DE10023713A1

DE10023713A1 - Messtaster mit einem auslenkbaren Taststift sowie Taststift für einen Messtaster

Info

Publication number: DE10023713A1
Application number: DE2000123713
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Madlener; Wilfried Veil
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-11-22

Abstract

Es wird ein Messtaster (1) mit einem auslenkbaren Taststift (2), einer Ruhelagemechanik, an der der Taststift angeordnet ist, Schaltmittel zur Detektion einer Auslenkung des Taststifts (2) aus der Ruhelage sowie einer mit den Schaltmitteln in Verbindung stehenden Elektronikeinheit zur Ausgabe eines Messsignals vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vor der Ruhelagemechanik zusätzlich zu den Schaltmitteln ein hoch empfindlicher Berührungsdetektor vorgesehen und die Elektronikeinheit ist derart ausgelegt, dass nach Ansprechen des Berührungsdetektors eine Verzögerungszeit DELTAt¶1¶ gestartet wird, aber nur dann ein Messsignal nach Ablauf der Verzögerungszeit DELTAt¶1¶ ausgegeben wird, sofern die Elektronikeinheit innerhalb der Verzögerungszeit und der Bodenfläche (13) der Ausnehmung (10) DELTAt¶1¶ über die Schaltmittel eine Auslenkung des Taststifts feststellt. Ein diesbezüglicher Taststift zeichnet sich dadurch aus, dass im Messkopf (3) ein deformationsempfindliches Sensorelement angeordnet ist, das bei mechanischer Beanspruchung deformiert wird und dadurch seine elektrischen Eigenschaften ändert und/oder unmittelbar das Abgreifen eines elektrischen Signals erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messtaster mit einem auslenkbaren Taststift nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Taststift für einen Messtaster mit einem Tastkopf an seinem vorderen Ende.

Stand der Technik

Messtaster mit einem auslenkbaren Taststift sowie entsprechend dafür ausgestaltete Taststifte sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bereits bekannt geworden.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 09 122 A1 ist ein Tastkopf für eine Messeinrichtung mit einer in einem Tastkopfgehäuse eingebauten Auslenkmechanik offenbart, an die ein außen liegendes Antastelement angeschlossen ist. In das Antastelement ist ein Sensor integriert, der als getrenntes Bauteil zum Tastkopfgehäuse ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Position des Sensors zu einer Tastkugel des Antastelements unverändert bleibt, auch wenn zwischen Tastkopfgehäuse und Antastelement Verlängerungsstücke mit unterschiedlicher Länge verwendet werden, um z. B. Messungen in Bohrungen unterschiedlicher Tiefe durchführen zu können.

Das hat den Vorteil, dass die Abtastverhältnisse in Bezug auf den Sensor unverändert bestehen bleiben. Überdies erfolgt bei einer großen zuverlässigen Auslenkbewegung der Auslenkmechanik eine nahezu weglose Signalerkennung nahe der Abtastung mittels des Sensors.

