DE19717973A1 - Taster zur Längenmessung, insbesondere zur Abtastung der Kontur einer Oberfläche, und zur Erzeugung einer entsprechenden elektrischen Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Taster der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Längenmes­ sung, insbesondere zur Abtastung der Kontur einer Oberfläche.

Durch das Oberflächenmeßgerät "HOMMEL TESTER T20" der Firma Hommelwerke GmbH in 78056 VS-Schwenningen ist es bekannt, einen Taster zur Abtastung einer Oberfläche lösbar über eine Kabel/Steckverbindung mit einer Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der von dem Taster gewonnenen Meßspannung zu verbinden. Dabei sind mit dem Taster fest Mittel zur Speicherung einer tastereigentümlichen Information verbunden. Die ta­ stereigentümliche Information betrifft den von dem Taster erfaßbaren Meßbereich und wird dadurch dar­ gestellt, daß in den zu dem Tastsystem führenden Wechselstromleitungen ein Kondensator angeordnet ist. Dieser beeinflußt den durchfließenden Wechselstrom und damit die Messung selbst nicht. In der Verarbei­ tungseinheit sind Mittel vorgesehen, die den Gleich­ stromdurchgang prüfen und bei Gleichstromdurchgang die Verarbeitungseinheit auf einen dadurch bestimmten Meßbereich und dann, wenn kein Gleichstromdurchgang vorliegt, auf einen anderen Meßbereich einstellen. Auf diese Weise bleibt es der Bedienungsperson er­ spart, bei Tasterwechsel jeweils die Verarbeitungs­ einheit auf den dem angeschalteten Taster zugeordne­ ten Meßbereich einzustellen. Fehlmessungen können dadurch nicht auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster der betreffenden Art zu schaffen, bei dem der Umfang der Speicherung und Abtastung tastereigentüm­ licher Information wesentlich erweitert ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, dem Taster einen digitalen Speicher zuzuordnen, der eine große Menge digitaler Informationen über den Taster enthalten kann und der nicht nur eine Ja/Nein-Abfrage wie beim Stand der Technik ermöglicht, sondern den Abruf wesentlich komplizierterer Informationen, bei­ spielsweise über eine Korrekturkurve für den jeweili­ gen Taster, und dergleichen mehr. Wird der erfin­ dungsgemäß mit einem digitalen Speicher versehene Taster an die Verarbeitungseinheit angeschlossen, so werden von dieser die tastereigentümlichen Informa­ tionen ausgelesen, so daß später von der Be­ arbeitungseinheit die bereits korrigierten Meßwerte angezeigt und gegebenenfalls aufgezeichnet werden.

Darüber hinaus ist es möglich, in dem digitalen Speicher eine Information über die jeweils zurückge­ legte Meßstrecke zu speichern. Mit zunehmender Meß­ strecke, also der Strecke, die die Tastspitze auf einer Meßoberfläche zurückgelegt hat, ergibt sich ein Verschleiß, der die Meßgenauigkeit verringert. Des­ halb ist es zweckmäßig, nach einer vorgegebenen Meß­ strecke den Taster zu überholen, beispielsweise durch Austausch der abgenutzten Diamanttastspitze, zu rei­ nigen oder neu zu kalibrieren. Durch die jeweils in dem Taster gespeicherte Information über die Meß­ strecke ist es möglich, ein Warnsignal in der Ver­ arbeitungseinheit anzusteuern, um so den Benutzer darauf hinzuweisen, daß eine Wartung erfolgen sollte.

Grundsätzlich kann der digitale Speicher jede beliebige Form haben. Es kann sich um einen elektri­ schen oder optischen Barcode handeln. Ein solcher Code erfordert jedoch besondere Maßnahmen bei der Abfrage. Zweckmäßiger ist die Verwendung eines nicht flüchtigen Schreib- und Lesespeichers, in dem die eingespeicherten Informationen geändert oder korri­ giert werden können. Es ist auch zweckmäßig, daß der digitale Speicher ein serieller Speicher ist.

