DE19717973C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Längenmessung, insbesondere zur Abtastung der Kontur einer Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 genannten Art zur Längenmessung, 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. In den zu dem Tastsystem führenden Wechselstromleitungen ist ein Kondensator angeordnet. Dieser beeinflußt den durchfließenden Wechselstrom und damit die Messung selbst nicht. In der Verarbeitungseinheit sind Mittel vorgesehen, die den Gleichstromdurchgang 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 erspart, bei Tasterwechsel jeweils die Verarbeitungseinheit auf den dem angeschalteten Taster zugeordneten Meßbereich einzustellen.

Durch US 5209131 ist eine Vorrichtung zur Längenmessung bekannt, die Taster zur Erzeugung einer der abgetasteten Länge entsprechenden elektrischen Meß­ spannung aufweist, die in einem Auswertegerät ver­ arbeitet wird. Der Taster ist lösbar elektrisch mit dem Auswertegerät zur Verarbeitung der Meßspannung verbunden. Außerdem ist ein digitaler Speicher zur Speicherung von Korrekturwerten für den Taster vor­ gesehen. Der digitale Speicher ist getrennt von dem Taster in dem Auswertegerät angeordnet, und für meh­ rere verschiedene Taster sind jeweils gesonderte di­ gitale Speicher vorgesehen, die entweder durch eine Tastatur angewählt und dem jeweils im Betrieb befind­ lichen Taster zuzuordnen oder in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Taster austauschbar sind.

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die die Korrekturwerte und damit taster­ eigentümliche Informationen enthaltenden Speicher jeweils von Hand durch ein Tastenfeld zugeordnet oder die passenden Speicher mit den Korrekturwerten in das Auswertegerät eingesetzt werden müssen. Dadurch kann es zu Fehlmessungen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der betreffenden Art zu schaffen, das bzw. die einfach in der Handhabung ist und bei dem Fehlmessungen zwangsläufig ausge­ schlossen sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 2 ange­ gebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, in einen digitalen Speicher tastereigentümliche Be­ triebsdaten nach einem Meßvorgang, z. B. Korrektur­ werte oder Korrekturkurven, einzuspeichern, der fest in den Taster integriert ist, so daß er zusammen mit dem Taster eine Einheit bildet. Jeder Taster hat also seine eigenen Korrekturwerte immer bei sich, die dann bei Anschluß an das Auswertegerät abgefragt werden können. Somit können niemals Verwechslungen vorkommen, es sind überhaupt keine von Hand durchzuführenden Maßnahmen erforder­ lich, die immer mit Fehlern verbunden sein können, in­ dem Taster mit unzutreffenden Korrekturwerten verbun­ den und somit die Messungen verfälscht werden.

In dem mit dem Taster eine Einheit bildenden di­ gitalen Speicher kann insbesondere auch eine Informa­ tion über die jeweils zurückgelegte Meßstrecke bei der Abtastung der Kontur einer Oberfläche gespeichert werden.

Mit zunehmender Meßstrecke, also der Strecke, die die Tastspitze auf einer Meßoberfläche zurückgelegt hat, ergibt sich ein Verschleiß, der die Meßgenau­ igkeit verringert. Deshalb ist es zweckmäßig, nach einer vorgegebenen Meßstrecke den Taster zu überho­ len, beispielsweise durch Austausch der abgenutzten Diamanttastspitze, zu reinigen oder neu zu kalibrie­ ren. Durch die jeweils in dem Taster gespeicherte Information über die Meßstrecke ist es möglich, ein Warnsignal in der Verarbeitungseinheit anzusteuern, um so den Benutzer darauf hinzuweisen, daß eine Wartung erfolgen sollte.

Grundsätzlich kann der digitale Speicher jede beliebige Form haben. Zweckmäßig ist die Verwendung eines nicht flüchtigen Schreib- und Lese­ speichers, in dem die eingespeicherten Informationen geän­ dert oder korrigiert werden können. Es ist auch zweckmä­ ßig, daß der digitale Speicher ein serieller Speicher ist.

Die Mittel zur lösbaren Verbindung können in einfacher Weise durch eine Steckverbindung gebildet sein. Zwischen dem Taster und der Steckverbindung ist zweckmäßiger­ weise ein Kabel angeordnet, das es ermöglicht, den Taster in an sich bekannter Weise unabhängig von der Verarbeitungs­ einheit in beliebige Meßpositionen zu bringen.

