auf der Aufzeichnungsoberfläche aufzeichnet,

Synchronisieren der linearen Abtastung der Konfiguration mit der linearen Abtastung der Aufzeichnungsoberfläche, . Umwandeln Z-Achsen-fiewegungen des Aufnahmestiftes in Bewegungen tier Registriereinrichtung in die andere der X-, Y-Achsen-Richtungen aid die« in der die Registriereinrichtung auf der Aufseietmungsoberflache aufzeichnet, und nach jeder linearen Abtastung der Konfiguration und der

109843/13OQ

Registriereinrichtung Bewegung des Aufnähmestiftes relativ zu der Relief-Konfiguration und der Registriereinrichtung relativ zu der Aufzeichnungsoberfläche um eine differentielle Strecke in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen vor der nächsten jeweiligen linearen Abtastung·

Verfahren zum Übertragen einer dreidimensionale X-,Y-,Z-Achsen-Relief-Konfiguration auf eine zvreidimensionale X-,Y-Achsen-Aufzeichnungsoberfläche, gekennzeichnet durch wiederholtes lineares Abtasten der Konfiguration in der X-Achsen-Richtung unter Verwendung eines Aufnahmestiftes, welcher für eine Bewegung in der Z-Achsen-Richtung empfindlich ist,

wiederholtes lineares Abtasten der Aufzeichnungsöberflache in der X-Achsen-Riehtung mit einer Regietrier einrichtung, welche auf der Aufzeichnungsoberfläche aufzeichnet, Synchronisieren der linearen Abtastung der Konfiguration ait der linearen Abtastung der Aufzeichnungsoberfläche, Umwandeln der Z-Achsen-Bewegungen des Auf nähmest if tes ist Y-Achsen-Bewegungen der Registriervorrichtung während diese der Aufzeichnungsoberflache aufzeichnet, und nach Jeder linearen Abtastung der Konfiguration und der Registriereinrichtung Bewegen des Aufnähmest if tee und der

Registriereinrichtung um eine differentielle Strecke in der Y-Achsen-Richtung vor. der nächsten jeweiligen linearen Abtastung·

8. Vorrichtung zum Übertragen einer dreidimensionalen X-, Y-, Z-Achsen-Relief-Konfiguration auf eine zweidimensionale X-, Y-Achsen-Aufzeichnungeoberflache, gekennzeichnet duroh Mittel zum wiederholten linearen Abtasten der Konfiguration in einer der X-, Y-Achsen-Richtungen unter Verwendung eines Aufnahmestiftes, der für eine Bewegung in der Z-Achsen-Richtung empfindlich ist zur Erzeugung «Ines elektrischen Ausganges, welcher in Beziehung steht zu der Z-Achsen-Bewegung,

Mittel zur wiederholten linearen Abtastung 'der Aufseich* nungsöberflache der gleichen einen der X-, Y-Achsen- ' " Richtungen mit einer elektrisch betätigten Registriereinrichtung zum Aufzeichnen auf der Aufzeichnungeoberfläche, . elektrische Verbindungsmittel, welche die die Konfiguration abtastende Einrichtungen mit der die Aufzeichnungsfläche linear abtastenden Einrichtung zur Synchronisierung ihrer linearen Abtastungen verbindet« Mittel zur elektrischen Verbindung dee Aufnahmestiftes mit der Registriereinrichtung zur Bewegung der Registrier··

1098A3/1300

einrichtung über das Aufzeichnungsglied in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen in Übereinstimmung mit der Größe des elektrischen Ausganges des Aufnähmestifte·, eine erste Inkrement-Einrichtung, um zwischen den Abtastungen eine Relativbewegung in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen zwischen dem Abnahmestift und der Konfiguration mitzuteilen, und

eine zweite Inkrement-Einrichtung, um zwischen den Abtastungen eine Relativbewegung in der anderen der X-, Y-Achsen-Richtungen zwischen der Registriereinrichtung und der Aufzeichnungeoberfläche mitzuteilen·

109843/1300