DE10000250A1 - Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungssignalsonde - Google Patents

Abstract

Eine Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungssignalsonde umfaßt einen Drehbewegungsgenerator zum abtastenden Bewegen eines Tasters auf einer Ebene A, einen Phasenwertdetektor zum Erfassen eines Phasenwerts THETA, welcher eine Drehposition der Abtastdrehbewegung anzeigt, und einen Kontaktstellendetektor zum Erfassen einer Kontaktstelle eines Kontaktabschnitts auf der Grundlage eines Erfassungssignalwerts V, erfaßt durch den Detektor, und des Phasenwerts THETA. Da die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts durch den Kontaktstellendetektor erfaßt werden kann, kann die Berührungssignalsonde für eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung eines Werkstücks verwendet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Berührungssignal­ sonde zum Messen einer Oberflächenposition eines Werkstücks durch einen Kontakt, insbesondere eine Schwingungs- Berührungssignalsonde zum Erfassen einer Schwingungsänderung, welche hervorgerufen wird, wenn ein Kontaktabschnitt eines Ta­ sters das Werkstück berührt. Genauer betrifft sie eine Kon­ taktabschnitts-Erfassungsvorrichtung einer Schwingungs- Berührungssignalsonde zum Erfassen einer Kontaktstelle des Kontaktabschnitts gegen das Werkstück.

2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Eine Höhenmeßvorrichtung (lineare Meßvorrichtung), eine Koordinationsmeßvorrichtung und eine Profilmeßvorrichtung sind bekannt als eine Meßvorrichtung zum Messen der Form und der Abmessung eines Werkstücks. Verschiedene Sonden werden bei der Meßvorrichtung zum Erfassen einer Positionsbeziehung eines Meßvorrichtungskörpers und des Werkstücks verwendet. Die Son­ den können in eine kontaktlose Sonde und eine Kontaktsonde bzw. alternativ in eine kontinuierliche Meßsonde und eine Be­ rührungsauslösesonde unterteilt werden.

Eine in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 6-221806 offenbarte Ultraschall-Berührungsauslösesonde ist be­ kannt als eine Kontakt-Berührungsauslösesonde für die obige Koordinatenmeßvorrichtung. Wie in Fig. 10 dargestellt, umfaßt die Berührungssignalsonde 100 einen Tasterhalter 101, einen Taster 102 und ein piezoelektrisches Element 103. Der Taster­ halter 101 ist an einer Tasterhalterung angebracht, welche sich mit einem vorbestimmten Geschwindigkeitsvektor gemäß ei­ nem Befehl von außen (nicht dargestellt) in einem dreidimen­ sionalen Raum bewegt. Der Taster bewegt sich zusammen mit der Tasterhalterung und erfaßt den Kontakt gegen das Werkstück, so daß eine Randposition des Werkstücks durch Lesen der Koordina­ te in Kontakt erfaßt wird.

Der Tasterhalter 101 ist zu einem Rohrzylinder ausgebil­ det, und der Taster 102 wird an einem inneren, unteren Ende davon durch ein Paar von Eingriffstiften 104 gehalten, welches an einem Lagerpunkt an einer annähernden Axialmitte des Ta­ sters 102 vorgesehen ist. Ein Kontaktabschnitt 102A mit einer kugelförmigen Oberfläche, welche mit dem in Messung befindli­ chen Werkstück in Anschlag gebracht werden muß, ist an einem unteren Ende des Tasters 102 befestigt, und ein Gegengewicht 102B mit dem gleichen Gewicht wie der Kontaktabschnitt 102A ist an einem oberen Ende des Tasters 102 befestigt, so daß der Lagerpunkt des Tasterhalters 101 mit einem Schwerpunkt des Ta­ sters 102 übereinstimmt.

Ein Paar von Vertiefungen 105 als Befestigungsabschnitt des piezoelektrischen Elements 103 ist in einen Außenumfang des Tasters 102 geschnitten, und zwei piezoelektrische Elemen­ te mit der gleichen Form sind an der Vertiefung 105 durch ei­ nen Klebstoff oder ähnliches befestigt, wobei beide Enden fest angeklebt sind.

Die piezoelektrischen Elemente 103 sind annähernd symme­ trisch längs einer Axialrichtung des Tasters 102 angeordnet, wobei sich der Lagerpunkt des Tasters 102 in der Mitte davon befindet, wobei die piezoelektrischen Elemente in eine Schwin­ gungsvorrichtung 103A, welche den Taster in eine Resonanz­ schwingung versetzt, und eine Erfassungsvorrichtung 103B, wel­ che eine Änderung der Schwingung des Tasters 102 erfaßt, un­ terteilt sind.

Die Berührungssignalsonde 100 versetzt den Taster 102 durch die Schwingungsvorrichtung 103A in Schwingung längs ei­ ner Axialrichtung davon. Wenn der kugelförmige Kontaktab­ schnitt 102A das Werkstück berührt, so wird eine Schwingung des Tasters 102 durch eine Kontaktkraft eingeschränkt, so daß sich ein Schwingungsstatus ändert. Dementsprechend kann eine Randposition etc. durch Erfassen der Änderung des Schwingungs­ status durch die Erfassungsvorrichtung 1038 erfaßt werden.

Jedoch ist die Berührungssignalsonde 100 mit der oben be­ schriebenen Anordnung aufgrund der Tatsache, daß die Änderung des Schwingungsstatus des Tasters 102 gemäß einer Differenz der Kontaktstelle (eines Teils der Oberfläche des kugelförmi­ gen Kontaktabschnitts 102A, welcher das Werkstück tatsächlich berührt) des Kontaktabschnitts 102A gegen das Werkstück und der Druckgröße durch die Kontaktkraft des Kontaktabschnitts 102A stark unterschiedlich ist, nicht geeignet als Sonde zum Durchführen einer Profilmessung und einer kontinuierlichen Messung, wo verschiedene Teile des Kontaktabschnitts 102A das Werkstück berühren.

