DD140788A1 - BUTTON FOR MULTI-AXIS MEASUREMENT - Google Patents
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Description
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Taster zur mehrachsigen WegmessungButton for multi-axis displacement measurement
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft einen Taster zur mehrachsigen Wegmessung für-Anwendungen in der Längenmeßtechnik, vorzugsweise für Koordinatenmeßmaschinen sowie für Steuer- und Regelungsaufgaben z. B. für mehrachsig gesteuerte Meß- und !Fräsmaschinen, wobei die zu messende Kontur mit einem nach einer oder mehreren Richtungen im Raum meßbar auslenkbaren Tasterschaft angetastet wird, an dessen Ende sich eine Tastkugel befindet.The invention relates to a probe for multi-axis displacement measurement for applications in the length measurement, preferably for coordinate and for control tasks such. B. for multiaxially controlled measuring and! Milling machines, wherein the measured contour is probed with a measurable in one or more directions in space deflectable probe shaft, at the end of a Tastkugel is.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Es sind bereits Taster zur mehrachsigen Wegmessung mit Tastkugel bekannt. Derartige Taster lassen als Ausführungen mit ein, zwei oder drei !Freiheitsgraden steuerbar oder auch gleichzeitig eine Auslenkung in,Richtung der Koordinatenachsen (meist xt y, z) zu. Zur Messung der Auslenkung sind entsprechend der Zahl der Freiheitsgrade elektronische, pneumatische oder optoelektronische Wegmeßumformer so im Tastergehäuse angeordnet und mit dem beweglichen Taster verbunden, daß die Tasterauslenkung entlang einer Achse auch nur auf einen Wegmeßumformer übertragen wird. Hierzu werden die Wegmeßumformer orthogonal angeordnet. In DE-AS 24 40 692 ist der Tasterschaft kardanisch in einer Membranfeder gelagert und dadurch an sich allseitigThere are already buttons for multi-axis displacement measurement with probe ball known. Such buttons can be controlled as versions with one, two or three degrees of freedom controllable or at the same time a deflection in the direction of the coordinate axes (usually x t y, z). In order to measure the deflection, electronic, pneumatic or optoelectronic displacement transducers are arranged in the probe housing in accordance with the number of degrees of freedom and connected to the movable probe such that the probe deflection along an axis is also transmitted to only one displacement transducer. For this purpose, the distance measuring transducers are arranged orthogonally. In DE-AS 24 40 692 the probe shaft gimbal is mounted in a diaphragm spring and thereby on all sides
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gut bewegbar. Diese Beweglichkeit wird aber durch die vorgeschlagene gemeinsame Befestigung der Wegmeßumformer am Tasterschaft stark eingeschränkt. Der Meßbereich ist klein, der Freihub praktisch Null. In der DE-AS 22 42 355 wird der Taster mittels dreier gekreuzter Parallelfederführungen orthogonal geführt und jeder Richtung ein Wegmeßumformer zugeordnet. Die Beweglichkeit ist gut, aber ebenfalls streng richtungsbezogen.easy to move. However, this mobility is greatly limited by the proposed common attachment of Wegmeßumformer the probe shaft. The measuring range is small, the free-lift practically zero. In DE-AS 22 42 355 of the probe is guided orthogonally by means of three crossed parallel spring guides and assigned a Wegmeßumformer each direction. The mobility is good, but also strictly directional.
Zur Erzeugung einer sicheren Anlage der Meßkugel bereits in der räumlichen Nullstellung sind eine Reihe von Tastkopfausführungen des weiteren mit Elementen zur Vorauslenkung versehen. Da es aber vom Meßablauf her schwierig . ist, den räumlichen Nullpunkt der Tasterauslenkung einzur stellen, sind diese des weiteren mit Klemmelementen versehen, die.wahlweise einen oder meist zwei Freiheitsgrade sperren können (z. B. DIr-WP 92 567). Nächteilig ist aber dann, daß bei Antastung schräger Flächen die schräg sich einstellende Meßkraft durch Querverformung des Tasters Anlaß zu großen Meßfehlern gibt.To generate a secure system of the measuring ball already in the spatial zero position, a number of Tastkopfausführungen the other are provided with elements for pre-steering. But since it is difficult from the measurement process ago. is to set the spatial zero point of the Tasterauslenkung, these are further provided with clamping elements, which. Optionally lock one or usually two degrees of freedom (eg DIr-WP 92 567). Next but it is then that when probing oblique surfaces, the obliquely self-adjusting measuring force by transverse deformation of the probe cause large measurement errors.
