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Die Erfindung betrifft einen Taster der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art eines Kontur- und/oder Rauheitsmessgeräts zur Abtastung einer Oberfläche eines Werkstücks.
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Derartige Taster sind allgemein bekannt und weisen einen Grundkörper auf, in oder an dem ein Tastarm gelagert ist, an dem ein Tastkörper angeordnet ist. Bei den bekannten Tastern ist der Tastarm um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert, so dass eine Auslenkung des Tastkörpers entsprechend der Kontur oder Rauheit der Oberfläche des Werkstücks in einer Schwenkbewegung des Tastarmes resultiert. Die Höhenauslenkung des Tastarmes wird als Winkelmessung im Drehpunkt des Tastarmes erfasst, wozu ein Winkelmesssystem vorgesehen ist. Nachgelagerte Verarbeitungsschritte in der Software einer Auswertungseinrichtung transformieren die Winkelstellung in eine Höheninformation der Oberfläche, um die Geometrie des Werkstücks abzubilden und insbesondere dessen Kontur oder Rauheit zu ermitteln bzw. zu rekonstruieren.
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Die Genauigkeit der auf diese Weise ermittelten Höheninformationen hängt wesentlich davon ab, dass die Länge des Tastarmes, die Geometrie des Tastkörpers, beispielsweise die Tastspitzenhöhe einer Tastspitze, und die Winkelstellung des Tastarmes sehr genau bekannt sein müssen. Dies bedingt einen hohen Kalibrierungsaufwand.
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Weiterhin führt das der Schwenkachse abgewandte Ende des Tastarmes, an dem der Tastkörper angeordnet ist, während des Messvorgangs eine Kreisbewegung aus. Diese Kreisbewegung führt zu einer Relativbewegung des Tastkörpers in Oberflächenrichtung (x-Richtung). Für eine exakte Rekonstruktion der Oberfläche ist es daher erforderlich, bei der Auswertung diese Relativbewegung zu kompensieren. Die Genauigkeit der Kompensation hängt wiederum davon ab, dass die Geometrie der Bauteile des Tastarmes, insbesondere des Tastarmes und des Tastkörpers, mit möglichst hoher Genauigkeit bekannt sind.
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Ferner ist zu berücksichtigen, dass bedingt durch die Höhenauslenkung der Berührungspunkt des Werkstücks an der Tastspitze wandert. Um diesen Einfluss zumindest teilweise zu kompensieren, ist es erforderlich, dass die Form der Tastspitze des Tastkörpers entweder ideal kreisförmig oder die Formabweichung von der idealen Kreisform bekannt ist.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten Tasters besteht darin, dass die Höhenauslenkung des Tastarmes während des Messvorgangs die Antastbarkeit von Werkstückkonturen einschränkt. Hierbei ist die Schrägstellung der Tastspitze desto größer, je größer die Höhenauslenkung des Tastarmes ist. Dies schließt eine Reihe von Messanwendungen aus.
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Während der Messung kann der Tastarm, beispielsweise beim Überfahren einer Bohrung in dem zu vermessenden Werkstück, von einer oberen Tastarmstellung in eine tiefere Tastarmstellung herunterfallen, was zu einer Beschädigung des Tastarmes führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, der im Vergleich zu den bekannten Tastern in Hinblick auf die vorgenannten Aspekte verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Die Erfindung sieht vor, dass der Taster mittels einer Tasterverstelleinheit entlang einer linearen Messachse linear verstellbar gelagert ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Taster und die Tasterverstelleinheit derart mit einer Auswertungseinrichtung in Datenübertragungsverbindung stehen, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass während der Abtastung eines Werkstücks in einem ersten Messmodus der Taster mittels der Tasterverstelleinheit entlang der linearen Messachse verstellt wird, dass die Auslenkung des Tastkörpers entlang der linearen Messachse bei null gehalten wird und der resultierende lineare Verstellhub der Tasterverstelleinheit die Höheninformation der Oberfläche des Werkstücks repräsentiert.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem zweiten Messmodus während der Abtastung eines Werkstücks bei feststehender Tasterverstelleinheit das Tasterausgangssignal des Tasters die Höheninformation der Oberfläche des Werkstücks repräsentiert.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der linearen Tasterverstelleinheit ein digitales Wegmesssystem zugeordnet.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auswertungseinrichtung derart programmiert ist, dass in dem ersten Messmodus die Kontur der Oberfläche des Werkstücks und/oder in dem zweiten Messmodus die Rauheit der Oberfläche des Werkstücks ermittelt wird.
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Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann der Taster als taktiler Taster oder als berührungslos arbeitender Taster ausgebildet sein.
