DE2411627A1 - Electrical compensation of mechanical quantity - uses method of superposition of several harmonics of fundamental wave - Google Patents

Abstract

The electrical quantity is amplified, and consists of superposition of several electric signals, being the harmonics of a fundamental wave. The fundamental wave necessary for compensation, corresponding mechanically to a circle, consists of two voltages, sin alpha and cos alpha generated by a sine-cosine test value generator. Compensation voltages for higher harmonics are produced from the fundamental wave electronic multiplication and addition. Instead of the analogue sine-cosine generator an incremental pulse generator for forward and backward counting is used. Compensation voltages for the fundamental wave and its harmonics are derived from the pulse train as above. A mechanical quantity received or scanned over a certain length is after conversion into an electrical quantity stored in an analogue or digital store, and then cyclically read out, and its fundamental wave and its harmonics are compensated, using electronic multipliers and adders.

Description

Einrichtung zur elektrischen Kompensation einer mechanischen Größe Die wirkliche Gestalt der durch die üblichen Fertigungsverfahren hergestellten Werkstücke weicht von der vorgegebenen idealen geometrischen Gestalt oft erheblich ab, sodaß Gestaltabweichungen 1. bis 5. Ordnung festgestellt werden konnten. Unebenheit, Ungeradheit, Unparallelität, Unrundheit usw. sind Gestaltabweichungen 1. Ordnung, Welligkeit und Vieleckigkeit solche 2.0rdnung Unter die 3. bis 5. Ordnung gehören die verschiedenen Erscheinungsformen der Rauhheit. Die Schwierigkeit besteht darin, daß diese verschiedenen Gestaltabweichungen einander überlagert auftreten, und daß es andererseits notwendig ist, sie voneinander zu trennen, wenn man ihren Grund erkennen und sie beseitigen will. Die Gestalt wird durch Abtasten mit einer Tastspitze für die Mikrogestalt, mit einer Kugel an einem Tastbolten für die Makroabweichungen erfasst. Die Bewegungen dieser Tastorgane, die durch die Gestaltabweichungen hervorgerufen werden, werden durch einen mit den Tastorbanen verbundenen elektromechanischen Meßwertwandler in eine elektrische Größe umgeformt, sodaß sie nunmehr auf elektrischem Wege vergrößert und zur Anzeige gebracht werden können. Hierbei wurde es auch unternommen, durch Einschalten elektroW-scher Filter in den Ablauf der Meßwertvergrößerung die einzelnen Gesttltabweichungen voneinander zu trennen. Dabei sind aber Schwierigkeiten aufgetreten, weil die zu trennenden mechanischen Gestaltabweichungen, wenn sie in elektrische Größen,. beispielsweise Spannungsschwankungen umgeformt worden sind, sehr langsame, niederstfrequente Schwingungen darstellen, für die die üblichen elektrirchen Filter erhebliche Nachteile, insbesondere unangenehme Phasenverschiebungen, besitzen. Es besteht daher ein sehr begründetes Bedürfnis nach einem Trennverfahren, das ohne derartige elektrische Filter arbeitet. Device for electrical compensation of a mechanical variable The real shape of the workpieces produced by the usual manufacturing processes often deviates considerably from the given ideal geometric shape, so that Deviations in shape of the 1st to 5th order could be determined. Unevenness, unevenness, Non-parallelism, out-of-roundness, etc. are first-order deviations in shape, waviness and polygonality such 2nd order The 3rd to 5th order include the various Manifestations of roughness. The difficulty is that these are different Shape deviations occur superimposed on one another, and that it is necessary on the other hand is to separate them from one another when you can recognize their reason and eliminate them want. The shape is created by scanning with a probe tip for the micro shape, recorded with a ball on a probe for the macro deviations. The movements of these tactile organs, which are caused by the shape deviations by means of an electromechanical transducer connected to the probe bars in transformed an electrical quantity so that it is now enlarged electrically and can be displayed. Here it was also undertaken by Switching on electro-W-shear filters in the process of magnification of the measured values Separate shape deviations from one another. But difficulties arose because the mechanical shape deviations to be separated when they are in electrical Sizes ,. for example voltage fluctuations have been transformed, very slow, represent the lowest frequency vibrations for which the usual electrical filters have considerable disadvantages, in particular unpleasant phase shifts. It there is therefore a very legitimate need for a separation process that does not such electrical filter works.