Darüber hinaus verlangen bekannte Tasterausführungen mit federelastischen Gelenken oder Führungen und federelastischen Rückführelementen in den räumlichen Nullpunkt eine sehr gute Werkstückbefestigung, da bei versehentlich größerer Auslenkung die Meßkraft sehr stark ansteigt und dadurch Verschiebungen oder Verformungen des Werkstückes bzw. des Tasters zu Fehlern führen.In addition, known probe designs with spring-elastic joints or guides and elastic return elements in the spatial zero point require a very good workpiece mounting, as accidentally greater deflection, the measuring force increases very sharply and thereby shifts or deformations of the workpiece or the probe lead to errors.
Ein weiterer Nachteil der bekannten universellen Dreikoordinatentaster ist ihre große Masse und ihr großes Bauvolumen, bedingt durch die in x-y-z-Richtung angeordneten Führungen, Meßwertumformer und Klemmelemente sowie die Elemente zur Vorauslenkung bzw. Nullstellung.Another disadvantage of the known universal three-coordinate push-buttons is their large mass and their large volume, due to the arranged in x-y-z-direction guides, transducer and clamping elements and the elements for the deflection or zero position.
Mit diesen Nachteilen wird der Vorteil der Gewinnung von drei mit den Achsenrichtungen übereinstimmenden Tasterausgangssignalen erkauft, die eine einfache Auswertung der Meß- und Tasterkoordinaten erlaubt.With these disadvantages, the advantage of obtaining three matching with the axis directions probe output signals is purchased, which allows a simple evaluation of the measuring and probe coordinates.
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Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist ein Taster zur mehrachsigen Wegmessung mit einem hohen Gebrauchswert,The aim of the invention is a probe for multi-axis displacement measurement with a high utility value,
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Die Erfindung löst die Aufgabe, mit einem Taster, der ela?- stisch aufgehängt ist und am Ende eine Tastkugel trägt, Wege in x- und y- bzw. in x-,'y- und z-Koordinaten schnell und sehr genau zu messen, ohne daß er beim Einbau in die Meß- oder Werkzeugmaschine in x- oder y-Richtung ausgerichtet werden muß.The invention solves the problem with a push-button, which is suspended elastically and at the end carries a feeler ball to measure paths in x and y or in x, y and z coordinates quickly and very accurately , without having to be aligned in the x or y direction during installation in the measuring or machine tool.
Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Taster zur .mehrachsigen Wegmessung mit einem Gehäuse, einem Tasterschaft, der in dem Gehäuse elastisch aufgehängt ist und am Ende eine Tastkugel trägt, und Wegmeßumformern, die zwischen Tasterschaft und Gehäuse befestigt sind, mindestens zwei Wegmeßumformer vorhanden, alle in ihrer Wirkungsrichtung achsparallel zueinander etwa in der Ebene der elastischen Aufhängung angeordnet und an einen elektronischen Rechner angeschlossen sowie ggf. zusätzlich zur elastischen Aufhängung weitere, die Meßkraft und Lage einstellende, federelastische Elemente angeordnet sind.According to the invention the object is achieved in that on a probe for .max-axial displacement measurement with a housing, a probe shaft which is elastically suspended in the housing and carries a Tastkugel at the end, and Wegmeßumformern which are mounted between probe shaft and housing, at least two Wegmeßumformer present, all arranged in their direction of action axially parallel to each other approximately in the plane of the elastic suspension and connected to an electronic computer and optionally in addition to the elastic suspension further, the measuring force and position adjusting, resilient elements are arranged.
Die Wegmeßumformer sind vorzugsweise induktiv und zu zweit um 90° oder zu dritt um 120° versetzt in gleichem radialem Abstand vom Zentrum der elastischen Aufhängung angeordnet.The Wegmeßumformer are preferably inductive and two by 90 ° or three offset by 120 ° at the same radial distance from the center of the elastic suspension.
in einer speziellen Ausführung, nur für Messungen in x-y-Richtung, sind Eisenkern und Spule des induktiven Wegmeßumformers so gebogen und angeordnet, daß ihre Achsen etwa auf einem Kreis um das Zentrum der elastischen Aufhängung liegen.in a special embodiment, only for measurements in the x-y direction, the iron core and coil of the inductive displacement transducer are bent and arranged so that their axes lie approximately on a circle around the center of the elastic suspension.
