DE19941899A1 - Oberflächenabtastende Messmaschine - Google Patents

Abstract

Oberflächenabtastende Meßmaschine, deren Meßbereich unter Aufrechterhaltung der Meßkraft, Ansprechempfindlichkeit und Auflösung erweitert ist. Hierzu hat die oberflächenabtastende Meßmaschine einen Rahmen, einen Meßkopf, der schwenkbar von dem Rahmen getragen wird und an seinem einen Ende einen Fühler hat, eine Meßkraft-Steuereinrichtung zum Steuern der auf den Meßkopf wirkenden Meßkraft, einen Verschiebungsdetektor zum Ermitteln der Verschiebung des Meßkopfes, einen Meßkraftdetektor zum Ermitteln der auf den Meßkopf wirkenden Meßkraft, und einen Regler zum Vergleichen des von dem Meßkraftdetektor ermittelten Werts der Meßkraft und eines vorher eingestellten Sollwerts der Meßkraft, um die Meßkraft-Steuereinrichtung so zu steuern, daß der ermittelte Wert der Meßkraft gleich dem Sollwert der Meßkraft ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine oberflächenabtastende Meßmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine oberflächenabtastende Meßmaschine zum Messen einer Oberflächenrauheit und eines Profils eines Werkstückes durch Relativbewegung sowohl eines Fühlers als auch des Werkstücks, während der Fühler auf der Oberfläche des Werkstücks aufliegt.

Eine Meßmaschine des Fühlertyps für die Oberflächenrauheit ist bekannt als Meßmaschine für das Messen der Oberflächenrauheit eines Werkstücks.

Die Meßmaschine des Fühlertyps für die Oberflächenrauheit enthält ein Hauptgehäuse, einen von dem Hauptgehäuse schwenkbar getragenen Tastkopf, der an seinem einen Ende einen Fühler trägt, eine Vorbelastungseinrichtung zum Belasten des Fühlers des Tastkopfes, damit er die Oberfläche des Werkstücks berührt, eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Tastkopfes in eine Richtung annähernd senkrecht auf den Fühler, und einen Verschiebungssensor zum Ermitteln der Schwenkverschiebung des Tastkopfes.

Beim Messen der Oberflächenrauheit des Werkstücks wird der Tastkopf durch die Bewegungsvorrichtung entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt, während der Fühler des Tastkopfes in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks steht, und der Betrag der Schwenkverschiebung wird durch den Verschiebungssensor ermittelt. Die Oberflächenrauheit des Werkstücks kann durch den Betrag der Schwenkverschiebung und den Betrag der Bewegung des Tastkopfes erhalten werden.

Allgemein gesehen werden die folgenden Betriebsbedingungen für die Meßmaschine der Fühlertype für die Oberflächenrauheit gefordert:

Erstens, niedrige Meßkraft zum Verhüten von Kratzspuren auf der Oberfläche des Werkstücks.

Zweitens, gute Abfühleigenschaften für den Tastkopf, um die Kurvenabschnitte genau abfühlen zu können.

Drittens, hohe Auflösung zum Ermitteln sehr kleiner konkaver und konvexer Flächen auf der Oberfläche des Werkstücks.

Üblicherweise wird eine Feder für die Vorbelastungseinrichtung zum Vorbelasten des Fühlers des Tastkopfes auf der Oberfläche des Werkstücks verwendet. Um jedoch die Meßkraft gemäß der obigen ersten Bedingung zu verringern, ist die Größe der Vorbelastungseinrichtung begrenzt.

Dementsprechend muß, um die nötige Abfühlfähigkeit zu erhalten, die Größe und das Gewicht des Tastkopfes soweit wie möglich reduziert werden. Außerdem muß der Verschiebungssensor für das Ermitteln des Betrages der Schwenkverschiebung des Tastkopfes aus Sensoren ausgewählt werden, wie einem Differentialtransformator, einem Dehnungsmesser, einem kapazitiven Fühler und einem optischen Hebel, wodurch weniger Belastung für die Betätigung des Tastkopfes angewandt wird.