Wird jedoch die Empfindlichkeit des Sensors für eine verbesserte Messempfindlichkeit erhöht, sind Fehlmessungen nicht ausgeschlossen, wenn beispielsweise der Tastkopf ein Messsignal ausgibt, das aufgrund der Detektion einer Vibration durch den Sensor erfolgt, ohne dass die Messkugel am Abtastelement eine Messfläche berührt hätte.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 01 517 A1 wird ein Taststift eines Messgerätes beschrieben, bei dem ein Sensor die Berührung eines kugelförmigen Tastkopfs mit einer Messfläche auswertet. Der kugelförmige Tastkopf weist eine teilkugelförmige Hülse auf, die einen Kugelkopf umschließt. Der Kugelkopf ist mit dem Taststift fest verbunden und die Hülse ist gegenüber dem Kugelkopf dreidimensional beweglich geführt, wobei der Kugelkopf und die Hülse beabstandet sind. Der Sensor wertet eine Relativbewegung zwischen der Hülse und dem Kugelkopf aus. Durch diese Ausgestaltung eines Taststiftes soll die Messgenauigkeit erhöht werden, da die bei der Messflächenberührung ausgelenkte Hülse nur eine geringe Eigenmasse hat und der Sensor in unmittelbarer Nähe der Messstelle liegt, so dass eine Taststiftdurchbiegung ohne nennenswerten Einfluss bleibt. Diese Ausführungsform hat jedoch den Nachteil, dass sich die Messempfindlichkeit nicht beliebig herabsetzen lässt, da ansonsten wie oben beschrieben Fehlmessungen auftreten können, die wie oben beschrieben ohne eine Messflächenberührung zustande kommen können. Des Weiteren wird durch die spezielle Art der Messkopfausgestaltung in der DE 35 01 517 A1, die einen gewissen Vorlauf bis zum Messpunkt notwendig macht, die mögliche Messempfindlichkeit beschränkt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messempfindlichkeit eines Messtasters zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 5 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht zunächst von einem Messtaster aus, der einen auslenkbaren Taststift, eine Ruhelagemechanik, an der der Taststift angeordnet ist, Schaltmittel zur Detektion einer Auslenkung des Taststiftes aus der Ruhelage sowie eine mit den Schaltmitteln in Verbindung stehende Elektronikeinheit zur Ausgabe eines Messsignals umfasst. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass vor der Ruhelagemechanik zusätzlich zu den Schaltmitteln ein vergleichsweise empfindlicher, vorzugsweise auf schockartige Belastungen, die z. B. beim Auftreffen des Taststiftkopfes auf eine Messoberfläche entstehen, hoch empfindlicher Berührungsdetektor vorgesehen ist und dass die Elektronikeinheit dazu ausgelegt ist, nach Ansprechen des Berührungsdetektors eine Verzögerungszeit zu starten und nur dann ein Messsignal nach Ablauf der Verzögerungszeit auszugeben, sofern die Elektronikeinheit innerhalb der Verzögerungszeit über die Schaltmittel eine Auslenkung des Taststifts feststellt. Während der Verzögerungszeit werden weitere Berührungsdetektorsignale nicht berücksichtigt. Durch diese Vorgehensweise wird zweierlei erreicht. Erstens lässt sich ein im Wesentlichen beliebig empfindlicher Berührungsdetektor einsetzen, wodurch die Messempfindlichkeit des Messtasters erheblich verbessert werden kann. Fehlmessungen aufgrund von z. B. Schallwellen oder Vibrationen, wenn der Messtaster z. B. an einer Messmaschine oder einer rechnergesteuerten Fräs- oder Drehmaschine eingesetzt wird, führen zu keinem Messsignal, da bei einem derartigen Ansprechen des Berührungsdetektors ein nachfolgendes Auslenken des Taststiftes fehlt. Zweitens wird der Taststift durch eine konventionelle Ruhelagemechanik, die mit Schaltmitteln gekoppelt ist, zuverlässig in einer Ruhelage gehalten, die eine definierte Auslenkbewegung bei Berührung des Taststiftes mit einer Messoberfläche erlaubt. Die erforderliche Kraft für die Ruhelagemechanik zum Auslenken des Taststifts aus der Ruhelage kann dabei im Wesentlichen frei gewählt werden, ohne die Messempfindlichkeit des Messtasters nennenswert zu beeinträchtigen. Vorzugsweise ist die Größe der Verzögerungszeit auf den Vorlauf der Ruhelagemechanik abgestimmt. D. h. die Verzögerungszeit sollte etwas größer gewählt werden als die Zeitspanne, die die Ruhelagemechanik in Verbindung mit den Schaltmitteln bei einer vorgegebenen Messgeschwindigkeit benötigt, an den Schaltmitteln einen Schaltpunkt zu erreichen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektronikeinheit dazu ausgelegt bei einer Änderung des Schaltzustandes der Schaltmittel aufgrund einer Bewegung des Taststiftes von einer ausgelenkten Position in die Ruheposition, eine Verzögerungszeit zu starten, während welcher ein Ansprechen des Berührungsdetektors von der Elektronikeinheit ausgeblendet wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim Ablösevorgang des Taststiftes von einer Messoberfläche das Ansprechen des Berührungsdetektors keine Fehlmessung zur Folge hat, wenn beispielsweise kurz darauf der Taststift wieder auf eine Messfläche trifft.

In einer außerdem besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Taststift an seinem vorderen Ende ein Messkopf, z. B. eine Messkugel auf, in welcher ein Berührungsdetektor angeordnet ist. Durch diese Maßnahme lässt sich eine nahezu weglose Signalerzeugung nahe des Berührungspunktes des Taststiftes mit einer Messoberfläche realisieren, wodurch ein volumetrisch wiederholgenaues Schalten im Raum um den Tastkopf ermöglicht wird. Denn Messfehler durch eine Biegung des Taststifts lassen sich durch die Anordnung des Berührungsdetektors im Tastkopf eliminieren.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des Taststiftes für den oben beschriebenen Messtaster, der jedoch auch im Zusammenhang mit anders ausgestalteten Messtastern eingesetzt werden kann, umfasst der Berührungsdetektor ein deformationsempfindliches Sensorelement, das sich bei mechanischer Beanspruchung deformiert und dadurch die elektrischen Eigenschaften ändert und/oder unmittelbar das Abgreifen eines elektrischen Signals erlaubt. Durch den Einsatz eines solchen Berührungssensors lassen sich außerordentlich hohe Messgenauigkeiten realisieren. Beispielsweise kann als Berührungsdetektor ein piezoelektrisches Element eingesetzt werden, das bei der geringsten Berührung mit einer Messoberfläche ein elektrisches Signal erzeugt. Ebenfalls kann ein Sensorelement zum Einsatz kommen, das bei mechanischer Beanspruchung seinen widerstand ändert.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.