Der Speicher ist zweckmäßigerweise an den Leitungen 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 Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Speicher nicht ständig angeschlossen sein muß. Dabei ist es besonders zweckmäßig, daß die Trennmittel die An­ schlüsse des Speichers und des Tasters zeitlich voneinander trennen. Das bedeutet, daß die Meßinformation von der ta­ stereigentümlichen Information zeitlich getrennt wird, so daß eine gegenseitige Beeinflussung oder Störungen ausge­ schlossen sind. Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn die Trennmittel die Leitungen zunächst mit den Anschlüssen des Speichers und danach mit den Anschlüssen des Tasters verbinden. Das bedeutet, daß zeitlich zunächst immer die ta­ stereigentümliche Information abgefragt und in die Verar­ beitungseinheit übertragen wird, wonach dann der Speicher abgeschaltet und der Anschluß zu dem Taster hergestellt wird.

Zwischen dem Speicher und den Anschlüssen für den Ta­ ster kann in zweckmäßigerweise ein Signalwandler ange­ ordnet sein, der Wechselspannungssignale in die Speichersignale um­ wandelt.

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

In einem als Block dargestellten Meßtaster 2 ist ein seri­ eller, nicht flüchtiger und wiederbeschreibbarer Datenspei­ cher 4 eingebaut, in den die individuellen Kennliniendaten des Meßtasters 2 abgespeichert werden können. In dem Da­ tenspeicher 4 können außerdem zusätzlich Informationen über den Tastertyp und die aktuellen Betriebsdaten des Meß­ tasters 2 abgelegt werden, was sowohl eine automatische Tastertypenerkennung als auch die automatische Ankündi­ gung von eventuell fälligen Wartungsintervallen durch ein als Block dargestelltes Grundgerät 6 ermöglicht. In dem Grundgerät 6 befindet sich ein Oszillator 8 zur Erzeugung einer Wechselspannung, die über einen Transformator 10, Leitungen 12 sowie Umschalter 14 und 16 an zwei in Serie geschaltete Spulen 18 und 20 gelangt, in denen sich in be­ kannter Weise differentiell ein Eisenkern bewegt, der mit ei­ ner nicht dargestellten Tastspitze verbunden ist. Die Bewe­ gung der Tastspitze verursacht eine entsprechende Bewe­ gung des Eisenkerns. Die Induktivitäten der Spulen 18 und 20 werden dabei gegensinnig vergrößert bzw. verkleinert. Das Teilerverhältnis des aus den Spulen 18 und 20 gebilde­ ten Spannungsteilers variiert entsprechend. Die Amplitude der Wechselspannung am Mittelabgriff zwischen den Spu­ len 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 Trans­ formators 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 ge­ langt über Leitung 34 und einen Gleichrichter 36 sowie über eine Leitung 38 an den Speicher 4, wobei die an dem Spei­ cher 4 anliegende Spannung durch einen Kondensator 40 geglättet wird.

In dem Taster 2 ist auch eine Abhebespule 42 eines nicht dargestellten Elektromagneten vorgesehen, der zum Abhe­ ben des Tastarmes oder der Tastspitze dient und über Leitun­ gen 44 und 46 mit Spannung versorgt wird, wobei die Spei­ sespannung in die Leitung 44 von einer Klemme 48 her über einen Halbleiterschalter 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 Datenverarbeitungs­ einheit 58 ist über eine Leitung 60 unmittelbar mit der Lei­ tung 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 Informatio­ nen 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 angeordnet, der über eine Leitung 68 mit der Versorgungsspannung für den Speicher 4 verbunden ist. Der Halbleiterschalter 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 Bauele­ mente zusammengefaßt. In den Leitungen zwischen dem Meßtaster 2 und dem Block 74 sind Steckverbindungen 27, 31, 35, 39, 45 und 47 angeordnet, mittels derer beliebige Ta­ ster 2 anschließbar sind. Die Datenverarbeitungseinheit 58 ist über einen Datenbus 76 mit dem Auswertegerät 32 ver­ bunden.