Normalerweise ist der Meßbereich einer Meßmaschine vom Fühlertyp für die Oberflächenrauheit etwa 1 mm. Gemäß der üblichen Anordnung ist dann, wenn der Meßbereich erweitert werden soll, eine gewisse Verschlechterung der Funktion, wie zum Beispiel eine Verschlechterung der Auflösung des Verschiebungssensors, eine Verschlechterung der Ansprechempfindlichkeit wegen der Zunahme des Gewichts des beweglichen Abschnittes und eine erhöhte Fluktuation der Meßkraft unvermeidbar, was zu einer Schwierigkeit führt, den Meßbereich zu vergrößern.

Dementsprechend kann eine übliche Oberflächenrauheits-Meßmaschine vom Fühlertyp nicht auch als Profilmeßmaschine zum Messen des Profils des Werkstücks verwendet werden. In anderen Worten, die Oberflächenrauheit des Werkstücks muß mit der Oberflächenrauheit der Meßmaschine und das Profil des Werkstücks separat mit der Profilmeßmaschine gemessen werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine oberflächenabtastende Meßmaschine zu schaffen, bei der der Meßbereich vergrößert werden kann unter Aufrechterhaltung der Meßkraft, Ansprechempfindlichkeit und Auflösung zum Ermöglichen einer Oberflächenrauheitsmessung. Eine oberflächenabtastende Meßmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Hauptgehäuse, das relativ zu einem Werkstück bewegbar ist, einen Tastkopf, der verschiebbar von dem Hauptgehäuse gehalten wird und an seinem einen Ende einen Fühler hat; eine Meßkraft-Steuereinrichtung zum Steuern der auf den Meßkopf ausgeübten Meßkraft, einen Verschiebungsdetektor zum Ermitteln der Verschiebung des Tastkopfes, einen Meßkraftdetektor zum Ermitteln der auf den Tastkopf ausgeübten Meßkraft; und einen Regler zum Vergleichen des vom Meßkraftdetektor ermittelten Wertes der Meßkraft und eines vorher eingestellten Meßkraftsollwerts, um den ermittelten Wert der Meßkraft gleich dem Sollwert der Meßkraft zu halten. Dabei kann der Tastkopf vom Hauptgehäuse linear verschiebbar oder alternativ schwenkbar getragen werden.

Gemäß der obigen Anordnung verschiebt sich, wenn das Hauptgehäuse und das Werkstück sich relativ zueinander bewegen, während der Fühler des Tastkopfes in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstückes steht, der Fühler des Tastkopfes auf der Oberfläche des Werkstücks, so daß der Tastkopf sich entsprechend der Oberflächenrauheit und dem Profilbild des Werkstücks verschiebt. Dann wird die Verschiebung durch den Verschiebungsdetektor ermittelt und die Oberflächenrauheit und das Profilbild des Werkstücks kann durch den ermittelten Wert gemessen werden.

Da in diesem Falle die Meßkraft-Steuereinheit so gesteuert ist, daß der ermittelte Meßwert der Meßkraft gleich dem vorher eingestellten Sollwert der Meßkraft ist, kann die auf den Tastkopf ausgeübte Meßkraft konstant gehalten werden (auf einem Niveau des vorher eingestellten Sollwerts der Meßkraft), und zwar innerhalb des gesamten Meßbereichs. Dementsprechend kann der Meßbereich unter Aufrechterhaltung hoher Ansprechempfindlichkeit und hoher Auflösung erweitert werden, da eine Detektiereinrichtung mit schwerem beweglichen Anteil, der große Antriebskraft für die Bewegung verlangt und hohe Auflösung in einem weiten Meßbereich aufweist, als Verschiebungsdetektor zum Ermitteln der Verschiebung des Tastkopfes verwendet werden kann. Dementsprechend kann die Oberflächenrauheit und das Profil des Werkstücks mit einer einzigen Meßmaschine gemessen werden. Obwohl irgendeine Anordnung für den Tastkopf möglich ist, enthält bei der vorliegenden Erfindung der Tastkopf vorzugsweise einen ersten Hebel, der von dem Hauptgehäuse durch eine erste Hebelschwenkachse gehalten ist, und einen zweiten Hebel, der an einer Zwischenstellung von dem ersten Hebel durch eine zweite Hebelschwenkachse koaxial mit der ersten Hebelschwenkachse gehalten ist, wobei der zweite Hebel an seinem Ende den Fühler aufweist und das hintere Ende des zweiten Hebels und der erste Hebel durch ein Verbindungselement verbunden sind.

Gemäß der obigen Anordnung wird der Schwerpunkt des zweiten Hebels durch eine Schwenkbewegung des ersten Hebels nicht bewegt, da die erste Hebel-Schwenkachse und die zweite Hebelschwenkachse koaxial angeordnet sind.