Genauer ändert sich der Schwingungsstatus längs der Axial­ richtung des Tasters 102, wie in Fig. 11(A) dargestellt, wenn der Kontaktabschnitt 102A das Werkstück W in einer Richtung senkrecht zu der Axialrichtung (Schwingungsrichtung) des Ta­ sters 102 berührt, selbst dann nicht stark, wenn die Druckgrö­ ße gegen das Werkstück durch eine Kontaktkraft F1 des Kontakt­ abschnitts 102A zunimmt.

Hingegen ändert sich der Schwingungsstatus des Tasters 102, wie in Fig. 11(B) dargestellt, wenn der Kontaktabschnitt 102A das Werkstück W längs der Axialrichtung des Tasters 102 berührt, selbst dann stark, wenn sich die Druckgröße hin zu dem Werkstück W durch eine Kontaktkraft F2 des Kontaktab­ schnitts 102A schwach ändert. In Fig. 12 ist der Status darge­ stellt, bei welchem ein Richtungssignal V, welches eine Schwingungsstatusänderung des Tasters 102 anzeigt, sich im Verhältnis zu einer Änderung der Druckgröße L, wie in einem Graphen G10 dargestellt, schwach ändert. Hingegen ändert sich das Erfassungssignal V selbst bei einer kleinen Änderung der Druckgröße L stark.

Dementsprechend ist, wenn die Berührungssignalsonde 100 zusammen mit der Tasterhalterung in einer dreidimensionalen Richtung zum Durchführen einer Profilmessung zum Messen einer Form des Werkstücks W bewegt wird, aufgrund der Tatsache, daß die Änderung des Schwingungsstatus des Tasters 102 gemäß der Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A stark unterschiedlich ist, eine eindeutige Bestimmung des Randes des Werkstücks W gemäß einer Größe der Schwingungsstatusänderung des Tasters 102 schwierig. Daher ist eine derartige Ultraschall- Berührungssignalsonde 100 nicht geeignet als Sonde für eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung des Werkstücks W. Ferner wird, wenn die Größe der Sonde verringert wird, die Steifigkeit des Tasters klein, so daß er weicher wird. Dement­ sprechend kann eine Axialresonanz des Tasters bei der kontinu­ ierlichen Messung nicht aufrechterhalten werden, was zu einer Abnahme der Empfindlichkeit, das heißt, zu einer Verschlechte­ rung der Genauigkeit, führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kon­ taktstellen-Erfassungsvorrichtung für die obige Ultraschall- Berührungssignalsonde zu schaffen, welche für eine Profilmes­ sung und eine kontinuierliche Messung zum Messen einer Form des Werkstücks verwendet wird und in der Lage ist, eine Form des Werkstücks mit hoher Genauigkeit zu messen.

Eine erfindungsgemäße Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung dient für eine Berührungssignalsonde mit einer Tasterhalterung zum Bewegen in einem dreidimensionalen Raum durch einen vorbe­ stimmten Geschwindigkeitsvektor gemäß einem externen Befehl, einem Tasterhalter, welcher mechanisch mit der Tasterhalterung verbunden ist, einem Taster, welcher durch den Tasterhalter gehalten wird und an einem Spitzende davon einen Kontaktab­ schnitt aufweist, welcher mit einem Werkstück in Berührung ge­ bracht wird, einer Schwingungsvorrichtung, welche an einem Teil des Tasterhalters vorgesehen ist, um den Taster in eine Resonanzschwingung in einer Axialrichtung davon zu versetzen, und einer Erfassungsvorrichtung, welche an einem Teil des Taster­ halters zum Erfassen der Änderung einer Schwingung durch die Schwingungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Berüh­ rungssignalsonde die Änderung der Schwingung durch die Erfas­ sungsvorrichtung erfaßt, wenn der Kontaktabschnitt das Werk­ stück berührt, wobei die Kontakterfassungsvorrichtung einer Berührungssignalsonde die Kontaktstelle an dem Kontaktab­ schnitt gegen das Werkstück erfaßt. Die Kontakterfassungsvor­ richtung umfaßt: einen Drehbewegungsgenerator zum Ausführen einer Abtastdrehbewegung des Tasters auf einer senkrecht zu einer Achse des Tasters um einen vorbestimmten Radius und eine vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit; einen Phasenwertdetektor zum Erfassen eines Phasenwerts, welcher eine Drehposition der Abtastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgenerator anzeigt; und einen Kontaktstellendetektor zum Erfassen der Kontaktstel­ le des Kontaktabschnitts gegen das Werkstück auf der Grundlage eines Erfassungssignalwerts, welcher durch den Detektor erfaßt wird, und des Phasenwerts, welcher durch den Phasenwertdetek­ tor erfaßt wird, während der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt.

Der Drehbewegungsgenerator kann eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Tasters auf einer Ebene senkrecht zu einer Achse des Tasters in X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung, welche senkrecht zueinander sind, und eine Drehungssteuervorrichtung zum Ausgeben eines Steuersignals von X = Rcosθ und Y = Rsinθ bezüg­ lich eines Ortes der Drehbewegung mit einem Radius R und einem Drehwinkel θ aufweisen.

Der Phasenwertdetektor kann vorzugsweise einen Drehwinkel θ auf der Grundlage eines durch die Drehungssteuervorrichtung ausgegebenen Steuersignals erhalten.