Die Mittel zur lösbaren Verbindung können in ein­ facher Weise durch eine Steckverbindung gebildet sein. Zwischen dem Taster und der Steckverbindung ist zweckmäßigerweise ein Kabel angeordnet, das es er­ möglicht, den Taster in an sich bekannter Weise un­ abhängig von der Verarbeitungseinheit in beliebige Meßpositionen zu bringen.

Der Speicher ist zweckmäßigerweise an den Leitun­ gen zwischen den Mitteln zur lösbaren Verbindung des Tasters mit der Verarbeitungseinheit und dem Taster angeschlossen, wobei Trennmittel vorgesehen sind, durch die Anschlüsse des Speichers elektrisch von den Anschlüssen zu dem Taster trennbar sind. Diese Aus­ führungsform hat den Vorteil, daß der Speicher nicht ständig angeschlossen sein muß. Dabei ist es beson­ ders zweckmäßig, daß die Trennmittel die Anschlüsse des Speichers und des Tasters zeitlich voneinander trennen. Das bedeutet, daß die Meßinformation von der tastereigentümlichen Information zeitlich getrennt wird, so daß eine gegenseitige Beeinflussung oder Störungen ausgeschlossen sind. Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn die Trennmittel die Leitungen zu­ nächst mit den Anschlüssen des Speichers und danach mit den Anschlüssen des Tasters verbinden. Das bedeu­ tet, daß zeitlich zunächst immer die tastereigentüm­ liche Information abgefragt und in die Verarbeitungs­ einheit übertragen wird, wonach dann der Speicher abgeschaltet und der Anschluß zu dem Taster herge­ stellt wird.

Zwischen dem Speicher und den Anschlüssen für den Taster kann in zweckmäßigerweise ein Signalwandler angeordnet sein, der bei Ausbildung des Speichers als Lesespeicher die Speichersignale in Wechselspannungs­ signale umwandelt und bei Ausbildung des Speichers als Schreibspeicher Wechselspannungssignale in die Speichersignale umwandelt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In einem als Block dargestellten Meßtaster 2 ist ein serieller, nicht flüchtiger und wiederbeschreib­ barer Datenspeicher 4 eingebaut, in den die individu­ ellen Kennliniendaten des Meßtasters 2 abgespeichert werden können. In dem Datenspeicher 4 können außerdem zusätzlich Informationen über den Tastertyp und die aktuellen Betriebsdaten des Meßtasters 2 abgelegt werden, was sowohl eine automatische Tastertypener­ kennung als auch die automatische Ankündigung von eventuell fälligen Wartungsintervallen durch ein als Block dargestelltes Grundgerät 6 ermöglicht. In dem Grundgerät 6 befindet sich ein Oszillator 8 zur Er­ zeugung einer Wechselspannung, die über einen Trans­ formator 10, Leitungen 12 sowie Umschalter 14 und 16 an zwei in Serie geschaltete Spulen 18 und 20 ge­ langt, in denen sich in bekannter Weise differentiell ein Eisenkern bewegt, der mit einer nicht dargestell­ ten Tastspitze verbunden ist. Die Bewegung der Tastspitze verursacht eine entsprechende Bewegung des Eisenkerns. Die Induktivitäten der Spulen 18 und 20 werden dabei gegensinnig vergrößert bzw. verklein­ ert. Das Teilerverhältnis des aus den Spulen 18 und 20 gebildeten Spannungsteilers variiert entsprechend. Die Amplitude der Wechselspannung am Mittelabgriff zwischen den Spulen 18 und 20 ändert sich somit weitgehend proportional zur mechanischen Auslenkung der Tastspitze. Ein Mittelabgriff zwischen den Spulen 18 und 20 ist über ein Potentiometer 24 mit einem Mittelabgriff 26 der Sekundärspule des Transformators 10 verbunden. Zum Abgleich der Spulen 18 und 20 ist ein Schleifer 28 über eine Leitung 30 mit einem Aus­ wertegerät 32 verbunden.