In der oben genannten Anordnung mit erstem und zweitem Hebel wird der zweite Hebel vorzugsweise durch den ersten Hebel über die zweite Hebel-Schwenkachse an einer Schwerpunktposition schwenkbar gehalten. Demgemäß wird vertikale und horizontale Vibrationsbeschleunigung vom Fußboden oder einem Zuführmechanismus nicht in eine Rotationsbewegung des zweiten Hebels umgewandelt.

Weiter kann die Meßkraft, die nur auf den zweiten Hebel aufgebracht wird, durch Verwendung eines Dehnungsmessers genau ermittelt werden, der als Verbindungselement den Meßkraftdetektor bildet. In anderen Worten, da der Dehnungsmesser nicht externe Vibrationen ermittelt, kann die Empfindlichkeit gegenüber externen Vibrationen gesenkt werden.

Obwohl jegliche Konfiguration einer Meßkraft-Steuereinrichtung möglich ist, solange sie feinfühlig die auf den Tastkopf ausgeübte Meßkraft ändern kann, enthält bei der vorliegenden Erfindung die Meßkraft-Steuereinrichtung vorzugsweise ein bewegbares Element, das an dem Hauptgehäuse verschiebbar und mit dem ersten Hebel und einem Betätiger zum Verschieben des bewegbaren Elements verbunden ist.

In der oben genannten Anordnung mit einem ersten Hebel, einem bewegbaren Element und dem Betätiger, wird ein Verbindungsglied unter Verwendung einer Blattfeder vorzugsweise für die Verbindung des ersten Hebels und des bewegbaren Elements verwendet, um die Schwenkverschiebung des ersten Hebels genau auf das bewegbare Element zu übertragen. Der Betätiger kann mit irgendeinem Signal wie Elektrizität oder Hydraulik angetrieben sein.

Der Verschiebungsdetektor hat vorzugsweise eine Maßeinteilung, die an dem bewegbaren Element angeordnet ist, und einen Detektor, der gegenüber der Maßeinteilung unter Einhaltung eines vorbestimmten Spalts dazwischen an dem Hauptgehäuse befestigt ist, so daß die Verschiebung des Tastkopfes genau ermittelt werden kann.

Ein Gewichtsausgleich zum Ausgleich wenigstens des Gewichts des bewegbaren Elements und der Maßeinteilung wird vorzugsweise in der vorliegenden Erfindung verwendet. Dementsprechend kann die Antriebskraft des Betätigers und die Wärmeerzeugung durch den Betätiger vermindert werden, da das Gewicht des bewegbaren Elements und der Maßeinteilung nicht von dem Betätiger getragen werden muß.

Der Gewichtsausgleich besteht vorzugsweise aus einem Gegengewicht mit einem Gewicht, das wenigstens dem Gewicht des bewegbaren Elements und der Maßeinteilung entspricht, wobei das Gegengewicht so ausgebildet ist, daß es in einer Richtung entgegengesetzt zur Gleitrichtung des bewegbaren Elements bewegbar ist. Dementsprechend kann die Trägheitskraft des bewegbaren Elements vernachlässigt werden, die dadurch kaum einen Einfluß nach außen hat, und auch kaum von außen her beeinflußt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Vorderansicht, die ein Ausführungsbeispiel der oberflächenabtastenden Meßmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die die innere Struktur einer Sensoreinrichtung des oben genannten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 3 ist eine Vorderansicht, die die innere Struktur der Sensoreinrichtung des oben genannten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht, die die innere Struktur der Sensoreinrichtung des vorgenannten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das einen Regler des oben genannten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 6 ist eine Darstellung, die die Verschiebung des bewegbaren Elements und eines Gegengewichts zeigt, die sich voneinander fortbewegen;

Fig. 7 ist eine Darstellung, die die Verschiebung des bewegbaren Elements und des Gegengewichts zeigt, die sich aufeinander zu bewegen;

Fig. 8 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Tastkopfes zeigt, der linear und bewegbar in einer Richtung senkrecht auf die Längsrichtung getragen ist; und

Fig. 9 ist eine Darstellung eines zweiten Hebels des oben genannten Ausführungsbeispiels, der aus zwei Elementen zusammengesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine oberflächenabtastende Meßmaschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die oberflächenabtastende Meßmaschine hat einen Tisch 2 zum Auflegen des Werkstücks 1, eine auf dem Tisch 2 angeordnete Säule 3, eine Sensoreinrichtungszuführung 4, die in vertikaler Richtung (Z-Richtung) entlang der Säule 3 anhebbar ist, und eine Sensoreinrichtung 5, die unter der Sensoreinrichtungszuführung 4 angeordnet ist und in einer Richtung (X-Richtung) senkrecht auf die Säule 3 mit Hilfe der Sensoreinrichtungszuführung 4 bewegt wird.