Erfindungsgemäß kann aufgrund der Tatsache, daß der Dreh­ bewegungsgenerator, der Phasenwertdetektor und der Kontakt­ stellendetektor vorgesehen sind, die Kontaktstelle des Kon­ taktabschnitts gegen das Werkstück wie nachfolgend beschrieben erhalten werden.

Zuerst erzeugt der Drehbewegungsgenerator die Abtastdreh­ bewegung des Tasters in einer Ebene senkrecht zu einer Schwin­ gungsrichtung des Tasters, während der Kontaktabschnitt des Tasters den Endabschnitt des Werkstücks berührt. Anschlie­ ßend wird die Änderung des Schwingungsstatus des Tasters, er­ faßt durch den Detektor während der Abtastdrehbewegung, als ein Erfassungssignalwert erfaßt, und der Phasenwert der Dreh­ bewegung zu diesem Zeitpunkt wird durch den Phasenwertdetektor erfaßt. Die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts gegen das Werkstück wird durch den Kontaktstellendetektor auf der Grund­ lage des erfaßten Erfassungssignalwerts und des erfaßten Pha­ senwerts erfaßt.

Dementsprechend kann die Kontaktstelle des Kontaktab­ schnitts durch eine Ultraschall-Berührungssignalsonde erfaßt werden, und die Form des Werkstücks kann durch ein Erfassen des Kontaktabschnitts mit hoher Genauigkeit gemessen werden, wobei die Berührungssignalsonde als Sonde für eine Profilmes­ sung und eine kontinuierliche Messung zum Messen einer Form des Werkstücks verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungssignalsonde kann vorzugsweise derart angeord­ net sein, daß der Kontaktabschnitt eine kugelförmige Oberflä­ che aufweist; daß die Kontaktstelle definiert ist als ein Punkt auf der kugelförmigen Oberfläche und gegeben ist durch eine Längenposition, definiert als eine Winkelposition auf der Ebene senkrecht zu der Achse des Tasters, und eine Breitenpo­ sition, definiert als eine Winkelposition auf einer Ebene, welche die Achse des Tasters enthält; und daß der Kontaktstel­ lendetektor die Längenposition aus dem Phasenwert erhält, bei welchem eine Änderung des Erfassungssignalwerts maximal ist, während der Kontaktabschnitt das Werkstück während der Ab­ tastdrehbewegung berührt und die Breitenposition aus dem Pha­ senwert mit der maximalen Änderung des Erfassungssignalwerts und einer Phasenabschnittsbreite erhält, welche einen Ab­ schnitt des Phasenwerts anzeigt, innerhalb welchem der Erfas­ sungssignalwert sich durch den Kontakt ändert.

Genauer können die Längenposition und die Breitenposition gemäß den folgenden Schritten erhalten werden.

Wie in einem Vertikalquerschnitt von Fig. 1 dargestellt, wird die Abtastdrehbewegung des Tasters 102 durch den Drehbe­ wegungsgenerator um einen Rand eines Werkstücks W erzeugt, und der Kontaktabschnitt 102A berührt das Werkstück W an einem Teil einer Bahn S1 der Abtastdrehbewegung.

(1) Erfassung einer Längenposition

Es werden zwei Fälle des Kontaktstatus des Kontaktab­ schnitts 102A und des Werkstücks W, dargestellt in Fig. 1, an­ genommen, bei welchen eine Randfläche des Werkstücks W senk­ recht zu einer Vorbewegungsrichtung G des Kontaktabschnitts 102A, wie in Fig. 2(A) dargestellt, ist, und bei welchen eine Randfläche des Werkstücks W bezüglich der Vorbewegunsrichtung G des Kontaktabschnitts 102A, wie in Fig. 2(B) dargestellt, geneigt ist.

Wenn die Randfläche des Werkstücks W senkrecht zu der Vor­ bewegungsrichtung G des Kontaktabschnitts 102A, wie in Fig. 2(A) dargestellt, ist, so ist die Ebenenposition der Kontakt­ stelle des Kontaktabschnitts 102A und des Werkstück W einen Punkt P0 längs der Vorbewegungsrichtung G. Wenn die Ab­ tastdrehbewegung des Tasters 102 durch den Drehbewegungsgene­ rator erzeugt wird, so wird eine Kontaktkraft auf den Taster 102 durch die Abtastdrehbewegung zwischen einem Punkt P1 und einem Punkt P2 angewandt, wodurch eine Schwingung des Tasters 102 eingeschränkt wird. Dementsprechend wird, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Erfassungssignalwert V zwischen dem Punkt P1 und dem Punkt P2 (einem Phasenwert θ1 und einem Phasenwert θ2) gegenüber einem kontaktfreien Status kleiner. Ferner ist eine Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts V bei dem Phasenwert θmax (einem Phasenwert senkrecht zu einer Randfläche des Werk­ stücks) bei einer annähernden Mitte des Phasenwerts θ1 und des Phasenwerts θ2 am größten.

Wenn hingegen, wie in Fig. 2(B) dargestellt, die Randflä­ che des Werkstücks W relativ zu der Vorbewegungsrichtung G des Kontaktabschnitts 102A geneigt ist, ist die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A mit dem Werkstück W ein Punkt P0', wel­ cher in einem vorbestimmten Winkel von der Vorbewegungsrich­ tung G des Kontaktabschnitts 102A wegen einer Neigung der Randfläche geneigt ist. Wenn die Abtastdrehbewegung des Ta­ sters 102 erzeugt wird, so wird eine Verzögerung zu einem Punkt P1' hervorgerufen, wo die Kontaktkraft beginnt, ange­ wandt zu werden, und einem Punkt P2', wo die Kontaktkraft auf­ hört, angewandt zu werden, verglichen mit dem in Fig. 2(A) dargestellten Fall, so daß eine Verzögerung zu der Position bewirkt wird, welche eine maximale Änderungsgröße des Erfas­ sungssignalwerts V darstellt. Dementsprechend bewirkt, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Bereich des Punkts P1' und des Punkts P2' (der Phasenwert θ1'-θ2'), welcher eine Änderung des Erfas­ sungssignalwerts V wegen der Kontaktkraft bewirkt, eine Verzö­ gerung gegenüber dem in Fig. 2(A) dargestellten Fall, was zu einer bezüglich eines Phasenwerts θmax' mit der maximalen Ände­ rungsgröße des Erfassungssignalwerts V bewirkten Verzögerung führt.