Für sehr genaue Messungen kleinster Wege bei großem Frei-.hub sind in der Ebene der elastischen Aufhängung drei Fe-For very accurate measurements of the smallest paths with a large free travel, three elastic elements are needed in the plane of the elastic suspension.
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derstäbe um 120° versetzt, radial am Tasterschaft befestigt und liegen mit ihren Enden unter Federvorspannung auf je einer Schneide auf, wobei die Vorspannung z. B. · durch eine vorgespannte Feder realisiert ist, die über jeder Schneide und dem Federstabende angeordnet ist.rods offset by 120 °, radially attached to the probe shaft and lie with their ends under spring preload on a respective cutting edge, wherein the bias voltage z. B. is realized by a prestressed spring, which is arranged above each cutting edge and the spring bar end.
Ebenfalls für sehr genaue Messungen sind vorzugsweise am Tasterschaft, in seiner Verlängerung, ein Federstab, der am Ende ein Zylinder stück mit stirnseitiger Bohrung und Rand trägt, und aia Gehäuse ein Gegenlager, das analog zum Zylinderstück ausgebildet, gleichachsig und spiegelbildlich zu ihm angeordnet, in Parallelfedern parallel zur Federstabachse geführt ist und unter der Vorspannung einer stirnseitigen Feder steht, befestigt und zwischen dem Zylinderstück und dem Gegenlager ist eine Kugel angeordnet.Also for very accurate measurements are preferably on the probe shaft, in its extension, a spring rod which carries a cylinder piece with frontal bore and edge at the end, and aia housing an abutment, which is analogous to the cylindrical piece, coaxially and mirror-inverted arranged to him, in Parallel springs is guided parallel to the spring rod axis and is under the bias of an end-face spring, fixed and between the cylinder piece and the anvil a ball is arranged.
Der Taster kann in die Meß- oder Werkzeugmaschine angebaut werden, ohne daß er in x- oder y-Richtung ausgerichtet werden muß. Die in der Einbaulage gemessenen Werte werden vom Rechner in x-, y- und z-Koordinaten umgerechnet. Die Korrekturfaktoren können nach einem kurzen Kalibriervorgang sofort in den Rechner eingegeben werden. Die so berechneten x-y-z-Komponenten der Tastkugelverschiebung werden in bekannter Weise den Achskoordinaten der Meßmaschine additiv überlagert oder zur Steuerung und Regelung automatischer Meß- und Werkzeugmaschinen eingesetzt. ·The probe can be mounted in the measuring or machine tool without having to be aligned in the x or y direction. The values measured in the installation position are converted by the computer into x, y and z coordinates. The correction factors can be entered immediately into the computer after a short calibration process. The thus calculated x-y-z components of the Tastkugelverschiebung be additively superimposed in a known manner the axis coordinates of the measuring machine or used for controlling and regulating automatic measuring and machine tools. ·
Die parallel angeordneten Wegmeßumformer können an einem in bekannter Weise federelastisch aufgehängten Tasterschaft befestigt werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit sind aber zusätzliche oder speziell ausgebildete federelastische Elemente, die die Lage, die Meßkräft und den Freihub einstellen, zweckmäßig.The path measuring transducers arranged in parallel can be fastened to a probe shaft suspended in a spring-elastic manner in a known manner. To increase the accuracy but additional or specially trained elastic elements that adjust the position, the Meßkräft and the free lift, appropriate.
Die Vorteile des mit der Erfindung realisierten Tasters sind seine kleinen Abmessungen, geringe Masse, großer Freihub, begrenzte Meßkraft, höhe Empfindlichkeit inThe advantages of the sensor realized with the invention are its small dimensions, low mass, large free lift, limited measuring force, high sensitivity in
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der Umgebung des räumlichen Nullpunktes sowie verschwindend kleine Schwingneigung. Zusammen mit der sofortigen elektronischen Auswerung kann insgesamt sehr schnell und genau gemessen werden.the environment of the spatial zero and vanishingly small tendency to oscillate. Together with the immediate electronic evaluation can be measured very quickly and accurately.