Wie in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, hat die Sensoreinrichtung 5 einen Rahmen 10 als Hauptgehäuse, der mit der Sensoreinrichtungszuführung 4 verbunden ist. Der Rahmen 10 hat einen Tastkopf 11 mit einem Fühler 15 an einem Ende, eine Meßkraft-Steuereinrichtung 21 zum Steuern der auf den Tastkopf 11 ausgeübten Meßkraft, einen Verschiebungsdetektor 31 zum Ermitteln der Verschiebung des Tastkopfs 11, und einen Meßkraftdetektor 41 zum Ermitteln der auf den Tastkopf 11 ausgeübten Meßkraft.

Der Tastkopf 11 hat einen ersten Hebel 13, der in vertikaler Richtung (Z-Richtung) mittels einer ersten Hebelschwenkachse 12 schwenkbar gehalten ist, und einen zweiten Hebel 16, der am vorderen Ende des ersten Hebels 13 schwenkbar in vertikaler Richtung (Z-Richtung) durch eine zweite Hebelschwenkachse 14 getragen ist und an seinem Ende den Fühler 15 aufweist.

Ein Dehnungsmesser 42, der den Meßkraftdetektor 41 darstellt und als Verbinder wirkt, ist zwischen einem hinteren Ende des zweiten Hebels 16 und etwa dem Mittelpunkt des ersten Hebels 13 angeordnet.

Um die Meßkraft genau zu ermitteln, trägt die zweite Hebelschwenkachse 14 den Schwerpunkt des zweiten Hebels 16, um zu verhüten, daß der Dehnungsmesser 42 eine Vibrationsbeschleunigung in vertikaler und horizontaler Richtung vom Fußboden und den Zuführmechanismen ermittelt, die in eine Schwenkbewegung des zweiten Hebels 16 umgewandelt wird, d. h. zum Vermindern der Empfindlichkeit gegenüber äußerer Vibration. Außerdem sind die erste Hebelschwenkachse 12 und die zweite Hebelschwenkachse 14 koaxial ausgerichtet, um den Schwerpunkt des zweiten Hebels nicht durch die Schwenkbewegung des ersten Hebels 13 zu bewegen.

Ein Dämpfer 17 ist zwischen dem ersten Hebel 13 und dem zweiten Hebel 16 angeordnet. Der Dämpfer 17 dient zum Dämpfen der Vibration des zweiten Hebels 16, und besteht aus einer Platte 17A, die ein unteres Ende hat, das an der Seite des zweiten Hebels 16 befestigt ist, und ein oberes Ende, das an der Seite des ersten Hebels 13 mit einem kleinen Spalt gegenübersteht, sowie aus einer viskosen Flüssigkeit 17B, die in dem Spalt zwischen der Platte 17A und der Seite des ersten Hebels 13 vorgesehen ist.

Die Meßkraft-Steuereinheit 21 umfaßt ein bewegbares Element 23, das über eine lineare Führung 22 gleitbar in vertikaler Richtung an dem Hauptgehäuse 10 vorgesehen ist, und einen Betätiger 24, um das bewegbare Element 23 in vertikaler Richtung (Z-Richtung) zu bewegen.

Das bewegbare Element 23 und das hintere Ende des ersten Hebels 13 sind durch ein Verbindungsglied 25 verbunden, die beide Seiten der Plattenfedern durch Platten einschließt. Der Betätiger 24 besteht aus einer Schwingspule aus einem Magneten 24A, die an dem Rahmen 10 befestigt ist, und einer Spule 24B, die an dem bewegbaren Element 23 vorgesehen ist. Gemäß der obigen Anordnung wird der erste Hebel 13, wenn sich das bewegbare Element 23 in vertikaler Richtung (Z-Richtung) bewegt, durch das Verbindungsglied 25 geschwenkt, wodurch sie synchronisierend den zweiten Hebel 16 schwenkt.