Eine Abweichung zwischen dem Phasenwert θmax und dem Pha­ senwert θmax' in der Fig. 3 zeigt eine Winkelposition, das heißt, die Längenposition, der Kontaktstelle des Kontaktab­ schnitts 102A zu dem Werkstück W auf einer Ebene senkrecht zu einer Achse des Tasters 102, wie aus Fig. 2(A) und Fig. 2(B) ersichtlich. Dementsprechend können jeweilige Längenpositionen erhalten werden, und eine Neigung des Kontaktabschnitts P0' des Kontaktabschnitts 102A relativ zu einer Vorbewegung G des Tasters 102 kann durch Erfassen einer Abweichungsgröße des Phasenwerts θmax' relativ zu dem Phasenwert θmax erfaßt werden.

(2) Erfassung einer Breitenposition

Nachfolgend wird eine Berechnung der Breitenposition als eine Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A, definiert als eine Winkelposition auf einer Ebene mit der Achse des Tasters 102, beschrieben.

Wie in Fig. 4(A) und (B) dargestellt, weisen Werkstücke W und W' eine Randfläche mit einer gegenseitig verschiedenen Neigung relativ zu einer Achse des Tasters 102 auf, wobei die Breitenposition, welche die Kontaktstelle des Kontaktab­ schnitts 102A mit einem Radius definiert, eine Winkelposition β und β' (β < β') auf einer Ebene mit einer Achse des Tasters 102 ist.

In diesem Zustand berührt der Kontaktabschnitt 102A, wenn die Abtastdrehbewegung des Tasters 102 durch den Drehbewe­ gungsgenerator erzeugt wird, die Randfläche des Werkstücks W an einem Teil eines Bogens mit einem Radius Rcosβ in dem in Fig. 4(A) dargestellten Fall und berührt, die Randfläche des Werkstücks W' an einem Teil eines Bogens mit einem Radius von Rcosβ' in dem in Fig. 4(B) dargestellten Fall. Da Rcosß größer ist als Rcosβ' (Rcosβ < Rcosβ'), ist eine Phasenabschnittsbreite B, auf welche die Kontaktkraft bei einem Winkel β mit einer kleinen Breitenposition der Kontaktstelle angewandt wird, grö­ ßer als eine Phasenabschnittsbreite B' auf welche die Kontakt­ kraft bei dem Winkel β' mit einer großen Breitenposition der Kontaktstelle angewandt wird.

Anders ausgedrückt, kann die Differenz der Phasenab­ schnittsbreite B und der Phasenabschnittsbreite B', wenn eine Differenz des Phasenwertes θmax, welcher eine maximale Ände­ rungsgröße des Erfassungssignalwerts V bei dem Winkel β und β' aufweist, erhalten wird, erfaßt werden durch ein Erhalten des Kontaktkraftwirkungs-Anfangspunkts und des Kontaktkraftwir­ kungs-Endpunkts des Kontaktabschnitts 102A relativ zu dem Werkstück, wodurch die Breitenposition der Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A zu dem Werkstück W von der Differenz zwischen der Phasenabschnittsbreite B und der Phasenab­ schnittsbreite B' erhalten wird.

Gemäß den oben beschriebenen Schritten können die Längen­ position und die Breitenposition des Kontaktabschnitts 102A erhalten werden durch den Kontaktstellendetektor auf der Grundlage eines Erfassungsstatus des Detektors und des Phasen­ detektors, so daß die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A der Berührungssignalsonde 100 erfaßt werden kann.

Die Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer erfindungs­ gemäßen Berührungssignalsonde kann vorzugsweise einen Korrek­ tursignalgenerator zum Ausgeben eines Korrektursignals zum Be­ grenzen einer Bewegung der Tasterhalterung zu einer Steuervor­ richtung der Tasterhalterung, wenn die maximale Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts einen vorbestimmten Wert überschrei­ tet und wenn die Phasenabschnittsbreite schmäler ist als ein vorbestimmter Wert, aufweisen.

Gemäß der obigen Anordnung kann, da der Korrektursignalge­ nerator vorgesehen ist, eine Bewegung, wie eine Aussetzung und eine Rückstellung, der Tasterhalterung in Übereinstimmung mit der maximalen Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts verlie­ hen werden, so daß eine Beschädigung der Berührungssignalsonde infolge einer übergroßen Kontaktkraft verhindert wird.

Bei der vorliegenden Erfindung kann das Korrektursignal durch den Korrektursignalgenerator vorzugsweise ein Korrektur­ vektorsignal in einer Normalrichtung der Kugel des Kontaktab­ schnitts sein, welcher sich von dem Werkstück ausgehend von einem Basispunkt der Längenposition und der Breitenposition, erhalten durch den Kontaktstellendetektor, trennt, und eine Größe des Korrekturvektorsignals kann vorzugsweise derart de­ finiert sein, daß die Phasenabschnittsbreite eine vorbestimmte Phasenabschnittsbreite annimmt und die maximale Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts innerhalb eines vorbestimmten Be­ reichs liegt.