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

Speicherbetrieb

In dieser Betriebsart können die Daten zwischen Daten­ speicher 4 und Grundgerät 6 in beide Richtungen ausge­ tauscht werden. Leitung 64 vom Speicher 4 dient zur Syn­ chronisation der Datenübertragung und ist über Leitung 44 mit der Datenverarbeitungseinheit 58 verbunden, welche ei­ nen Synchronisationstakt von ca. 100 kHz erzeugt, mit des­ sen Hilfe Daten über die an der Leitung 46 angeschlossene bi-direktionale Leitung 62 zwischen Speicher 4 und Daten­ verarbeitungseinheit 58 ausgetauscht werden. Damit zwi­ schen Meßtaster 2 und Block 74 keine zusätzlichen Verbin­ dungsleitungen notwendig sind, werden die Leitungen 44 und 46 sowohl zur Stromversorgung der Abhebespule 42 als auch zur Datenübertragung zwischen dem Speicher 4 und der Datenverarbeitungseinheit 58 verwendet.

Damit die Leitungen 44 und 46 als Datenleitungen dienen können, müssen sie von der Klemme 48, also der Abhebe­ speisespannung für die Abhebespule 42, sowie von der Mas­ seleitung 56 mit Hilfe der Halbleiterschalter 50, 54 abge­ trennt werden. Das öffnen der Halbleiterschalter 50 und 54 erfolgt unmittelbar vor dem Datenaustausch von der Daten­ verarbeitungseinheit 58 über die Steuerleitung 52. Damit schalten aber die an derselben Steuerleitung 52 wie die Halbleiterschalter 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 Datenspeicher 4 eine Gleichspannung von + 5 V entsteht, die einerseits als Ver­ sorgungsspannung für den Speicher 4 dient und andererseits dafür sorgt, daß der über die Leitung 68 gesteuerte Halblei­ terschalter 66 geöffnet wird, so daß sich die als Datenleitun­ gen arbeitenden Leitungen 44 und 46 nicht gegenseitig be­ einflussen können.

Die Versorgung des Speichers 4 erfolgt nicht unmittelbar von einer Gleichspannungsquelle her, sondern durch den Oszillator 70, dessen Wechselspannung gleichgerichtet wird. Diese Art der Spannungsversorgung ermöglicht es, für den Speicher 4 und die Spulen 18 und 20 des Tasters zu ver­ wenden, ohne daß dabei ein zusätzlicher Wechselstrom­ schalter zur Trennung der Spulen 18 und 20 notwendig ist. Die vom Oszillator 70 erzeugte Wechselspannung hat eine Frequenz deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz des Ta­ sters und enthält keinen Gleichstromanteil, so daß ihr arith­ metischer Mittelwert 0 ist. Aufgrund dieser Bedingungen ist ein Auslenken des Tastarmes durch das durch die Spulen 18 und 20 des Tasters erzeugte magnetische Kraftfeld zuverläs­ sig ausgeschlossen.

Nach der Übermittlung von tastereigentümlichen Infor­ mationen, 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 erhalte­ nen Korrektur- und Einstelldaten mit den durch den nachfol­ genden Meßbetrieb erhaltenen Meßdaten. Dadurch ergeben sich die korrigierten Meßdaten, die in Bezug zu den ur­ sprünglichen Meßdaten eine höhere Genauigkeit aufweisen.

Meßbetrieb

Während des Meßbetriebes werden Meßdaten durch Ab­ tastung der Oberfläche eines Werkstückes durch den Meßta­ ster 2 gewonnen. Hierzu werden die Umschalter 14, 16 mit­ tels der Steuerleitung 52 so geschaltet, daß die Leitungen 34, 38 mit den Leitungen 12 verbunden sind. Dadurch gelangt die von dem Oszillator 8 erzeugte Spannung über den Trans­ formator 10 zu den Spulen 18 und 20 des Tasters. Diese Spulen 18, 20 modulieren die Speisespannung in Abhängig­ keit von der Auslenkung des Tasters. Das so erzeugte Meß­ signal gelangt über Leitung 30 zu dem Auswertegerät 32, in dem das Meßsignal digitalisiert und in der oben angegebe­ nen Weise mit den vom Speicher 4 abgerufenen Korrektur­ daten verknüpft wird.