Ein Gewichtsausgleich 26 ist mit dem bewegbaren Element 23 verbunden. Der Gewichtsausgleich 26 besteht aus einem Balken 27, der durch eine Balkenschwenkachse 27A schwenkbar von dem Rahmen 10 gehalten ist, eine Verbindung 28 zum Verbinden eines Endes des Balkens 27 und des bewegbaren Elements 23 (das die gleiche Struktur wie das Verbindungsglied 25 hat) und ein Gegengewicht 29, das an dem anderen Ende des Balkens 27 vorgesehen ist. Das Gewicht des Gegengewichts 29 ist in Proportion zu dem Gewicht der bewegbaren Seitenbaugruppe gesetzt, genauer gesagt, des bewegbaren Elements 23, einer Maßeinteilung 32, des ersten Hebels 13, der Verbindungsglieder 25 und 28, usw.

Der Verschiebungsdetektor 31 hat eine Maßeinteilung 32, die an dem bewegbaren Element 23 befestigt ist, und einen Detektor 33, der an dem Rahmen 10 durch einen kleinen Spalt beabstandet von der Maßeinteilung 32 befestigt ist. Obwohl die Maßeinteilung 32 und der Detektor 33 irgendeine Detektionsform haben können, so lange der Betrag der Verschiebung des bewegbaren Elements 23 in einem weiten Bereich und mit hoher Auflösung ermittelt werden kann, kann die optische Type, die elektrische Kapazitanztype und die magnetische Type vorzugsweise verwendet werden.

Fig. 5 zeigt einen Regler 51 zum Vergleichen des ermittelten Werts der Meßkraft, der durch den Meßkraftdetektor 41 ermittelt worden ist, und des vorher eingestellten Sollwerts der Meßkraft, um die Meßkraft-Steuereinrichtung 21 so zu steuern, daß der ermittelte Wert der Meßkraft gleich dem Sollwert der Meßkraft ist.

Der Regler 51 hat einen Sollwertgeber 52 für die Meßkraft, einen Vergleicher 53 zum Vergleichen der Ausgabe eines Dehnungsmeßverstärkers (42A) (Dehnungsmesser 42A zum Verstärken des Signals des ermittelten Werts der Meßkraft, detektiert von dem Dehnungsmesser 42) und des Sollwerts der Meßkraft, der durch den Sollwertgeber 52 für die Meßkraft vorgegeben ist, einen Regelkompensator 54, und einen Treiber 55 zum Antrieb des Betätigers 24, der den Betätiger 24 derart antreibt, daß der ermittelte Wert der Meßkraft gleich dem Sollwert der Meßkraft ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.

Das Werkstück 1 ist auf dem Tisch 2 angeordnet. Nach dem Einstellen einer Höhenposition des Sensoreinrichtungszubringers 4 so daß der Fühler 15 die Oberfläche des Werkstücks 1 berührt, wird der Sensoreinrichtungszubringer 4 so angetrieben, daß er die Sensoreinrichtung 5 in X-Richtung bewegt. Dann verschiebt sich der Fühler 25 in Z-Richtung, während er die Oberfläche des Werkstückes 1 abtastet, und der zweite Hebel 16 wird um den Drehpunkt der zweiten Hebelschwenkwelle 14 geschwenkt.

Wenn der zweite Hebel 16 geschwenkt wird, wird der erste Hebel, der über den Dehnungsmesser 42 mit dem zweiten Hebel 16 verbunden ist, ebenfalls geschwenkt, und zwar um einen Drehpunkt der ersten Hebelschwenkwelle 12. Dementsprechend wird die Verschwenkung des ersten Hebels 13 auf das bewegbare Element 23 über das Verbindungsglied 25 übertragen, und die Verschiebung des bewegbaren Elements 23 wird durch den Verschiebungsdetektor 31 ermittelt. Die Oberflächenrauheit und das Profilbild des Werkstückes 1 kann durch den ermittelten Wert erhalten werden.