Gemäß der obigen Anordnung kann der Kontakt des Kontaktab­ schnitts des Tasters und des Werkstücks, da das Korrektursig­ nal das Korrekturvektorsignal ist, selbst dann in geeigneter Weise aufrechterhalten werden, wenn die Bewegung der Taster­ halterung durch das Korrektursignal begrenzt wird, so daß die Messung fortlaufend fortgeführt werden kann, wodurch eine Eig­ nung davon für die kontinuierliche Messung und die Profilmes­ sung gegeben ist.

Bei der vorliegenden Erfindung gibt der Korrektursignalge­ nerator, wenn der Kontaktstellendetektor eine Änderung des Er­ fassungssignalwerts über die Abtastdrehbewegung erfaßt, vor­ zugsweise ein Korrektursignal aus, um die Änderung über die Abtastdrehbewegung zu vermeiden.

Gemäß der obigen Anordnung kann, aufgrund der Tatsache, daß der Korrektursignalgenerator das Korrektursignal zum Ver­ meiden der Änderung über die Abtastdrehbewegung ausgibt, wo die obige Phasenabschnittsbreite nicht erfaßt werden kann, verhindert werden, daß die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts nicht erfaßt wird.

Bei der vorliegenden Erfindung können ein Zyklus und eine Amplitude der Abtastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgene­ rator vorzugsweise unabhängig von einer Bewegung der Schwin­ gungsvorrichtung sein.

Gemäß der obigen Anordnung ist, da die Abtastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgenerator unabhängig von der Bewegung der Schwingungsvorrichtung ist, die Abtastdrehbewegung des Ta­ sters ohne Beeinflussung durch den Schwingungszustand des Ta­ sters möglich, so daß die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts sicher durch den Kontaktstellendetektor erhalten werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Kontakt­ status eines Kontaktabschnitts eines Tasters und eines Werk­ stücks zum Darstellen einer Funktion der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Kontakt­ status eines Kontaktabschnitts eines Tasters und eines Werk­ stücks zum Darstellen einer Funktion der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Funktion der vorliegen­ den Erfindung darstellt;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Kontakt­ status eines Kontaktabschnitts eines Tasters und eines Werk­ stücks zum Darstellen einer Funktion der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 5 ist ein Graph, welcher eine Funktion der vorlie­ genden Erfindung darstellt;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Kontakt­ stellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungssignalsonde ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7(A)und Fig. 7(B) sind schematische Darstellungen eines Meßvorgangs durch eine Kontaktstellen- Erfassungsvorrichtung gemäß dem oben erwähnten Ausführungsbei­ spiel;

Fig. 8 ist ein Graph zum Darstellen einer Änderung und einer Phasenabschnittsbreite eines Erfassungssignalwerts, er­ halten durch einen Meßvorgang durch die Kontaktstellen- Erfassungsvorrichtung des oben erwähnten Ausführungsbeispiels;

Fig. 9(A) und Fig. 9(B) sind eine schematische Darstel­ lung und ein Graph zum Darstellen eines Zustands, bei welchem das Erfassungssignal über die Abtastdrehbewegung des oben er­ wähnten Ausführungsbeispiels geändert wird;

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmli­ chen Berührungssignalsonde;

Fig. 11 (A) und Fig. 11(B) sind schematische Ansichten, welche ein Problem einer herkömmlichen Berührungssignalsonde darstellen; und

Fig. 12 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen einem Erfassungssignal und einer Druckgröße der herkömmlichen Berührungssignalsonde, dargestellt in Fig. 11(A) und Fig. 11(B), darstellt.

GENAUE AUSFÜHRUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen werden dabei gleichen oder ähnlichen Abschnitten und Elementen, welche oben beschrieben sind, zugewiesen, um deren Beschreibung auszulassen oder zu vereinfachen.

Fig. 6 zeigt eine Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Berührungssignalsonde. Eine Kontakt­ stellen-Erfassungsvorrichtung 1 umfaßt eine Berührungssignal­ sonde 10, einen Drehbewegungsgenerator 30, einen Phasenwertde­ tektor 50, einen Kontaktstellendetektor 70 und einen Korrek­ tursignalgenerator 90.

Die Berührungssignalsonde 10 weist annähernd die gleiche Struktur wie die in dem Hintergrundabschnitt beschriebene Be­ rührungssignalsonde 100 auf, welche eine Tasterhalterung 11 zum Bewegen in einem dreidimensionalen Raum mit einem vorbe­ stimmten Geschwindigkeitsvektor in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl durch eine (nicht dargestellte) Steuervorrich­ tung, einen Tasterhalter 101, welcher mit der Tasterhalterung 11 mechanisch verbunden ist und einen Sondenkörper 13 mit ei­ nem Taster 102, einem Kontaktabschnitt 102A, einer Schwin­ gungsvorrichtung 103A und einen Detektor 103B umfaßt.

Der Drehbewegungsgenerator 30 bewirkt eine Abtastdrehbe­ wegung des obigen Tasters 102 auf einer Ebene A senkrecht zu einer Achse des Tasters 102 mit einem vorbestimmten Radius R und einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit. Der Drehbewe­ gungsgenerator 30 umfaßt eine Antriebsvorrichtung 31, welche zwischen der Tasterhalterung 11 und dem Tasterhalter 101 ange­ ordnet ist, und eine Drehsteuervorrichtung zum Senden eines Steuersignals an die Antriebsvorrichtung 31.

Die Antriebsvorrichtung 31 weist einen X-Achsen- Antriebsabschnitt 311 und einen Y-Achsen-Antriebsabschnitt 312 zum Bewegen des Tasters 102 längs einer X-Achse und einer Y- Achse, welche in einer Ebene A verlaufen, wobei sie zueinander senkrecht sind.