Im Einzelnen zeigt

Fig. 1 Signalverlaufsdiagramme in Bezug auf den Auslenkzustand eines Taststiftes an einem Messtaster und

Fig. 2 den vorderen Teil eines Taststiftes in einer schematischen Schnittansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 wird die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Messtasters 1 anhand von Signalverläufen über die Zeit und in Bezug auf den Auslenkzustand des am Messtaster 1 auslenkbar angeordneten Taststifts 2 beschrieben.

Die erste Zeile A zeigt den Signalverlauf eines Piezo- Sensorelements (nicht dargestellt), welches im Kugeltastkopf 3 des Taststiftes 2 untergebracht ist. In der zweiten Zeile B ist der Signalverlauf eines mechanischen Öffners dargestellt, der mit dem Taststift 2 über eine Ruhelagemechanik (nicht dargestellt) im Wirkzusammenhang steht. In der untersten Zeile C ist der Signalverlauf eines Messsignales abgebildet, welches eine Elektronikeinheit (nicht dargestellt) des Messtasters an eine Messstation (nicht dargestellt) weitergibt. Zum Zeitpunkt t₀ nähert sich der Messtaster 1 einer zu messenden Oberfläche 4 eines Werkstücks 5. Zum Zeitpunkt t₁ hat der Kugeltastkopf 3 die Oberfläche 4 des Werkstücks 5 berührt, wodurch das Piezo-Sensorelement im Kugeltastkopf 3 ein impulsartiges Signal 6 (siehe Zeile A in Fig. 1) an die Elektronikeinheit abgibt. Mit der ersten Flanke des Signals des Piezo-Sensorelements startet die Elektronikeinheit des Messtasters eine hoch konstante Verzögerungszeit Δt₁, nach deren Ablauf das ausgegebene Messsignal seinen Status von beispielhaft "low" auf "high" ändert, wenn zusätzlich während der Zeitspanne Δt₁ der mechanische Öffner, welcher mit dem Taststift 2 im Wirkzusammenhang steht, öffnet (siehe Zeile C in Fig. 1). Im Beispiel gemäß Fig. 1 ist dies zum Zeitpunkt t₂ erfolgt, bei welchem der Taststift 2 an der Oberfläche 4 des Werkstücks 5 weit genug ausgelenkt war.

Da sich der Messtaster 1 beim Messen regelmäßig mit einer ausreichend konstanten Geschwindigkeit bewegt, hier auf das Werkstück 5 zubewegt, lässt sich durch die hoch konstante Verzögerungszeit Δt₁ exakt die Position der Oberfläche 4 in Bezug auf einen absoluten Maßstab zurückrechnen. Zum Zeitpunkt t₃ hat sich der Messtaster 1 vom Werkstück 5 wieder entfernt, wodurch der mechanische Öffner im Messtaster wieder in den "geschlossen"-Zustand übergegangen ist. Von diesem Zeitpunkt t₃ an, läuft wieder eine Verzögerungszeit Δt₃, nach welcher das Messsignal vom "high"- Zustand in den "low"- Zustand übergeht. Während der Verzögerungszeit Δt₃ wird überdies jedes weitere Signal 7 des piezoelektrischen Sensors ausgeblendet, womit Fehlsignale vermieden werden.

Sollte während der hochkonstanten Verzögerungszeit Δt₁ der mechanische Öffner gemäß des Signalverlaufs B nicht vom geschlossenen in den offenen Zustand übergehen, hätte das zur Folge, dass nach Ablauf der Verzögerungszeit Δt₁ die Elektronikeinheit des Messtasters das Messsignal (Zeile C) auf dem "low"-Zustand beließe. In diesem Fall würde es sich um ein Fehlsignal handeln, z. B. hervorgerufen durch eine Vibration oder eine Schallwelle, ohne dass der Taststift 2 an einer Messfläche ausgelenkt worden wäre.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird es möglich, mit hoch empfindlichen Berührungssensoren im Taststift oder im Taststiftkopf, z. B. einer Rubinkugel zu arbeiten, ohne Gefahr zu laufen, Fehlsignale als Messsignale zu übertragen.