Inzwischen ändert sich die Ausdehnung des Dehnungsmessers 42 entsprechend einer Kontaktkraft des Fühlers 15 auf dem Werkstück 1, d. h., der Meßwert, der auf den zweiten Hebel 16 ausgeübt wird. Die Änderung (Ausgabe des Dehnungsmessers (42)) wird dem Regler über den Dehnungsmeßverstärker 42A eingegeben. Der Regler 51 vergleicht den vorher durch den Sollwertgeber 52 für die Meßkraft vorgegebenen Sollwert der Meßkraft sowie den ermittelten Wert der Meßkraft, der durch den Dehnungsmeßverstärker 42A erhalten wird, und treibt den Betätiger 24 derart an, daß der ermittelte Wert der Meßkraft gleich dem Sollwert der Meßkraft wird.

Wenn beispielsweise der ermittelte Wert der Meßkraft kleiner ist als der Sollwert der Meßkraft, wird der Betätiger 24 angetrieben, um das bewegbare Element 23 in Richtung nach oben zu bewegen, wie in Fig. 6 dargestellt. Wenn im Gegensatz dazu der ermittelte Wert der Meßkraft den Sollwert der Meßkraft übersteigt, wird der Betätiger 24 so angetrieben, daß das bewegbare Element 23 in Richtung nach unten bewegt wird, wie in Fig. 7 dargestellt. Dementsprechend wird der ermittelte Wert der Meßkraft so gesteuert, daß er im gesamten Meßbereich gleich dem Sollwert der Meßkraft ist.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die folgende Wirkung erzielt werden.

Da die auf den zweiten Hebel 16 wirkende Meßkraft gemessen und der Betätiger 24 so gesteuert wird, daß er den ermittelten Wert der Meßkraft gleich dem vorher eingestellten Sollwert der Meßkraft macht, kann die auf den zweiten Hebel 16 wirkende Meßkraft im gesamten Meßbereich immer konstant gehalten werden.

Dementsprechend kann der Meßbereich erweitert werden unter Beibehaltung hoher Ansprechempfindlichkeit und hoher Auflösung, da Detektiereinrichtungen mit einem verhältnismäßig schweren beweglichen Teil, die viel Antriebskraft für ihren Antrieb erfordern und hohe Auflösung in einem weiten Meßbereich haben, als Verschiebungsdetektor 31 für das Ermitteln der Verschiebung des zweiten Hebels 16 (Tastkopf 11) verwendet werden können.

Insbesondere kann der Meßbereich erweitert werden unter Aufrechterhaltung hoher Ansprechempfindlichkeit und hoher Auflösung, da der Verschiebungsdetektor 31 aus einem linearen Verschiebungsdetektor besteht, dessen Maßeinteilung 32 sich linear gemäß der Verschwenkung des zweiten Hebels 16 bewegt, und der Detektor 33, mit einem voreingestellten Spalt dazwischen,gegenüber angeordnet ist. Dementsprechend kann die Oberflächenrauhigkeit und das Profil des Werkstücks 1 mit einer einzigen Meßmaschine gemessen werden.

Da der Tastkopf 11 einen ersten Hebel 13 hat, der schwenkbar von dem Rahmen 10 durch die erste Hebelschwenkwelle 12 getragen ist, und der zweite Hebel 16, dessen Zwischenabschnitt von dem ersten Hebel 13 durch die zweite Hebelschwenkwelle 14 getragen ist, die koaxial mit der ersten Hebelschwenkwelle angeordnet ist, und an seinem einen Ende den Fühler hat, wobei das hintere Ende des zweiten Hebels 16 und der erste Hebel 13 über den Dehnungsmesser 42 verbunden sind, schwenkt der erste Hebel 13 durch den Dehnungsmesser 42, wenn der zweite Hebel 16 schwenkt, das Ausmaß der Verschwenkung wird dabei durch den Verschiebungsdetektor 31 ermittelt, d. h. das Ausmaß der Verschwenkung des zweiten Hebels 16, der an dem Verschiebungsdetektor 31 durch den ersten Hebel 13 übermittelt wird, wobei seine Hebelübersetzung geändert wird, was es erlaubt, die Auflösung und eine sehr genaue Detektierung zu ändern.

Zugleich werden die vertikalen und horizontalen Vibrationsbeschleunigungen vom Fußboden und vom Zuführmechanismus nicht in eine Verdrehung des zweiten Hebels 16 umgewandelt, da der zweite Hebel 16 schwenkbar an dem ersten Hebel 13 an seiner Schwerpunktposition durch die zweite Hebelschwenkwelle 14 getragen wird. Dementsprechend stellt der Dehnungsmesser 42 die externe Vibration nicht fest, was die Empfindlichkeit gegen externe Vibration vermindert.