Die Drehsteuervorrichtung 33 erzeugt ein X-Achsen- Steuersignal SX = Rcosθ und ein Y-Achsen-Steuersignal SY = Rsinθ gemäß einem Winkelsteuersignal Sθ und gibt das X-Achsen- Steuersignal SX an den X-Achsen-Antriebsabschnitt 311 und das Y-Achsen-Steuersignal SY an den Y-Achsen-Antriebsabschnitt 312 aus. Da das Winkelsteuersignal Sθ in einem vorbestimmten Zyklus ausgegeben wird, führen der X-Achsen-Antriebsabschnitt 311 und der Y-Achsen-Antriebsabschnitt 312 eine Bewegung um einen vor­ bestimmten Zyklus aus, so daß eine Abtastdrehbewegung des Ta­ sters 102 in der Ebene A um den vorbestimmten Radius R und die vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit bewirkt wird.

Der Phasenwertdetektor 50 erfaßt eine Drehposition des Tasters 102 während der Abtastdrehposition gemäß dem X-Achsen- Steuersignal SX und dem Y-Achsen-Steuersignal SY, welche von der Drehsteuervorrichtung 33 ausgeben werden, und dem Zyklus, gemäß welchem die Steuersignale SX und SY ausgegeben werden. Der Phasenwertdetektor 50 gibt die erfaßte Drehposition θ des Tasters 102 an den Kontaktstellendetektor 70 aus.

Der Kontaktstellendetektor 70 empfängt den durch den De­ tektor 103B des Sondenkörpers 14 erfaßten Erfassungssignalwert V, welcher einen Schwingungszustand des Tasters 102 anzeigt, und berechnet eine Längenposition und eine Breitenposition des Kontaktabschnitts 102A des Tasters 102 auf der Grundlage des Erfassungssignalwerts V und der Drehposition θ des Tasters 102, gesendet von dem Phasenwertdetektor 50.

Ferner gibt der Kontaktstellendetektor 70 Änderungsgrößen des erfaßten Erfassungssignalwerts V und einer Phasenab­ schnittsbreite B, welche einen Bereich einer Drehposition des Tasters 102 darstellt, während sich der Erfassungssignalwert V ändert, an den Korrektursignalgenerator 90 aus.

Der Korrektursignalgenerator 90 gibt ein Korrektursignal SR an eine (nicht dargestellte) Steuervorrichtung zum Steuern der Tasterhalterung 11 auf der Grundlage eines Erfas­ sungsignalwerts V und der Phasenabschnittsbreite B von dem Kontaktstellendetektor 70 aus. Genauer gibt der Korrektursig­ nalgenerator 90 das Korrektursignal SR an die Steuervorrich­ tung aus, wenn eine Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts größer ist als ein vorbestimmter Wert, oder wenn die Phasenab­ schnittsbreite B kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.

Nachfolgend wird eine Profilmessung eines Werkstücks durch die Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung 1 der Berüh­ rungssignalsonde unter Bezugnahme auf Fig. 7(A) und Fig. 7(B) beschrieben.

(1) Wie in Fig. 7(A) dargestellt, berührt der Kontaktabschnitt 102A, wenn der Taster 102 sich ausgehend von einer Oberseiten­ richtung des Werkstücks W durch die Tasterhalterung 11 senkt (Status I), das Werkstück W an einem Punkt Q1 (Status II).

(2) Wenn der Kontaktabschnitt 102A das Werkstück W an dem Punkt Q1 berührt, wird die Abtastdrehbewegung des Tasters 102 durch den Drehbewegungsgenerator 30 gestartet. Der Phasenwert­ detektor 50 berechnet die Drehposition θ des Tasters 102 auf der Grundlage des X-Achsen-Steuersignals SX und des Y-Achsen- Steuersignal SY, welche von der Drehsteuervorrichtung 33 aus­ gegeben werden, und gibt die Drehposition θ an den Kontaktstel­ lendetektor 70 aus.

(3) Wie in G1 von Fig. 8 dargestellt, erhält der Kontaktstel­ lendetektor 70 einen Phasenwert θmax, welcher eine maximale Än­ derungsgröße des Erfassungssignalwerts V und der Phasenab­ schnittsbreite B als einen Bereich von θ, wenn sich der Erfas­ sungssignalwert ändert, anzeigt, und berechnet die Längenposi­ tion und die Breitenposition der Kontaktstelle des Kontaktab­ schnitts 102A an dem Punkt Q1 auf der Grundlage des Phasen­ werts θmax und der Phasenabschnittsbreite B.

(4) Wenn der Taster 102 sich senkt, wird der Erfassungssignal­ wert V und die Phasenabschnittsbreite B bei dem Phasenwert θmax größer. Wenn diese Werte einen vorbestimmten Wert überschrei­ ten, so gibt der Korrektursignalgenerator 90 das Korrektursig­ nal SR auf der Grundlage des Phasenwerts θmax und der Phasen­ abschnittsbreite B aus, um die Bewegung der Tasterhalterung 11 zu korrigieren.

Genauer ist das Korrektursignal SR ein Korrekturvektorsig­ nal in einer Richtung H, einer Normalrichtung der Kugel des Kontaktabschnitts 102A weg von dem Werkstück W ausgehend von einem Punkt der Längenposition und der Breitenposition der Kontaktstelle, berechnet durch den Kontaktstellendetektor 70 (siehe Fig. 7(B)). Das Korrektursignal SR verringert die Kon­ taktkraft des Tasters 102 hin zu dem Werkstück W (Status III). Es sei erwähnt, daß die Größe des Korrekturvektorsignals des Korrektursignals SR derart definiert ist, daß die Phasenab­ schnittsbreite B gleich der Phasenabschnittsbreite B' ist, und die Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts V bei dem Phasen­ wert θmax liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, wie in G2 von Fig. 8 dargestellt, wodurch die Kontaktkraft immer an einem Teil der Bahn S1 der Abtastdrehbewegung angewandt wird.