In Fig. 2 ist der vordere Teil eines Taststifts 2 in einer Schnittansicht dargestellt. Der Taststift 2 umfasst ein Rohrstück 8, an dessen vorderem Ende ein Kugelkopf 3 mit einer Ausnehmung 9 angeordnet ist. Die Ausnehmung 9 nimmt das Ende 10 des Rohrstücks 8 des Taststiftes 2 auf. Dabei liegt der Kugelkopf 3 an einem Vorsprung 11 am Rohrstück 8 an. Zwischen einem am Ende 10 des Rohrstücks 8 angeordneten Abschlusselement 12 und der Bodenfläche 13 der Ausnehmung 9 ist ein piezoelektrischer Film 14 eingefügt. Dieser steht über eine elektrische Verbindung 15, die durch das Rohrstück 8 und eine Bohrung im Abschlusselement 12 zum piezoelektrischen Film 14 geführt ist, mit einer nicht dargestellten Elektronikeinheit des Messtasters 1 in Verbindung. Bei der kleinsten schockartigen Belastung, wie sie z. B. dem Aufsetzen des Kugelkopfes 9 auf einer Messfläche entsteht, erzeugt der piezoelektrische Film 14 ein elektrisches Signal, das durch die Elektronikeinheit des Messtasters 1 detektierbar ist. Da der Sensor für die Generierung des Messsignals unmittelbar im Messkopf angeordnet ist, werden Messungenauigkeit durch die Biegung beispielsweise des Taststiftes oder durch die Masse des Taststiftes, die zwischen Berührungspunkt und Schaltelement liegt, eliminiert. Das Ergebnis ist ein hoch empfindlicher Messtaster mit einer außerordentlich hohen Wiederholgenauigkeit und bei einer Verknüpfung mit einem weiteren Schaltelement einer hohen Zuverlässigkeit.

Bezugszeichenliste

1

Messtaster

2

Taststift

3

Kugeltastkopf

4

Oberfläche

5

Werkstück

6

Signal

7

Signal

8

Rohrstück

9

Ausnehmung

10

Ende

11

Vorsprung

12

Abschlusselement

13

Bodenfläche

14

piezoelektrischer Film

15

elektrische Verbindung

Claims

1. Messtaster (1) mit einem auslenkbaren Taststift (2), einer Ruhelagemechanik, an der der Taststift (2) angeordnet ist, Schaltmittel zur Detektion einer Auslenkung des Taststifts (2) aus der Ruhelage sowie einer mit den Schaltmitteln in Verbindung stehenden Elektonikeinheit zur Ausgabe eines Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ruhelagemechanik zusätzlich zu den Schaltmitteln ein vergleichsweise empfindlicher Berührungsdetektor (14) vorgesehen ist und dass die Elektronikeinheit dazu ausgelegt ist, nach Ansprechen des Berührungsdetektors (14) eine Verzögerungszeit Δt₁ zu starten und nur dann ein Messsignal nach Ablauf der Verzögerungszeit Δt₁ auszugeben, sofern die Elektronikeinheit innerhalb der Verzögerungszeit Δt₁ über die Schaltmittel eine Auslenkung des Taststifts (2) feststellt.

2. Messtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit dazu ausgelegt ist, bei einer Änderung des Schaltzustandes der Schaltmittel aufgrund einer Bewegung des Taststiftes von einer ausgelenkten Position in die Ruheposition, eine Verzögerungszeit Δt₃ zu starten, während welcher ein Ansprechen des Berührungsdetektors von der Elektronikeinheit nicht berücksichtigt wird.

3. Messtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Taststift an seinem vorderen Ende einen Messkopf (9) aufweist, in dessen Inneren der Berührungsdetektor (14) angeordnet ist.

4. Messtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsdetektor ein deformationsempfindliches Sensorelement (14) umfasst, das bei mechanischer Beanspruchung deformiert wird und dadurch seine elektrischen Eigenschaften ändert und/oder unmittelbar das Abgreifen eines elektrischen Signals erlaubt.

5. Messtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsdetektor ein piezoelektrisches Element (14) umfasst.

6. Taststift für einen Messtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Tastkopf (3) am vorderen Ende, dadurch gekennzeichnet, dass im Tastkopf (3) ein deformationsempfindliches Sensorelement untergebracht ist, das bei mechanischer Beanspruchung deformiert wird und dadurch seine elektrischen Eigenschaften ändert und/oder unmittelbar das Abgreifen eines elektrischen Signals erlaubt.

7. Taststift nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das deformationsempfindliche Sensorelement ein piezoelektrisches Element (14) umfasst.