Da außerdem die erste Hebelschwenkwelle 12 und die zweite Hebelschwenkwelle 14 koaxial angeordnet sind, wird die Schwerpunktposition des zweiten Hebels 16 durch die Schwenkbewegung des ersten Hebels 13 nicht bewegt.

Da die Meßkraft-Steuereinrichtung 21 das bewegbare Element 23 umfaßt, das mittels der linearen Führung 22 verschiebbar an dem Rahmen 10 vorgesehen und mit dem ersten Hebel 13 über das Verbindungsglied 25 und den Betätiger 24 zum Verschieben des bewegbaren Elements 23 verbunden ist, kann die Meßkraft durch den Antrieb des Betätigers 24 geändert werden, um das bewegbare Element 23 zu verschieben. Da außerdem der Betätiger 24 aus der Schwingspule besteht, die aus dem Magneten 24A und der Spule 24B zusammengesetzt ist, kann die Meßkraft mit einer einfachen Anordnung genauestens kontrolliert werden.

Da der Gewichtsausgleich 26 zum Ausgleich des Gewichts des bewegbaren Elements 23 mit der Maßeinteilung 32 vorgesehen ist, muß das Gewicht des bewegbaren Elements 23 und der Maßeinteilung 32 nicht notwendigerweise von dem Betätiger 24 getragen werden, was die Antriebskraft und die vom Betätiger 24 entwickelte Wärme reduziert.

Insbesondere kann die Trägheitskraft des bewegbaren Elements 23 usw. ausgeglichen werden, so daß sie kaum einen Einfluß nach außen ausübt und auch kaum von der Außenseite beeinflußt wird, da der Gewichtsausgleich 26 ein Gegengewicht 29 hat, dessen Gewicht dem Gewicht des bewegbaren Elements 23 und der Maßeinteilung 32 entspricht, und das Gegengewicht 29 sich in einer Richtung entgegengesetzt der Gleitrichtung des bewegbaren Elements 23 bewegt.

Im übrigen ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt die folgenden Modifikationen usw.

Obwohl der Tastkopf 11 im obigen Ausführungsbeispiel aus dem ersten Hebel 13 und dem zweiten Hebel 16 besteht, kann der Tastkopf 11 aus einem einzigen Hebel bestehen. In diesem Fall kann der Tastkopf 11 schwenkbar an seinem Schwerpunkt von dem Rahmen 10 getragen werden.

Obwohl der Tastkopf 11 von dem Rahmen 10 schwenkbar getragen wird, kann der erste Hebel 13 beispielsweise in das bewegbare Element 23 integriert sein, und der Hebel 16 (Tastkopf 11) kann in Längsrichtung der Maßeinteilung 32 bewegbar getragen werden, wie in Fig. 8 gezeigt.

Mit anderen Worten, der Hebel 16 wird von dem bewegbaren Element 23 über eine Hebelschwenkwelle 14 getragen, und der Betätiger 24 wird so angetrieben, daß der ermittelte Wert der Meßkraft, der auf den Hebel 16 (Tastkopf 11) wirkt, gleich dem Sollwert der Meßkraft ist, basierend auf der Ausgabe des Dehnungsmessers 42.

Demzufolge wird der Hebel 16 (Tastkopf 11) so gesteuert, daß während der Messung immer die gleiche Lage beibehalten wird. Dementsprechend kann der Einfluß eines Bogenfehlers in dem obigen Ausführungsbeispiel eliminiert werden, da der Hebel 16 (Tastkopf 11) bei parallelen Abtasthöhenänderungen des Werkstücks 1 sich vertikal bewegt, wenn der Fühler 15 über die Oberfläche des Werkstücks 1 bewegt wird. Weiterhin kann im obigen Fall die Anordnung einfacher als der Tragmechanismus des obigen Ausführungsbeispiels gemacht werden, da die Hebelschwenkwelle 14 unmittelbar mit dem bewegbaren Element 23 verbunden ist. Da weiterhin das Verbindungsglied 25 in dem obigen Ausführungsbeispiel nicht erforderlich ist, kann die Anzahl der Bauelemente vermindert werden, und die Meßmaschine kann billig und in kompakter Größe hergestellt werden.