Die Versorgungsspannung für die Spulen 18 und 20 gelangt über Leitung 34 und einen Gleichrichter 36 sowie über eine Leitung 38 an den Speicher 4, wobei die an dem Speicher 4 anliegende Spannung durch einen Kondensator 40 geglättet wird.

In dem Taster 2 ist auch eine Abhebespule 42 ei­ nes nicht dargestellten Elektromagneten vorgesehen, der zum Abheben des Tastarmes oder der Tastspitze dient und über Leitungen 44 und 46 mit Spannung ver­ sorgt wird, wobei die Speisespannung in die Leitung 44 von einer Klemme 48 her über einen Halbleiter­ schalter 50 eingespeist wird, der genauso wie die als Halbleiterschalter ausgebildeten Umschalter 14 und 16 durch eine gemeinsame Steuerleitung 52 gesteuert wird. Die Steuerspannung auf Leitung 52 steuert auch einen Halbleiterschalter 54, mit dem die Leitung 46 mit einer Masseleitung 56 verbindbar ist. Eine Daten­ verarbeitungseinheit 58 ist über eine Leitung 60 un­ mittelbar mit der Leitung 44 und außerdem unmittelbar mit der Leitung 46 zu der Abhebespule 42 verbunden, um es ihr so zu ermöglichen, Daten aus dem Speicher 4 über Leitungen zu erhalten. Die Leitungen 44 und 46 dienen also sowohl zur Speisung der Abhebespule 42 als auch zur Übertragung von Informationen von dem Speicher 4 zu der Verarbeitungseinheit 58. Um diese Übertragung nicht zu stören, ist in der Leitung 44 zu der Abhebespule 42 ein Halbleiterschalter 66 angeord­ net, der über eine Leitung 68 mit der Versorgungs­ spannung für den Speicher 4 verbunden ist. Der Halb­ leiterschalter 66 ist offen, wenn die Speisespannung an dem Speicher 4 anliegt.

Ein Oszillator 70 erzeugt eine Wechselspannung, die über eine Leitung 72, Umschalter 14, Leitung 34 und Diode 36 als Versorgungsspannung an den Speicher 4 gelangt.

In einem Block 74 sind die darin dargestellten Bauelemente zusammengefaßt. In den Leitungen zwischen dem Meßtaster 2 und dem Block 74 sind Steckverbindun­ gen 27, 31, 35, 39, 45 und 47 angeordnet, mittels derer beliebige Taster 2 anschließbar sind. Die Da­ tenverarbeitungseinheit 58 ist über einen Datenbus 76 mit dem Auswertegerät 32 verbunden.

Die dargestellte Schaltung besitzt zwei Betriebs­ zustände, deren Umschaltung durch die Steuerleitung 52 bewirkt wird. Der eine Betriebszustand ist der Speicherbetrieb, der andere Betriebszustand ist der Meßbetrieb. Diese beiden Betriebszustände werden nachfolgend erläutert.

Speicherbetrieb

In dieser Betriebsart können die Daten zwischen Datenspeicher 4 und Grundgerät 6 in beide Richtungen ausgetauscht werden. Leitung 64 vom Speicher 2 dient zur Synchronisation der Datenübertragung und ist über Leitung 44 mit der Datenverarbeitungseinheit 58 ver­ bunden, welche einen Synchronisationstakt von ca. 100 kHz erzeugt, mit dessen Hilfe Daten über die an der Leitung 15 angeschlossene bi-direktionale Leitung 62 zwischen Speicher 4 und Datenverarbeitungseinheit 58 ausgetauscht werden. Damit zwischen Meßtaster 2 und Block 74 keine zusätzlichen Verbindungsleitungen not­ wendig sind, werden die Leitungen 44 und 46 sowohl zur Stromversorgung der Abhebespule 42 als auch zur Datenübertragung zwischen dem Speicher 4 und der Da­ tenverarbeitungseinheit 58 verwendet.