Eine Lösungsmöglichkeit ist in dem DBP 1.100.978 für eine Rundheitsmeßeinrichtung beschrieben, mit der es möglich ist, selbsttätig durch elektrische Kompensation den Exzentrizitätsfehler zu beseitigen, zu d der entsteht, wenn das auf seine Gestaltabweichung zu untersuchende runde Werkstück gedreht wird und dabei seine Drehachse nicht genau zu der Achse des umlaufenden Tisches, aut dem es steht, ausgerichtet ist. Aber auch wenn der Meßtaster un das zu zu prüfende Teil rotieren würde, müßte die Achse des Prüfatückea zur Rotttionsachse des umlaufenden Meßtaster genau zentriert sein.One possible solution is in the DBP 1,100,978 for a roundness measuring device described, with which it is possible to automatically through electrical compensation to eliminate the error of eccentricity that arises when that affects its shape deviation The round workpiece to be examined is rotated and its axis of rotation is not accurate is aligned with the axis of the rotating table on which it stands. But also if the probe would rotate un the part to be tested, the axis of the would have to The test piece must be exactly centered on the axis of rotation of the rotating probe.

Da die Vergrößerungsmöglichkeit für iic Gesta1tabsveichungen um so mehr eingeschränkt wird, je gröber dtt Exzentrizität ist, war es notwendig, elektrisch ein ideales, aber in seiner Exzentrizität verstellbares Kreisprofil zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden mit der Achse der umlaufenden Genauigkeitsspindel zwei elektrische Geber verbunden, von denen der eine Geber eine dem Sinus deS Drehwinkels, der andere gleichzeitig eine dem Cosinus proportionale elektrische Spannung liefert. Mit Hilfe dieser beiden sin-cos-Spannungen lässt sich eine Berichtigungsgröße bilden, durch die die Exzentrizität kompensiert wird. Einzelheiten sind aus dem oben genannten Patent zu ersehen.Since the possibility of enlargement for iic design adjustments is all the more is more restricted, the coarser dtt eccentricity, it was necessary to be electrical to generate an ideal circular profile that is adjustable in its eccentricity. For this purpose, the axis of the rotating precision spindle is used with two electrical Encoder connected, one of which is the sine of the angle of rotation, the other at the same time supplies an electrical voltage proportional to the cosine. With help These two sin-cos voltages can be used to form a corrective quantity which the eccentricity is compensated. Details are from the above See patent.

Als-sin-coE-Geber werden entsprecleend gestaltete elektrische Drehkondensatoren, induktive umlaufende Spulensysteme oder Drehwiderstände mit geeigneter Wicklung verwendet.Correspondingly designed electrical variable capacitors are used as sin-coE encoders, inductive rotating coil systems or rotary resistors with suitable winding used.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Gestalt der zu prüfenden Werkstücke nicht ideal rund, sondern oval, ein Gleichdick mit 3 oder mehr Ecken bis zu einem Vieleck sein kann. Die Werkstücke sind dabei-nicht etwa eckig geformt, sondern sie wirken durchaus noch rund, aber bei entsprechend hoher Vergrößerung wird die innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches vorhandene Eckenzahl erkennbar. Dies sieht man bei der Aufzeichnung auf Kreisdiagrammblättern während bei der Auf zeichnung auf längs ablaufendes Diagrammpapier eine Wellenlinie geschrieben wird. Dies würde also der Welligkeit entsprechen,die bei der Ilängsabtastung von Oberflächen erfasst wird. Sie ist in der Regel v von der Rauheit überlagert.It has now been shown that the shape of the workpieces to be tested is not ideally round, but oval, an even thickness with 3 or more corners up to a polygon. The workpieces are not shaped angularly, but they still look round, but with a correspondingly high magnification, the Number of corners present within a certain tolerance range recognizable. This can be seen when recording on pie chart sheets while a wavy line is written on chart paper running lengthways when recording. This would therefore correspond to the waviness that is detected during the longitudinal scanning of surfaces. As a rule, it is superimposed by the roughness.

Gegenstand der Erfindung ist es nun, ein solches Wellenprofil zu erzeugen und mit ihi die vorhandene Welligkeit oder das eckige Profil des Werkstückes wegzukompensieren, umlas dann übrig bleibende Profil der noch vorhandenen Gestaltabweichungen stärker vergrößern zu können. Dabei wird erfindungsgemäß dieses Wellenprofil aus dem für die Zentrierung vorhandenen Grundprofil des elektrischen Kreises dadurch erzeugt, daß statt sin G bezw. cos t nunmehr sin 2 α und cos 2 α, oder sin 3α cos 3 α usw. bezw. die Harmonischen des Grundprofils gebildet werden. Dies geschieht durch den Einbau elektronischer Multiplikatoren und Addierer.The object of the invention is now to produce such a wave profile and to compensate away the existing waviness or the angular profile of the workpiece with ihi, Then read around the remaining profile of the remaining shape deviations more strongly to be able to enlarge. According to the invention, this wave profile is derived from the for the centering of the existing basic profile of the electrical circuit is generated by that instead of sin G respectively. cos t now sin 2 α and cos 2 α, or sin 3α cos 3 α etc. resp. the harmonics of the basic profile are formed. this is done by installing electronic multipliers and adders.