Der zweite Hebel 16 in dem obigen Ausführungsbeispiel kann austauschbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann, wie in Fig. 9 gezeigt, der zweite Hebel 16 zusammengesetzt sein aus einem ersten Element 16A in Form eines Rohrs mit quadratischem Querschnitt, das schwenkbar von der zweiten Hebelschwenkwelle 14 getragen wird, einem zweiten Element 16B, das ansetzbar an das erste Element 16A ausgebildet ist und an einem Ende einen Fühler 15 hat, sowie eine Blattfeder 16C, um das zweite Element 16B an das erste Element 16A anzupressen, während das zweite Element 16B in das erste Element 16A eingesetzt wird. Dementsprechend kann die Messung durchgeführt werden unter Änderung des zweiten Elements 16B mit verschiedenen Längen, wie erforderlich.

Die Anordnung der Meßkraft-Steuervorrichtung 21, des Verschiebungsdetektors 31 und des Meßkraftdetektors 41 sind nicht auf die in obigem Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung beschränkt, sondern können anders angeordnet sein.

Beispielsweise kann die Meßkraft-Steuervorrichtung 21 ein Stellglied sein, das ein Fluid benutzt, solange die auf den Tastkopf 11 ausgeübte Meßkraft geändert werden kann. Jede Anordnung ist möglich für den Verschiebungsdetektor 31, solange eine Messung mit hoher Auflösung in einem weiten Meßbereich durchgeführt werden kann.

Der Meßkraftdetektor 41 kann eine Feder sein, deren Länge gemäß der Meßkraft sich ändert, und die Meßkraft kann durch das Ausmaß der Verformung der Feder detektiert werden.

Claims (8)

1. Oberflächenabtastende Meßmaschine, enthaltend:
ein Hauptgehäuse, das relativ zum Werkstück bewegbar ist;
einen Tastkopf, der verschiebbar vom Hauptgehäuse getragen wird und an seinem einen Ende einen Fühler aufweist;
eine Meßkraft-Steuereinrichtung zum Steuern der auf den Tastkopf ausgeübten Meßkraft;
einen Verschiebungsdetektor zum Ermitteln der Verschiebung des Tastkopfes;
einen Meßkraftdetektor zum Ermitteln der auf den Tastkopf ausgeübten Meßkraft; und
einen Regler zum Vergleichen des Werts der vom Meßkraftdetektor ermittelten Meßkraft und eines vorher eingestellten Meßkraft-Sollwerts, um den ermittelten Meßkraftwert so zu steuern, daß er gleich dem Meßkraft-Sollwert ist.

2. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach Anspruch 1, wobei der Tastkopf weiterhin einen ersten Hebel aufweist, der durch eine erste Hebelschwenkachse vom Hauptgehäuse gehalten ist, und einen zweiten Hebel, der an einer Zwischenstellung von dem ersten Hebel durch eine zweite Hebelschwenkachse koaxial zur ersten Hebelschwenkachse gehalten ist, wobei der zweite Hebel an seinem einen Ende einen Fühler aufweist und das hintere Ende des zweiten Hebels und der erste Hebel durch ein Verbindungselement miteinander verbunden sind.

3. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach Anspruch 2, wobei der zweite Hebel schwenkbar von dem ersten Hebel durch die zweite Hebelschwenkachse an der Schwerpunktposition hiervon gehalten ist.

4. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Verbindungselement ein Dehnungsmesser ist, der den Meßkraftdetektor bildet.

5. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Meßkraftregler ein bewegbares Element umfaßt, das an dem Hauptgehäuse verschiebbar vorgesehen und mit dem ersten Hebel und einem Betatiger für das Verschieben des bewegbaren Elements verbunden ist.

6. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach Anspruch 5, wobei der Verschiebungsdetektor eine Maßeinteilung hat, die an dem bewegbaren Element angeordnet ist, sowie einen Detektor, der unter Einhaltung eines vorbestimmten Spalts an dem Hauptgehäuse gegenüber der Maßeinteilung befestigt ist.

7. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Gewichtsausgleich zum Ausgleichen des Gewichts des bewegbaren Elements und der Maßeinteilung.

8. Oberflächenabtastende Meßmaschine nach Anspruch 7, wobei der Gewichtsausgleich ein Gegengewicht enthält, dessen Gewicht wenigstens dem Gewicht des bewegbaren Elements und der Maßeinteilung entspricht, wobei das Gegengewicht so ausgebildet ist, daß es in einer Richtung entgegengesetzt zur Gleitrichtung des bewegbaren Elements beweglich ist.