(5) Wenn sich der Taster 102 weiter senkt, während die obige Bewegungskorrektur der Tasterhalterung 11 wiederholt wird, und der Kontaktabschnitt 102A in Berührung an einem Punkt Q2 als eine Stelle senkrecht zu der Axialrichtung des Tasters 102 ge­ langt, überschreitet die Änderungsgröße des Erfassungssignal­ werts V die maximale Änderungsgröße Vlim, wie in G3 von Fig. 8 dargestellt. In diesem Fall gibt der Korrektursignalgenerator 90 ein Korrektursignal SR zum Aussetzen der Messung aus, und die Tasterhalterung 11 hebt den Taster 102 auf der Grundlage des Korrektursignals SR.

(6) Ferner gibt, wie in Fig. 9(A) und Fig. 9(B) dargestellt, wenn der Korrektursignalgenerator 90 eine Änderung des Erfas­ sungssignalwerts V über die Abtastdrehbewegung, das heißt, über 360 Grad der Phasenabschnittsbreite, erfaßt, der Korrek­ tursignalgenerator 90 aufgrund der Tatsache, daß der Kontakt­ stellendetektor 70 nicht in der Lage ist, die Phasenab­ schnittsbreite B zu erfassen, das Korrektursignal SR aus, um die Änderung des Erfassungssignalwerts V über die Abtastdreh­ bewegung zu vermeiden. Wie in Fig. 9(A) dargestellt, ist das Korrektursignal SR ein Korrekturvektorsignal in der Richtung I zum Trennen des Tasters 102 von der Kontaktstelle des Werk­ stücks W.

Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können folgende Wirkungen erreicht werden.

Da der Drehbewegungsgenerator 30, der Phasenwertdetektor 50 und der Kontaktstellendetektor 70 vorgesehen sind, kann die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A hin zu dem Werkstück W erfaßt werden durch den Kontaktstellendetektor 70 gemäß dem Erfassungssignalwert V durch den Detektor 103B der Abtastdreh­ bewegung und der Drehposition θ durch den Phasenwertdetektor 50. Daher ermöglicht die Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung 1 eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung des Werkstücks W unter Verwendung der Berührungssignalsonde 10. Ferner kann die Bewegung der Tasterhalterung 11 auf der Grund­ lage der erfaßten Kontaktstelle korrigiert werden, wodurch ei­ ne Messung in einem angemessenen Zustand durchgeführt wird.

Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die Kontaktstelle gegeben ist als die Längenposition und die Breitenposition des kugelförmigen Kontaktabschnitts 102A das Korrektursignal SR lediglich erhalten werden durch ein Erhalten des Abschnitts, an welchem die Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts V am größten ist, und des Bereichs der Drehposition θ, innerhalb welcher sich der Erfassungssignalwert V ändert, wodurch eine Verarbeitung des Signals des Kontaktstellendetektors 70 und des Korrektursignalgenerators 90 vereinfacht wird.

Ferner kann die Tasterhalterung 11 aufgrund der Tatsache, daß der Korrektursignalgenerator 90 das Korrektursignal SR zum Begrenzen der Bewegung der Tasterhalterung 11 gemäß der maxi­ malen Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts ausgesetzt oder zurückgezogen werden, wodurch eine Beschädigung der Berüh­ rungssignalsonde durch ein übergroße Kontaktkraft verhindert wird.

Da das Korrektursignal SR das Korrekturvektorsignal in ei­ ner Richtung weg von der erfaßten Kontaktstelle Q1 ist, und die Größe davon eine vorbestimmten Phasenabschnittsbreite B' aufweist, kann der Kontakt zwischen dem Kontaktabschnitt 102A des Tasters 102 und dem Werkstück W selbst dann zum Fortsetzen der Messung in geeigneter Weise aufrechterhalten werden, wenn die Bewegung der Tasterhalterung 11 eingeschränkt wird, so daß die Berührungssignalsonde 10 für eine Profilmessung zum Erfas­ sen der Form des Werkstücks W verwendet werden kann.

Ferner ist aufgrund der Tatsache, daß der Zyklus und die Amplitude der Abtastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgene­ rator 30 unabhängig von der Bewegung der Schwingungsvorrich­ tung 103A ist, die Abtastdrehbewegung des Tasters 102 ohne Be­ einflussung durch den Schwingungsstatus des Tasters 102 mög­ lich, so daß die Kontaktstelle des Kontaktabschnitts 102A durch den Kontaktstellendetektor 70 sicher erhalten wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern folgende Änderungen und ähnliches um­ faßt.

Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel sind, obwohl die Antriebsvorrichtung 31 des Drehbewegungsgenerators 30 den X-Achsen-Antriebsabschnitt 311 und den Y-Achsen- Antriebsabschnitt 312 umfaßt und die Drehsteuervorrichtung 33 die Steuersignale SX und SY an die jeweiligen Antriebsab­ schnitte 311 und 312 ausgibt, weitere Anordnungen möglich. Ge­ nauer kann auch eine Antriebsvorrichtung vorzugsweise verwen­ det werden, welche eine Bewegung in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel θ und dem Drehradius R ausführt. Anders ausgedrückt, kann eine Antriebsvorrichtung mit der anderen Struktur verwen­ det werden, solange die Abtastdrehbewegung des Tasters möglich ist.

Ferner kann der Kontaktabschnitt, obwohl die Abtastdrehbe­ wegung beginnt, nachdem der Kontaktabschnitt 102A das Werk­ stück W berührt, das Werkstück während einer Ausführung der Abtastdrehbewegung des Tasters vorher berühren.