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Ein erfindungsgemäßes Kontur- und/oder Rauheitsmessgerät ist im Anspruch 7 angegeben und weist einen erfindungsgemäßen Taster auf.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messgeräts sieht vor, dass der Taster entlang der Messachse linear verstellbar an einer Messsäule des Messgeräts angeordnet ist, wobei eine Messsäulenverstelleinheit zur linearen Verstellung des Tasters relativ zu der Messsäule die Tasterverstelleinheit bildet.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messgeräts sieht vor, dass das Messgerät eine Vorschubeinrichtung aufweist, an der der Taster zur Abtastung des Werkstücks entlang einer Messstrecke angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte stark schematisierte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung. Zum Gegenstand der Erfindung gehören auch Unterkombinationen der Patentansprüche, bei denen einzelne Merkmale des jeweiligen Patentanspruchs weggelassen oder durch andere Merkmale ersetzt sind. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale das jeweilige Ausführungsbeispiel für sich genommen, also auch unabhängig von den weiteren Merkmalen des Ausführungsbeispiels weiterbilden.
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Es zeigt:
- 1 in einer stark schematisierten Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tasters,
- 2 in gleicher Darstellung wie 1 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tasters,
- 3 in gleicher Darstellung wie 1 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tasters,
- 4 eine Schemaskizze einer Messapplikation zur Verdeutlichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Tasters und
- 5 in gleicher Darstellung wie 4 eine weitere Messapplikation zur Verdeutlichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Tasters.
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In 1 ist stark schematisiert ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts 2 dargestellt, das bei diesem Ausführungsbeispiel als kombiniertes Kontur- und Rauheitsmessgerät ausgebildet ist und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tasters 4 aufweist. Der Taster 4 weist einen Grundkörper 6 auf, der bei diesem Ausführungsbeispiel als Gehäuse ausgebildet ist, in dem ein Tastarm 8 schwenkbar gelagert ist, an dem ein Tastkörper 10 in Form einer Tastspitze angeordnet ist.
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Zur Abtastung einer Oberfläche eines Werkstücks entlang einer Messstrecke ist der Taster 4 an einer Vorschubeinrichtung 12 angeordnet. Eine lineare Vorschubachse, entlang derer der Taster 4 mittels der Vorschubeinrichtung 12 beweglich ist, ist in 1 durch einen Doppelpfeil 14 symbolisiert. Die Vorschubeinrichtung 12 ist entlang der z-Achse verstellbar an einer Messsäule 16 des Messgerätes 2 angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist der Tastarm 8 entlang einer linearen Messachse (z-Achse), die in 1 durch einen Doppelpfeil 18 symbolisiert ist, linear auslenkbar gelagert. Die lineare Messachse 18 ist durch eine lineare Tasterverstelleinheit 20 definiert, der bei diesem Ausführungsbeispiel ein digitales Wegmesssystem zugeordnet ist.
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Die Tasterverstelleinheit 20 steht in Datenübertragungsverbindung mit einer in 1 lediglich schematisch angedeuteten Auswertungseinrichtung 22, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass in einem ersten Messmodus aus einem die lineare Verstellung des Tastarmes 4 entlang der linearen Messachse 18 repräsentierenden Ausgangssignal der Tasterverstelleinheit 20 eine Höheninformation der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks ermittelt wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Taster 4 als taktiler Taster ausgebildet. Der Tastarm 8 des Tasters 4 ist um eine Schwenkachse 24 schwenkbar in oder an dem Gehäuse (Grundkörper 6) des Tasters 4 gelagert. Aufbau und Funktionsweise eines entsprechenden Tasters mit einem schwenkbar gelagerten Tastarm 8 sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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In dem ersten Messmodus kann die Tasterverstelleinheit 20 in Abhängigkeit von dem Tasterausgangssignal des Tasters 4 insbesondere so entlang der linearen Messachse 18 verstellt werden, dass das Tasterausgangssignal des Tasters 4, also die Auslenkung des Testkörpers 10 entlang der linearen Messachse, bei null gehalten wird.
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In dem ersten Messmodus kann insbesondere die Kontur eines Werkstücks vermessen werden. Der Verstellhub der linearen Tasterverstelleinheit 20 stellt einen entsprechenden Messbereich zur Verfügung.
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In einem zweiten Messmodus kann bei feststehender bzw. stillgesetzter Tasterverstelleinheit 20 die Höheninformation der Oberfläche des Werkstücks ausschließlich aus dem Tasterausgangssignal, also in bekannter Weise über die Winkelauslenkung des Tastarms 8 gewonnen werden. Der zweiten Messmodus ist insbesondere zur Messung der Rauheit des Werkstücks mit einem gegenüber der Vermessung der Kontur kleineren Messbereich geeignet.
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Grundsätzlich kann auch in einem dritten Messmodus die Höheninformation der Oberfläche des Werkstücks durch Kombination des Tasterausgangssignals des Tasters 4 mit dem linearen Verstellhub der Tasterverstelleinheit 20 ermittelt werden.
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Zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks tastet der Taster 4 die Oberfläche des Werkstücks an und wird mittels der Vorschubeinrichtung 12 entlang einer Messstrecke relativ zu dem Werkstück bewegt, so dass das Werkstück entlang der Messstrecke abgetastet wird.