Damit die Leitungen 14 und 15 als Datenleitungen dienen können, müssen sie von der Klemme 48, also der Abhebespeisespannung für die Abhebespule 42, sowie von der Masseleitung 56 mit Hilfe der Halbleiter­ schalter 50, 54 abgetrennt werden. Das öffnen der Halbleiterschalter 50 und 54 erfolgt unmittelbar vor dem Datenaustausch von der Datenverarbeitungseinheit 58 über die Steuerleitung 52. Damit schalten aber die an derselben Steuerleitung 52 wie die Halbleiter­ schalter 50, 54 angeschlossenen Umschalter 14, 16 eine von dem Oszillator 70 erzeugte Rechteckspannung auf die Leitungen 34, 38. Die Rechteckspannung wird mit Hilfe des Gleichrichters 36 gleichgerichtet und mit dem Kondensator 40 geglättet, so daß am Daten­ speicher 4 eine Gleichspannung von + 5 V entsteht, die einerseits als Versorgungsspannung für den Spei­ cher 4 dient und andererseits dafür sorgt, daß der über die Leitung 16 gesteuerte Halbleiterschalter 66 geöffnet wird, so daß sich die als Datenleitungen arbeitenden Leitungen 44 und 46 nicht gegenseitig beeinflussen können.

Die Versorgung des Speichers 4 erfolgt nicht un­ mittelbar von einer Gleichspannungsquelle her, son­ dern durch den Oszillator 70, dessen Wechselspannung gleichgerichtet wird. Diese Art der Spannungsversor­ gung ermöglicht es, für den Speicher 4 und die Spulen 18 und 20 des Tasters zu verwenden, ohne daß dabei ein zusätzlicher Wechselstromschalter zur Trennung der Spulen 18 und 20 notwendig ist. Die vom Oszilla­ tor 70 erzeugte Wechselspannung hat eine Frequenz deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz des Tasters und enthält keinen Gleichstromanteil, so daß ihr arithmetischer Mittelwert 0 ist. Aufgrund dieser Be­ dingungen ist ein Auslenken des Tastarmes durch das durch die Spulen 18 und 20 des Tasters erzeugte ma­ gnetische Kraftfeld zuverlässig ausgeschlossen.

Nach der Übermittlung von tastereigentümlichen Informationen, z. B. Kenn- und Betriebsdaten, vom Speicher 4 zu der Datenverarbeitungseinheit 58 werden diese von dort über den seriellen Datenbus 76 an das Auswertegerät 32 übertragen. Das Auswertegerät 32 verknüpft die so erhaltenen Korrektur- und Einstell­ daten mit den durch den nachfolgenden Meßbetrieb er­ haltenen Meßdaten. Dadurch ergeben sich die korri­ gierten Meßdaten, die in Bezug zu den ursprünglichen Meßdaten eine höhere Genauigkeit aufweisen.

Meßbetrieb

Während des Meßbetriebes werden Meßdaten durch Abtastung der Oberfläche eines Werkstückes durch den Meßtaster 2 gewonnen. Hierzu werden die Umschalter 14, 16 mittels der Steuerleitung 52 so geschaltet, daß die Leitungen 34, 38 mit den Leitungen 12 verbun­ den sind. Dadurch gelangt die von dem Oszillator 8 erzeugte Spannung über den Transformator 10 zu den Spulen 18 und 20 des Tasters. Diese Spulen 18, 20 modulieren die Speisespannung in Abhängigkeit von der Auslenkung des Tasters. Das so erzeugte Meßsignal gelangt über Leitung 30 zu dem Auswertegerät 32, in dem das Meßsignal digitalisiert und in der oben ange­ gebenen Weise mit den vom Speicher 4 abgerufenen Kor­ rekturdaten verknüpft wird.