Weitere spezielle Anordnungen und Gestaltungen zur Reali­ sierung der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, solange eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung können der Phasenwertdetek­ tor 50, der Kontaktstellendetektor 70 und der Korrektursignal­ generator 90 mittels der Verwendung einer bestehenden elektri­ schen Schaltung realisiert werden. Die Schwingungsvorrichtung 103A und des Detektors 103B können realisiert werden unter Verwendung einer existierenden mechanischen Anordnung. Diese jeweiligen Abschnitte können in einer anderen Form angeordnet werden, so daß jeweilige Funktionen auf der Grundlage einer bestehenden mechanischen Technik, elektrischen Schaltungstech­ nik und Computertechnik realisiert werden können. Diese jewei­ ligen Abschnitte können aus einer reinen Hardware, einer Com­ putersoftware oder einer Kombination daraus aufgebaut sein.

Claims (6)

1. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungs­ signalsonde, wobei die Berührungssignalsonde eine Tasterhalte­ rung zum Bewegen in einem dreidimensionalen Raum durch einen vorbestimmten Geschwindigkeitsvektor gemäß einem externen Be­ fehl, einem Tasterhalter, welcher mechanisch mit der Taster­ halterung verbunden ist, einem Taster, welcher durch den Ta­ sterhalter gehalten wird und an einem Spitzende davon einen Kontaktabschnitt aufweist, welcher mit einem Werkstück in Be­ rührung gebracht wird, einer Schwingungsvorrichtung, welche an einem Teil des Tasterhalters vorgesehen ist, um den Taster in eine Resonanzschwingung in einer Axialrichtung davon zu ver­ setzen, und einer Erfassungsvorrichtung, welche an einem Teil des Tasterhalters zum Erfassen der Änderung einer Schwingung durch die Schwingungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Be­ rührungssignalsonde die Änderung der Schwingung durch die Er­ fassungsvorrichtung erfaßt, wenn der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt, wobei die Kontakterfassungsvorrichtung ei­ ner Berührungssignalsonde die Kontaktstelle an dem Kontaktab­ schnitt gegen das Werkstück erfaßt, wobei die Kontakterfas­ sungsvorrichtung umfaßt:
einen Drehbewegungsgenerator zum Ausführen einer Ab­ tastdrehbewegung des Tasters auf einer Ebene senkrecht zu ei­ ner Achse des Tasters durch einen vorbestimmten Radius und ei­ ne vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit;
einen Phasenwertdetektor zum Erfassen eines Phasenwerts, welcher eine Drehposition der Abtastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgenerator anzeigt; und
einen Kontaktstellendetektor zum Erfassen der Kontaktstel­ le des Kontaktabschnitts gegen das Werkstück auf der Grundlage eines Erfassungssignalwerts, welcher durch den Detektor erfaßt wird, und des Phasenwerts, welcher dutch den Phasenwertdetek­ tor erfaßt wird, während der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt.

2. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berüh­ rungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei der Kontaktabschnitt eine kugelförmige Oberfläche aufweist;
wobei die Kontaktstelle definiert ist als ein Punkt auf der kugelförmigen Oberfläche und gegeben ist durch eine Län­ genposition, definiert als eine Winkelposition auf der Ebene senkrecht zu der Achse des Tasters, und eine Breitenposition, definiert als eine Winkelposition auf einer Ebene, welche die Achse des Tasters enthält; und
wobei der Kontaktstellendetektor die Längenposition aus dem Phasenwert erhält, bei welchem eine Änderung des Erfas­ sungssignalwerts maximal ist, während der Kontaktabschnitt das Werkstück während der Abtastdrehbewegung berührt und die Brei­ tenposition aus dem Phasenwert mit der maximalen Änderung des Erfassungssignalwerts und einer Phasenabschnittsbreite erhält, welche einen Abschnitt des Phasenwerts anzeigt, innerhalb wel­ chem der Erfassungssignalwert sich durch den Kontakt ändert.

3. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungs­ signalsonde nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Korrektur­ signalgenerator zum Ausgeben eines Korrektursignals zum Be­ grenzen einer Bewegung der Tasterhalterung an eine Steuervor­ richtung der Tasterhalterung, wenn die maximale Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts einen vorbestimmten Wert überschrei­ tet, und wenn die Phasenabschnittsbreite schmäler ist als ein vorbestimmter Wert.

4. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungs­ signalsonde nach Anspruch 3, wobei das Korrektursignal durch den Korrektursignalgenerator ein Korrekturvektorsignal in ei­ ner Normalrichtung der Kugel des Kontaktabschnitts weg von dem Werkstück ausgehend von einem Punkt der Längenposition und der Breitenposition, erhalten durch den Kontaktstellendetektor, ist und
wobei eine Größe des Korrekturvektorsignals derart defi­ niert ist, daß die Phasenabschnittsbreite eine vorbestimmte Phasenabschnittsbreite wird und die maximale Änderungsgröße des Erfassungssignalwerts innerhalb eines vorbestimmten Be­ reichs liegt.

5. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung einer Berührungs­ signalsonde nach Anspruch 3 oder 4, wobei, wenn der Kontakt­ stellendetektor eine Änderung des Erfassungssignalwerts über die Abtastdrehbewegung erfaßt, der Korrektursignalgenerator ein Korrektursignal ausgibt, um die Änderung über die Ab­ tastdrehbewegung zu vermeiden.

6. Kontaktstellen-Erfassungsvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, wobei ein Zyklus und eine Amplitude der Ab­ tastdrehbewegung durch den Drehbewegungsgenerator unabhängig von einer Bewegung der Schwingungsvorrichtung.