Abbildung 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer derartigen Meßeinrichtung.Figure 1 shows the basic structure of such a measuring device.

Das Werkstück 1 befindet sich auf dem mit der Präzisionsspindel 2 verbundenen Grobzentriertisch 3. Es wird-iabgetastet von dem Tastbolzen 4 des elektrischen Längenmeßtasters 5, dessen Meßwertspannung über die Summier- bezw.The workpiece 1 is on the one with the precision spindle 2 connected coarse centering table 3. It is scanned by the feeler pin 4 of the electrical Length measuring button 5, the measured value voltage via the summing or.

iompensationsstufe 6 der Verstärker- und Meßeinrichtung 7 zugeführt wird.iompensationsstufe 6 of the amplifier and measuring device 7 is supplied will.

Die Präzisionsspindel 2 ist mechanisch gekuppelt iit den sin-cos-Gebern 8/9 deren Ausgangsapannung der Einrichtung 10 zufließen, wo die Funktionen des Grundkreises und der Harionischen gebildet werden. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Schaltungen für sin 2α und cos 2α sowie sin 3und cos In Abbildung 1 werden dann diese Spannungen den Recheneinheiten 11 für die Frequenzanalyse sowie den Modulatoren 12 für die Kompensation zugeführt.The precision spindle 2 is mechanically coupled to the sin-cos encoders 8/9 whose output voltage flows to the device 10, where the functions of the base circle and the Harionics. Figures 2 and 3 show the circuits for sin 2α and cos 2α as well as sin 3and cos In figure 1, these voltages are then sent to the computing units 11 for the frequency analysis as well fed to the modulators 12 for compensation.

Der Schalter 14 aktiviert diesen Kreis bei dem ersten Spindelumlauf, worauf bei dem zweiten Spindelumlauf durch den Schalter 13 dann über die Stufe 6 durch 7 das kompensierte Meßergebnis angezeigt wird.The switch 14 activates this circuit on the first spindle revolution, whereupon with the second spindle revolution through the switch 13 then via the step 6 the compensated measurement result is indicated by 7.

elektronischen Abbildung 2 zeigt die Bildung von sin 2 t unter Verwendung einesjMültipl1-zierers 15 aus den Spannungen 2.sin A und 2.cos α, sowie von cos 2 2ebenfalls aus den vorgenannten Spannungen und einem elektronischen Multipilzierer 16, dem je eine elektronische Addierstufe 17 und 18 vorgeschaltet ist.electronic Figure 2 shows the formation of sin 2 using t a multiple multiplier 15 from the voltages 2.sin A and 2.cos α, as well as from cos 2 2 also from the aforementioned voltages and an electronic multiplier 16, each of which is preceded by an electronic adding stage 17 and 18.

Die mathematischen Gleichungen für diese Vorgänge sind: sin 2 fi X 2 e sin 0 cos Q\ cos 2α = 2 . sin ( α + 450) . cos ( α + 450) In Abbildung 3 ist die Schaltung für die 3. Harmonische unter Verwendung der elektronischen Potenzierstufen 19 und 20 sowie der Subtrahierstufen 21 und 22 dargestellt nach der Beziehung sin& 3 K = 3 0 sin A - 4 sin -cos 3α = 4 0 cos3 - 3 . cos Statt der eine Analogspannung liefernden sin-cos-Geber 8 und 9 kann mit der Präzisionsspindel 3 auch ein Impulsgeber verbunden werden, der zwei zueinander versetzte Impulsfolgen liefert. Derartige Impulsgeber sind als Incrementalgeber für Vor- und Rückwärtszählung bekannt. Mit Hilfe eines für sin und cos programmierten Festwertspeichers für die Grundwelle kann so auf digitalem Ziege, wie Abbildung 4 zeigt, die Berichtigungsspannung gebildet werden.The mathematical equations for these processes are: sin 2 fi X 2 e sin 0 cos Q \ cos 2α = 2. sin (α + 450). cos (α + 450) In Figure 3 is the circuit for the 3rd harmonic using the electronic Exponentiation levels 19 and 20 and the subtraction levels 21 and 22 shown according to the relation sin & 3 K = 3 0 sin A - 4 sin -cos 3α = 4 0 cos3 - 3. cos Instead of the sin-cos encoders 8 and 9 supplying an analog voltage, the precision spindle 3 also a pulse generator can be connected, the two offset pulse trains supplies. Such pulse generators are used as incremental generators for counting up and down known. With the help of a read-only memory programmed for sin and cos for the Fundamental wave can thus be used on digital goat, as Figure 4 shows, the correction voltage are formed.