Ausführungsbeispielembodiment
In den Zeichnungen zeigenIn the drawings show
Figo 1 einen erfindungsgemäßen Taster zur Messung von Wegen in x-, y- und z-Hichtung in einfacher AusführungFig. 1 shows a probe according to the invention for measuring paths in x-, y- and z-direction in a simple design
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Taster zur sehr genauen Messung von Wegen in x-, y- und z-EichtungFig. 2 shows a probe according to the invention for very accurate measurement of paths in x-, y- and z-direction
Fig. 3 einen'erfindungsgemäßen Taster zur sehr genauen Messung von Wegen in x- und y-Richtung.Fig. 3 ein'findfindungsgemäßen button for very accurate measurement of paths in the x and y direction.
Allen Ausführungen ist der Tasterschaft 1 und die Tastkugel 2 gemeinsam.All versions of the probe shaft 1 and the Tastkugel 2 are common.
In einer ersten, sehr einfachen Variante für untergeordnete Meß- und Steuerungsaufgaben ist am Tasterschaft ein Teller 5 befestigt. An diesem Teller ist der Taster elastisch federnd mit der Blattfeder 3 im Gehäuse 4- gelagert. In dieser Federebene sind drei induktive Wegmeßumformer um 120° versetzt angeordnet. Ihre Ferritkerne 6 sind mit dem Teller und ihre Spulen 7 niit dem Gehäuse verbunden. Die Spülen sind außerdem an einen elektronischen Rechner angeschlossen. Bei genügend großem radialen Abstand der Wegmeßumformer vom Zentrum der elastischen Lagerung und bzw. oder ausreichend langem Tasterschaft läßt das normale Spiel zwischen Ferritkern und Spule handelsüblicher induktiver Geber eine für die Meßzwecke ausreichende Winkelbeweglichkeit zu. Mit 3 Meßwerten kann vom Rechner entsprechend dem vorgegebenen Programm und nach gering aufwendiger Kalibrierung sofort das Meßergebnis in x-, y- und z-Koördinaten errechnet werden.In a first, very simple variant for subordinate measuring and control tasks, a plate 5 is attached to the probe shaft. On this plate, the button is resiliently mounted with the leaf spring 3 in the housing 4-. In this spring level, three inductive displacement transducers are offset by 120 °. Your ferrite cores 6 are connected to the plate and their coils 7 with the housing. The sinks are also connected to an electronic computer. With a sufficiently large radial distance of Wegmeßumformer from the center of the elastic bearing and or or sufficiently long probe shaft allows the normal game between ferrite core and coil commercial inductive sensor for the measurement purposes sufficient angular mobility. With 3 measured values, the computer can immediately calculate the result of the measurement in x, y and z coordinates according to the specified program and after a low-cost calibration.
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Ist abzusehen, daß der Taster nur für Messungen in x- bzw. y-Richtung eingesetzt werden soll, genügen 2 Wegmeßumfornier, die in diesem Fall zweckmäßigerweise um etwa 90° versetzt zueinander angeordnet; werden. Zur Vergrößerung der Winkerbeweglichkeit, insbesondere für einen größeren Freihub, könnten dabei aucli induktive Wegmeßumformer eingesetzt v/erden, deren Ferritkerne und Spulen bogenförmig ausgebildet sind.If it is foreseen that the probe is to be used only for measurements in the x or y direction, 2 displacement measuring transformers are sufficient, which in this case expediently are offset by approximately 90 ° relative to one another; become. In order to increase the Winkerbeweglichkeit, in particular for a greater free lift, while aucli inductive displacement transducers could be used v / ground, the ferrite cores and coils are arcuate.
In einer anderen Ausführung für sehr genaue Messungen in x-, y- und z-Richtung ist am Tasterschaft 1 ebenfalls ein Teller 5 befestigt und der Teller in den Blattfedern 3 elastisch federnd gelagert. Auf dem Teller 5 sind drei Meßwertumformer 6, 7 parallel zueinander und zur Tasterschaf tachse angeordnet. In der Tellerebene sind radial drei Federstäbe 8- befestig*. Die Enden der Federstäbe liegen auf den Schneiden 16 auf und werden mit vorgespannten Federn 17 gegen die Schneiden gedrückt. Die Blattfedern dienen in diesem Fall als Yerdrehsicherung. Mit seitlichen Begrenzungen für die Federstäbe bei zwei Schneiden könnten sie. gänzlich wegfallen. Bei kleinsten Wegen werden alle Federstabenden fest auf die Schneiden gedrückt. Die Meßkraft ist proportional zur Auslenkung. Bei größeren Auslenkungen (z. B. Freihub) wird die Vorspannung überwunden; das Federstabende hebt ab. Die Kraft steigt weiterhin nur leicht an.In another embodiment for very accurate measurements in the x-, y- and z-direction, a plate 5 is also attached to the probe shaft 1 and the plate is mounted resiliently in the leaf springs 3. On the plate 5, three transducers 6, 7 are arranged parallel to each other and Tasterschaf tachse. In the plate plane radially three spring rods 8 are fastened *. The ends of the spring bars rest on the blades 16 and are pressed against the blades by prestressed springs 17. The leaf springs are used in this case as Yerdrehsicherung. With lateral boundaries for the spring bars at two cutting edges they could. completely eliminated. For the smallest distances all spring bar ends are pressed firmly on the cutting edges. The measuring force is proportional to the deflection. For larger deflections (eg free lift) the preload is overcome; the spring bar end lifts off. The strength continues to increase only slightly.