Bei der Messung wird der Taster 2 zum Zwecke der Abtastung der Oberflächenkontur eines Werkstückes über die Oberfläche bewegt, wobei die Tastspitze auf der Oberfläche aufruht und sich entsprechend der Kon­ tur der Oberfläche auf- und abbewegt. Bei bestimmten Vorschubbewegungen, beispielsweise bei der Rückfüh­ rung in die Ausgangsstellung, ist es zweckmäßig, die Tastspitze von der Oberfläche abzuheben. Zu diesem Zwecke wird die Abhebespule 42 über die beiden Halb­ leiterschalter 50 und 54, gesteuert über die Steuer­ leitung 52, mit Strom versorgt, wobei die Steuerung durch die Datenverarbeitungseinheit 58 erfolgt. Somit kann die Speisespannung über den geschlossenen Halb­ leiterschalter 66 an die Abhebespule 42 gelangen, die so den Tastarm abhebt. Aufgrund der geringen Speise­ spannung (ca. 1 Veff) und dem zusätzlichen Spannungs­ abfall in dem Gleichrichter 36 ist die Spannung auf der Leitung 68 nahezu Null. Dadurch ist der Schalter 66 geschlossen und somit die Abhebespule 42 an­ geschlossen.

Zeitlicher Ablauf

Die beiden oben erwähnten Betriebszustände Spei­ cherbetrieb und Meßbetrieb schließen einander aus, da während des Speicherbetriebes die im Meßbetrieb ein­ geschaltete Abhebespule nicht mit Strom versorgt wer­ den kann. Aufgrund dessen ergibt sich folgender Ar­ beitsablauf:

Phase 1: Erstes Einschalten des Speicherbe­ triebes: Einlesen der Kennlinien und Betriebsdaten in das Auswertegerät 32.

Phase 2: Einschalten des Meßbetriebes, Durch­ führung der Messung und Gewinnung der Meßdaten.

Phase 3: Zweites Einschalten des Speicherbe­ triebes: Zurückschreiben der aktuel­ len Betriebsdaten (z. B. zurückgelegte Wegstrecke) in den Datenspeicher 4 des Meßtasters 2.

Jeder Meßzyklus besteht aus den zuvor genannten drei Phasen, wobei die Phase 1 bei wiederholter Mes­ sung mit demselben Meßtaster 2 übersprungen werden kann. Dies setzt jedoch voraus, daß zwischen den bei­ den Zyklen kein anderer Taster angeschlossen wurde.

Claims (10)

1. Taster zur Längenmessung, insbesondere zur Abta­ stung der Kontur einer Oberfläche, und zur Erzeugung einer entsprechenden elektrischen Meßspannung, mit Mitteln zur lösbaren Verbindung des Tasters mit einer Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Meßspannung und mit fest mit dem Taster verbundenen Mitteln zur Speicherung einer tastereigentümlichen Information, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speiche­ rung der tastereigentümlichen Information einen digi­ talen Speicher (4) aufweisen.

2. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Speicher (4) ein serieller Speicher ist.

3. Taster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (4) ein NUR-Lesespeicher ist.

4. Taster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (4) ein nichtflüchtiger Schreib- und Lesespeicher ist.

5. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur lösbaren Verbindung durch eine Steckverbindung gebildet sind.

6. Taster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taster und der Steckverbindung ein Kabel angeordnet ist.

7. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher an den Leitungen zwischen den Mit­ teln zur lösbaren Verbindung des Tasters mit der Ver­ arbeitungseinheit und dem Taster angeschlossen ist und daß Trennmittel vorgesehen sind, durch die die Anschlüsse des Speichers elektrisch von den Anschlüs­ sen zu dem Taster trennbar sind.

8. Taster nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennmittel die Anschlüsse des Speichers und des Tasters zeitlich voneinander trennen.

9. Taster nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennmittel die Leitungen zunächst mit den Anschlüssen des Speichers und danach mit den An­ schlüssen des Tasters verbinden.

10. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Speicher und den Anschlüssen für den Taster ein Signalwandler angeordnet ist, der bei Aus­ bildung des Speichers als Lesespeicher die Speicher­ signale in Wechselspannungssignale umwandelt und bei Ausbildung des Speichers als Schreibspeicher Wechsel­ spannungssignale in die Speichersignale umwandelt.