Für die Harmonischen der Grundwelle müssen vor den Festwertspeicher noch elektronische Multiplizierer vorgeschaltet werden um die Winkelwerte 2α , aus dem Grundwert abzuleiten.For the harmonics of the fundamental wave, the read-only memory electronic multipliers are still connected upstream by the angle values 2α , to be derived from the basic value.

Das hier geschilderte Verfahren für die Kompensation bei Rundheitsmeßmaschinen kann aber auch auf die lineare Abtastung übertragen werden, wie sie beispielsweise bei der Längs- bezw. Geradheitsmessung oder bei der Oberflächenmessung auftritt. Zweckmässig wird hier das elektrische Profil der abgetasteten Strecke analog z0B. auf Magnetband oder digital mittels eines Festwertspeichers gespeichert und sodann zyklisch abgespielt bezw. wiederholt. Durch Umwandlung des linearen in einen zyklischen Vorgang kann dann die Kompensation und die Gestaltanalyse wie bei einer Rundheitsmessung vorgenommen werden und zwar ohne die bei Filtern auftretenden Phasenfehler.The procedure described here for the compensation in roundness measuring machines but can also be transferred to linear scanning, as it is, for example in the longitudinal resp. Straightness measurement or surface measurement occurs. The electrical profile of the scanned path is expedient here, analogously to z0B. stored on magnetic tape or digitally by means of a read-only memory and then cyclically played resp. repeated. By converting the linear to a cyclic one The process can then be compensation and shape analysis as with a roundness measurement can be made without the phase errors that occur with filters.

Claims (3)

Paten ausrüche Breaking out godparents Einrichtung zur elektrischen Kompensation einer mechanischen Größe, die mittels eines elektromechanischen Meßwertwandlers in eine elektrische Größe umgeformt und verstärkt wurde, und die aus der Überlagerung mehrerer elektrischer Signale besteht, welche steigend höhere Harmonische einer Grundwelle sind, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kompensation benötigte Grundwelle, die beispielsweise mechanisch einem Kreis entspricht, in an sich bekannter Weise aus zwei Spannungen sinX und co6 W gebildet werden, die durch mit dem Meßvorgang gekuppelte sini-co6-Meßwertgeber erzeugt werden und daß durch elektronische Multiplizierer und Addierer aus den Spannungen für die Grundwelle die Kowmpensationsspannungen für die höheren Harmonischen gebildet werden.Device for electrical compensation of a mechanical variable, which by means of an electromechanical transducer into an electrical quantity reshaped and reinforced, and the result of the superposition of several electrical Thereby there is signals which are increasingly higher harmonics of a fundamental wave characterized in that the fundamental wave required for compensation, for example mechanically corresponds to a circle, in a manner known per se from two voltages sinX and co6 W are formed by sini-co6 transducers coupled with the measuring process are generated and that by electronic multipliers and adders from the voltages the compensation voltages for the higher harmonics are formed for the fundamental wave will. 2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß statt deg Analogspannungen erzeugenden sin-cos-Meßwertgebet ein an sich bekannter incrementaler Impulsgeber für Vor- und Rückwärtszählung verwendet wird, aus dessen Impulsfolge sowohl die Kompensationsspannungen für die Grundwelle, als auch unter Verwendung elektronischer Multiplizierer und Addierer die Kompensationsspannungen für die höheren Harmonischen gebildet werden 2. Device according to claim 1, characterized in that instead of deg analog voltages generating sin-cos measured value prayer a known incremental pulse generator for up and down counting is used, from the pulse sequence both the compensation voltages for the fundamental wave, as well as using electronic multipliers and Adders the compensation voltages for the higher harmonics are formed 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daßvin einer Längsstrecke aufgenommene bezw. abgetastete mechanische Größe nach Umwandlung in eine elektrische Größe entweder analog oder digital gespeixhchert, darauf aber zyklisch wiederholt wird und daß nunmehr ihre Grundwelle sowie die höheren Harmonischen unter Verwendung elektronischer Nultiplizierer und Addierer kompensiert werden.3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that dassvin a longitudinal section recorded resp. sampled mechanical quantity after conversion into an electrical one Size either analogue or digitally stored, but then repeated cyclically and that now their fundamental wave as well as the higher harmonics are being used electronic multiplier and adder are compensated.