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Um in dem ersten Messmodus die Kontur der Oberfläche des Werkstücks zu vermessen, wird während der Abtastung des Werkstücks der Taster 4 mit dem Tastarm 8 entlang der Messachse 18 mittels der Tasterverstelleinheit 20 derart verstellt, dass das Tasterausgangssignal, also die Auslenkung des Tastkörpers 10 entlang der Messachse 18, bei null gehalten wird. Die Höheninformation der Oberfläche des Werkstücks wird dabei durch den linearen Verstellhub der Tasterverstelleinheit 20 repräsentiert, so dass aus dem Ausgangssignal der Tasterverstelleinheit 20 die Kontur der Oberfläche des Werkstücks rekonstruiert werden kann. Grundsätzlich kann in dem ersten Messsmodus auch die Rauheit ermittelt werden.
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Sofern ausschließlich die Rauheit der Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden soll, so kann es ausreichend sein, in dem zweiten Messmodus bei relativ zu dem Gehäuse 6 entlang der Messachse 18 feststehender Tasterverstelleinheit 20 zur Ermittlung der Höheninformation ausschließlich das Tasterausgangssignal des Tasters 4 heranzuziehen. Mit anderen Worten repräsentiert in einem solchen Messmodus das Tasterausgangssignal die gewünschte Höheninformation.
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Aufgrund der Tatsache, dass in dem ersten Messmodus für die Rekonstruktion der Kontur der Oberfläche ausschließlich die lineare Bewegung des Tastkörpers 10 entlang der linearen Messachse 18, also der Verstellhub der Tasterverstelleinheit 20, maßgeblich ist, ist die Rekonstruktion auf besonders einfache Weise mit hoher Genauigkeit möglich.
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Der erfindungsgemäße Taster 4 und das erfindungsgemäße Messgerät 2 sind für vielfältige Messapplikationen geeignet.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts 2 mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tasters 4 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Tasterverstelleinheit 24 durch die Säulenverstelleinheit zur Verstellung des Grundkörpers 6 des Tasters 4 relativ zu der Messsäule 16 gebildet ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist also eine „messende z-Säule“ auf. Demgegenüber kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Tasterverstelleinheit 24 in ein Gehäuse des Tasters 4 integriert sein.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kann sich der Messbereich des Messgeräts 2 in Richtung der Messachse 18 (z-Achse) prinzipiell über die gesamte Höhe der Messsäule 16 erstrecken. Der Taster 4 kann als Rauheitstaster ausgebildet sein.
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Ein Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß 1 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 besteht darin, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die während des Messvorganges in Richtung der Messachse 18 nachzuführenden Massen geringer sind. Außerdem sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Qualitätsanforderungen an die Messsäule 16 geringer.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts 2 mit einem erfindungsgemäßen Taster 4 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle eines taktilen Tasters ein berührungslos arbeitender Taster verwendet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein optischer Taster in Form eines chromatisch-konfokalen Sensors 28 verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel realisiert ein optisches Konturmessgerät mit einem chromatisch-konfokalen Sensor. Der Messbereich des Sensors (+/-300 µm) wird zur Nachführung bzw. Nachsteuerung der Tasterverstelleinheit 20 entlang der Messachse verwendet. Hierbei ist eine optische Rauheitsmessung innerhalb eines Messbereichs von +/-300 µm ermöglicht. Eine Konturmessung ist im Rahmen des maximalen Verstellhubs der Tasterverstelleinheit 20 möglich.
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In 4 ist in Form einer Prinzipskizze eine beispielhafte Messapplikation dargestellt, bei der ein Außengewinde vermessen wird. Dabei ist in 4 links das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Tasters dargestellt, während in 4 rechts das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Tasters dargestellt ist, das auf einer Winkelmessung beruht. Es ist ersichtlich, dass bei einem herkömmlichen Taster die aus der Winkelauslenkung resultierende Tastarmneigung dazu führt, dass steile Flanken am Werkstück nicht gemessen werden können. Demgegenüber bleibt bei dem erfindungsgemäßen Funktionsprinzip der Tastarm 8 während des Messvorganges in einer waagerechten Position, so dass Einschränkungen entfallen, die sich aus einer Neigung des Tastarmes 8 ergeben. Der erfindungsgemäße Taster 4 ist damit auch zur Vermessung von Werkstücken mit einer Kontur geeignet, die sich mit einem herkömmlichen Taster nicht vermessen lässt.
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In 5 ist in gleicher Darstellung wie 4 eine weitere beispielhafte Messapplikation veranschaulicht, bei der ein Innengewinde vermessen wird. Bei Verwendung eines herkömmlichen Tasters (rechts in 5) führt die Neigung des Tastarmes 8 während des Messvorganges zu einer Begrenzung der möglichen zu vermessenden Bohrungstiefe. In Abhängigkeit von der Länge des Tastarmes 8 sowie der Tiefe und dem Durchmesser der Bohrung kommt der Tastarm 8 schnell mit der Werkstückkante in Berührung. Dies begrenzt die Anwendungsmöglichkeiten in weitgehendem Maße. Wie in 5 links veranschaulicht, entfallen entsprechende Einschränkungen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Tasters 4.