Bei der Messung wird der Taster 2 zum Zwecke der Abta­ stung der Oberflächenkontur eines Werkstückes über die Oberfläche bewegt, wobei die Tastspitze auf der Oberfläche aufruht und sich entsprechend der Kontur der Oberfläche auf- und abbewegt. Bei bestimmten Vorschubbewegungen, beispielsweise bei der Rückführung in die Ausgangsstel­ lung, ist es zweckmäßig, die Tastspitze von der Oberfläche abzuheben. Zu diesem Zwecke wird die Abhebespule 42 über die beiden Halbleiterschalter 50 und 54, gesteuert über die Steuerleitung 52, mit Strom versorgt, wobei die Steue­ rung durch die Datenverarbeitungseinheit 58 erfolgt. Somit kann die Speisespannung über den geschlossenen Halblei­ terschalter 66 an die Abhebespule 42 gelangen, die so den Tastarm abhebt. Aufgrund der geringen Speisespannung (ca. 1 Veff) und dem zusätzlichen Spannungsabfall in dem Gleichrichter 36 ist die Spannung auf der Leitung 68 nahezu Null. Dadurch ist der Schalter 66 geschlossen und somit die Abhebespule 42 angeschlossen.

Zeitlicher Ablauf

Die beiden oben erwähnten Betriebszustände Speicherbetrieb und Meßbetrieb schließen einander aus, da während des Speicherbetriebes die im Meßbetrieb eingeschaltete Ab­ hebespule nicht mit Strom versorgt werden kann. Aufgrund dessen ergibt sich folgender Arbeitsablauf:

Phase 1: Erstes Einschalten des Speicherbetriebes: Einle­ sen der Kennlinien und Betriebsdaten in das Auswertegerät 32.

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

Phase 3: Zweites Einschalten des Speicherbetriebes: Zu­ rückschreiben der aktuellen Betriebsdaten (z. B. zurückge­ legte Wegstrecke) in den Datenspeicher 4 des Meßtasters 2.

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

Claims (11)

1. Verfahren zur Längenmessung, insbesondere zur Mes­ sung der Kontur einer Oberfläche, bei dem
zunächst Kennlinien und Betriebsdaten eines Meßta­ sters in eine Auswerteschaltung eingelesen werden,
bei dem dann der Meßtaster über eine zu messende Oberfläche geführt und der Kontur der Oberfläche entsprechende Daten gewonnen werden und
danach die aktuellen Betriebsdaten in einen Daten­ speicher des Meßtasters zurückgeschrieben werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Taster zur Erzeugung einer der abgetasteten Länge entsprechenden elektrischen Meßspan­ nung, mit einem Auswertegerät zur Verarbeitung der Meß­ spannung, mit Mitteln zur lösbaren elektrischen Verbin­ dung des Tasters mit dem Auswertegerät zur Verarbeitung der Meßspannung und mit einem digitalen Speicher zur Speicherung der tastereigentümlichen Kennlinien und Betriebsdaten, der fest in den Taster (2) eingebaut ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Speicher (4) und dem Auswertege­ rät (32) eine Datenverarbeitungseinheit (58) angeordnet ist, die über einen seriellen Datenbus (76) mit dem Auswertegerät (32) verbunden ist.

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

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

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur lösbaren Verbindung durch eine Steckverbindung (27, 31, 35, 39, 45, 47) gebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taster (2) und der Steckverbindung (27, 31, 35, 39, 45, 47) ein Kabel angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (4) an den Leitungen zwischen den Mit­ teln zur lösbaren Verbindung des Tasters (2) mit der Verarbeitungseinheit (58) und dem Taster (2) an­ geschlossen ist und daß Trennmittel (14, 16) vorgesehen sind, durch die die Anschlüsse des Speichers (4) elek­ trisch von den Anschlüssen zu dem Taster (2) trennbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennmittel (14, 16) die Anschlüsse des Speichers (4) und des Tasters (2) zeitlich voneinander trennen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennmittel (14, 16) die Leitungen zunächst mit den Anschlüssen des Speichers (4) und danach mit den Anschlüssen des Tasters (2) verbinden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Speicher (4) und den Anschlüssen für den Taster (2) ein Signalwandler angeordnet ist, der Wechselspannungssignale in die Speichersignale umwandelt.