In einer dritten Ausführung ist der Tasterschaft im Gehäu-'se mittels dreier Federn 3 elastisch aufgehängt. Die Federn sind um 120° zueinander versetzt, strahlenförmig und in einer Ebene angeordnet. An drei gleichlangen Armen sind die Eisenkerne 6 von induktiven Wegmeßumformern parallel zueinander und zur Tasterschaftachse befestigt. Die Spulen 7 sitzen im Gehäuse 4. Am Taster schaft ist in seiner Verlängerung ein Federstab 8 befestigt. Er trägt an seinem Ende ein Zylinderstück 9 mit stirnseitiger Bohrung 12 und Bund 15. In Achsrichtung ist ihm spiegelbildlich ge-• genüber ein gleichermaßen ausgebildetes Gegenlager 11 ange-In a third embodiment, the probe shaft is suspended elastically in the housing by means of three springs 3. The springs are offset by 120 ° to each other, arranged radially and in a plane. The iron cores 6 of inductive displacement transducers are fastened parallel to one another and to the probe shank axis on three arms of equal length. The coil 7 sit in the housing 4. On the probe shaft is a spring bar 8 is fixed in its extension. He carries at its end a cylinder piece 9 with frontal bore 12 and collar 15. In the axial direction, it is mirror image opposite to an equally trained counter bearing 11 ange-
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ordnet. Zwischen beiden befindet sich eine Kugel 14·, die in den Bohrungen 12 lagert. Das Gegenlager 11 ist mit zwei Parallelfedern 10 am Gehäuse befestigt und achsparallel geführt. Die Teile werden mit Feder 13 vorgespannt. Im Bereich kleinster Ausschläge, dem bevorzugten Meßbereich, bleibt die Kugel 14 in den Bohrungen 12 liegen. Die Meßkraft wird im wesentlichen durch die Federsteife des Federstabes 8 bestimmt und ist proportional, zur Auslenkung. Wird dieser Bereich überschritten, rollt die Kugel 14 aus den Bohrungen heraus, maximal bis zum Rand 15· Die Federn sind so aufeinander abgestimmt, daß sich in diesem Bereich (vor allem Freihubbereich) die Meßkraft nicht wesentlich ändert. Die Messung kann jedoch grundsätzlich auch in diesem Bereich erfolgen. Die Bund-, Kugel- und Bohrungsdurchmesser sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die ITuIllage unter den rückstellenden Federkräften nach der Auslenkung selbsttätig einstellt. Der. Taster· ist an sich für sehr genaue Messungen in x- und y-Richtung ausgebildet. Auslenkungen in z-Richtung können aber ebenfalls gemessen und über den an die Spulen 7 angeschlossenen elektronischen Rechner verarbeitet werden.·assigns. Between both is a ball 14 ·, which is stored in the holes 12. The counter-bearing 11 is fixed with two parallel springs 10 on the housing and guided axially parallel. The parts are preloaded with spring 13. In the area of smallest deflections, the preferred measuring range, the ball 14 remains in the bores 12. The measuring force is essentially determined by the spring stiffness of the spring rod 8 and is proportional to the deflection. If this range is exceeded, the ball 14 rolls out of the holes, maximum to the edge 15 · The springs are coordinated so that the measuring force does not change significantly in this area (especially Freihubbereich). However, the measurement can basically also be done in this area. The collar, ball and bore diameters are coordinated so that the ITuIllage automatically adjusts itself under the restoring spring forces after deflection. The. Button · is itself designed for very accurate measurements in the x and y directions. However, deflections in the z-direction can also be measured and processed via the electronic computer connected to the coils 7.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |