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Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Messung von Werkstücken.
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Eine bekannte Sonde (GB-PS 1 445 977) enthält einen Fühler, welcher
an einer Basis befestigt ist und aus ihr hervorragt.
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Im Gebrauch ist diese Basis an einer Maschine befestigt, welche die
Sonde in drei Dimensionen gegenüber dem Werkstück bewegt und automatisch die Koordinatenstellung
jedes einzelnen Punktes des Werkstückes mißt und registriert, mit dem der Fühler
in Eingriff gebracht wird. Der Meßvorgang der Maschine wird über einen Impulssignalausgang
durch die Sonde im wesentlichen im Augenblick des Eingriffs mit dem Werkstück ausgelöst.
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Die Maschine ist darauf ausgelegt, die Sonde schnell von einem Meßpunkt
zum nächsten zu bringen, indem sie die Sonde abwechselnd mit dem Werkstück in Berührung
bringt und wieder zurückzieht.
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Da die Bewegung der Sonde im Augenblick der Berührung zwischen Fühler
und Werkstück nicht unterbrochen werden kann, ist der Fühler mit der Basis durch
eine kinematische Positionierungsvorrichtung verbunden, welche eine begrenzte Verschiebung
des Fühlers gegenüber der Basis zuläßt, so daß die Sonde den Berührungspunkt bis
zu einem begrenzten Betrag überschreiten kann. Die Überschreitung wirkt gegen eine
Feder, welche den Fühler in seine Ausgangs- oder Ruheposition zurückbringt, wenn
die Sonde vom Werkstück abgezogen wird.
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Es ist erwünscht, eine Sonde mit den folgenden Eigenschaften zu haben.
Die durch die Positionierungsvorrichtung zugelassene Verschiebung des Fühlers sollte
beträchtlich sein. Die Ruhestellung sollte zwangsläufig und genau definiert sein.
Das Signalansprechverhalten sollte schnell sein, d.h. das Signal sollte so nahe
wie möglich dem Zeitpunkt des Eingriffs mit dem Werkstück auftreten. Die Kraft,
die auf den Fühler während des Eingriffs mit dem Werkstück wirkt, sollte angemessen
niedrig sein, und das Signal sollte nicht fälschlicherweise als Folge von Momentenkräften
ausgelöst werden, die auf den Fühler oder andere Teile der Sonde wirken, während
sie von der Maschine beschleunigt oder verlangsamt werden.
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Insoweit die obengenannte Sonde ihr Signal im wesentlichen im Augenblick
des Eingriffs erzeugt, wird sie als "Berührungssonde" bezeichnet. Da diese Sonden
hohe Arbeitsgeschwindigkeiten ermöglichen, haben sie weitverbreitete Verwendung
gefunden.
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Das liegt an ihrer einfachen und robusten Konstruktion und ihrer verhältnismäßig
guten Übereinstimmung mit den obengenannten Eigenschaften, insbesondere was die
von Trägheitskräften freie Signalerzeugung betrifft. Es ist jedoch eine Aufgabe
der Erfindung, die Reaktion der Sonde auf Eingriff mit dem Werkstück im Hinblick
auf die Erreichung höherer Genauigkeitsanforderungen zu verbessern.
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Bei einer anderen bekannten Sonde (US-PS 3 945 124) umfaßt die Positionierungsvorrichtung
ein aus zwei starren, durch zwei Blattfedern verbundenen Teilen-einer Basis bzw.
einer Fühlerhalterung - hergestelltes Parallelogramm. Ein piezoelektrischer Stab,
der zwischen den beiden starren Teilen angeordnet ist, wird beim Verbiegen belastet,
wenn eine entsprechend gerichtete Kraft auf den Fühler wirkt; die Biegungsbelastung
erzeugt das Sondensignal. Die Verbindung zwischen dem Stab und der Basis wird durch
zwei dazwischen befindliche Schraubenfedern hergestellt, die während der Lageveränderung
des Fühlers bezüglich der Basis bei der genannten Überschreitung nachgeben und die
den Fühler wieder in die Ruhestellung bringen, wenn die Sonde von dem Werkstück
zurückgezogen wird. Die Federanordnung umfaßt zwei durch die entsprechenden Federn
gegeneinander gedrückte Köpfe, die jedoch durch fixierte Kugelanschläge, welche
zwischen den parallel sich gegenüberliegenden Flächen der beiden Köpfe liegen, in
Abstand gehalten sind. Der Verbiegungsstab hat ein kugelförmiges Ende, welches ebenfalls
zwischen den beiden Kopfflächen liegt. Um eine genau definierte Ruhestellung für
den Fühler sicherzustellen, darf zwischen dem kugelförmigen Ende des Stabs und den
Kopfflächen kein Spiel bestehen. Wenn eine gegebene Kraft überschritten wird, wird
jede weitere Verlagerung durch die Federung aufgenommen. Um die nötige Lageveränderung
des
Fühlers in drei Dimensionen zu ermöglichen, werden drei derartige Parallelogramme,
von denen jedes einen Verbiegungsstab und Schraubenfedern enthält, in Reihe zwischen
dem Fühler und einer Endbasis verbunden.
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Die piezoelektrischen Stäbe in der zuletzt erwähnten bekannten Sonde
haben von sich aus gute Ansprechcharakteristiken, aber es treten Schwierigkeiten
auf durch die Wechselwirkung zwischen dem kugelförmigen Ende des Stabs und den flachen
Oberflächen der Köpfe, zwischen denen dieses Ende angeordnet ist. Das Spiel zwischen
dem kugelförmigen Ende und den Köpfen ist insofern schwer zu verhindern, als die
Möglichkeit besteht, daß das kugelförmige Ende von den beiden Köpfen eingezwängt
wird; dort entsteht dann unerwünschte Reibung, wenn das kugelförmige Ende sich bei
Verbiegung des Stabs dreht. Da die Federn relativ steif sein müssen (sie müssen
steif genug sein, um nicht vor Überschreiten einer gewissen Fühlerkraft nachzugeben),
können am Kontaktpunkt zwischen dem Fühler und dem Werkstück Kräfte entstehen, die
ausreichen, unerwünschte Abweichungen eines der beiden zu verursachen. Wenn andererseits
die Federn weich genug sind, um solche Abweichungen zu vermeiden, wird die Sonde
dementsprechend eher der Erzeugung von Signalen aufgrund von Trägheitskräften unterworfen
sein. Dies rührt im wesentlichen von der Reihenanordnung der drei Positionierungsvorrichtungen
her, wobei jene Vorrichtung, die der Endbasis am nächsten gelegen ist, der Trägheit
der anderen beiden Vorrichtungen ausgesetzt ist. Die bekannte Sonde eignet sich
deshalb nicht als Berührungssonde in Maschinen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit.
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Schließlich hat die Notwendigkeit, drei der erwähnten Positionierungsvorrichtungen
mit ihren einzelnen piezoelektrischen Stäben vorzusehen, eine komplexe und teure
Anordnung zur Folge.
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Die Erfindung nach Anspruch 1 beruht auf der Erkenntnis, daß von einer
einzelnen Spannungs-Sensorvorrichtung, die direkt in die Basis oder den Fühlerhalter
eingebaut ist, ein befriedigendes
Signal erhalten werden kann.
D.h., daß das Spannungs-Sensorelement, z.B. eine piezoelektrische oder piezoresistive
Vorrichtung, einen Teil der Basis oder einen Teil des Halters bilden kann, aber
nicht beides.
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Es ist daher von den Elementen der Positioniervorrichtung, die für
die Anordnung des Halters in der Ruheposition verantwortlich sind, getrennt. Die
einzelne Spannungs-Sensorvorrichtung kann ein einzelnes Fühlelement enthalten oder
mehrere solcher Elemente, die in einer kompakten Einheit zusammengefaßt sind. Vorzugsweise
ist die Positioniervorrichtung, die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet
wird, eine kinematische Vorrichtung. Sie umfaßt nur zwei starre Teile, nämlich die
Basis und den Fühlerhalter, und die Druck-Sensorvorrichtung, welche vorzugsweise
im Fühlerhalter eingebettet ist.
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Weiter kann die Spannungs-Sensorvorrichtung mit einem elektrischen
Schaltkreis verbunden sein, welcher ein Impulssignal feststellt, wenn das Signal
eine Spitze aufweist, die eine gegebene Amplitude übersteigt. Das erfordert, daß
die Maschine genügend schnell betrieben wird, um einen Stoß zwischen dem Fühler
und dem Werkstück zu erzeugen, der stark genug ist, jene Spitze hervorzurufen. Obwohl
für solche Arbeitsvorgänge eine gewisse Stärke des Stoßes erforderlich ist, ist
sie in der Praxis klein genug, zum am Fühler und am-Werkstück keinen Schaden zu
verursachen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 einen Teil-Aufriß der Sonde und Fig. 2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II der Fig 1.
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Nach der Zeichnung ist ein Gehäuse 10 bei 11 an einer ersten Halterung
bricht dargestellt) einer Koordinatenmeßmaschine befestigt. Eine derartige Maschine
umfaßt üblicherweise drei Halterungen: eine erste Halterung, die auf einer zweiten
Halterung montiert ist und gegenüber dieser auf einer ersten Achse beweglich ist;
eine zweite Halterung, die auf einer dritten Halterung befestigt ist und ihr gegenüber
auf einer zweiten Achse beweglich ist, und eine dritte Halterung, welche an dem
Maschinenrahmen angeordnet ist und gegenüber der Maschine entlang einer dritten
Achse beweglich gelagert ist.
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Die drei Achsen sind im allgemeinen rechtwinklig zueinander angeordnet.
So kann eine Sonde, die auf der ersten Halterung angebracht ist, mit der Oberfläche
eines Werkstücks in Kontakt gebracht werden, und die Koordinaten der Kontaktstelle
können anhand der entsprechenden Stellungen der drei Halterungen bestimmt werden.
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In der Ausführungsform ist die Sonde am Gehäuse 10 auf der ersten
Halterung angebracht. Die Sonde umfaßt einen Fühler 17 mit einer Kugel 9 am einen
Ende für die Kontaktaufnahme mit dem Werkstück 18. Der Fühler 17 ist mit dem Boden
eines unteren Teils 22 des Halters 12 verschraubt. Ein oberer Teil 21 des Halters
12 ist mit einem dazwischenliegenden Spielraum 19 oberhalb des unteren Teils 22
angeordnet. Der oberste Abschnitt des Halters 12 ist allgemein dreieckig in der
Ebene der Fig. 2 und hat drei gleichwinkelig angeordnete Arme 13.
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Die Teile 21, 22 sind durch piezoelektrische Kristalle getrennt, welche
sandwichartig zwischen entsprechenden Armen der oberen und unteren Teile 21, 22
angeordnet sind, welche mit einer Schraube 23 zusammen gehalten werden. Zylindrische
Teilverlängerungen 14 der Arme 13 überlappen einen einwärts gebogenen Flansch 8
an der Öffnung des Gehäuses 10. Kugelpaare 15 auf dem Flansch bestimmen genau die
Lage der Verlängerungen 14 gegenüber dem Flansch. Zwischen dem Gehäuse und dem Halter
12 wirkt eine Druckfeder 16, um die Verlängerungen 14 normalerweise durch die Kugeln
15 gelagert zu halten, wobei die Achse 12A des Fühlers zur Bewegungsachse
der
ersten Halterung parallel läuft, auf welchem das Gehäuse 10 angebracht ist.
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Im Gebrauch verlagert die Kraft F, welche auf den Fühler durch die
Berührung mit dem Werkstück 18 wirkt, den Halter 12 aus seiner Ruheposition gegenüber
dem Gehäuse gegen die rücktreibende Kraft der Feder 16. Wenn durch Abheben vom Werkstück
die Kraft F nachläßt, wirken die Feder und die konvergierenden Oberflächen der Kugelpaare
15 dahingehend zusammen, daß der Halter 12 in die Ruhestellung zurückgebracht wird.
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Die Anwendung der Kraft F verursacht im Halter 12 eine Belastung,
die durch die drei druckempfindlichen Elemente 20, in diesem Beispiel in die Arme
13 eingebettete piezoelektrische Kristalle, abgetastet wird. Es ist keine relative
Bewegung zwischen den Teilen 21, 22 beabsichtigt, und die Schraube 23 ist vorgesehen,
um die Teile und Elemente fest zusammenzuhalten und eine Verschiebung der Elemente
zu vermeiden, während die Arbeitskräfte auf den Halter 12 wirken.
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Die Elemente selbst sind mittels Klebstoff zwischen den Teile len
21 und 22 befestigt.
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Man kann feststellen, daß die Belastung im Halter 12 aufgrund der
Kraft F eine Belastung ist, die die Arme 13, welche als Ausleger angesehen werden
können, zu biegen sucht. Dies ist der Fall, weil der Halter 12 während der Verlagerung
aus der Ruhestellung gekippt ist und die gleichmäßige Last, die die drei Arme in
der Ruhestellung haben, sich in einem oder zwei Armen konzentriert, auf denen der
Halter 12 abgestützt bleibt.
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Unabhängig von der quer zur Achse 12A verlaufenden Richtung der Kraft
F sind immer ein oder zwei Elemente 20 aufgrund einer zunehmenden Biegespannung
belastet, während die verbleibenden Elemente nicht belastet sind.
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Die Elemente 20 sind jeweils mit zwei Leitungen 24 verbunden, durch
welche die Spannungsänderungen an den Polen der Kristalle auf Verstärker 25 übertragen
werden, wobei jeder Kristall seinen eigenen Verstärker besitzt. Das Ausgangssignal
eines jeden Verstärkers wird durch eine entsprechende Triggerschaltung 26 geleitet,
welche ein Impulssignal erzeugt, wenn die momentane Spannung einen gegebenen Schwellenwert
übersteigt. Die Ausgänge der Triggerschaltungen werden in einem ODER-Gatter 27 zusariuriengefaßt,
dessen Ausgang 28 somit aktiviert ist, falls irgendeines der Elemente 20 einem den
Schwellenwert übersteigenden Spannungspegel ausgesetzt ist. Der Ausgang 28 kann
mit elektronischen Zählern verbunden sein, die zweckmäßigerweise mit entsprechenden
Digitalanzeigen quantitativ die jeweiligen Stellungen der der Halterungen anzeigen.
Der Ausgang 28 unterbricht die Zähler, so daß sie im Augenblick des Kontakts zwischen
Fühler und Werkstück stoppen und nicht durch den unvermeidlichen Überlauf der Halterungen
beeinflußt werden, welcher durch die Verlagerung des Halters 12 in dem Gehäuse 10
ermöglicht wird.
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Obwohl es wie angegeben zwischen den Teilen 21, 22 keine Bewegung
gibt, verändert sich trotzdem die Spannung zwischen ihnen. Die Schraube 23 setzt
die Teile 21, 22 einer anfänglichen Spannung aus, die eine anfängliche elastische
Verformung erzeugt, welche gleichartige Belastungen auf die Kristalle ausübt. Wenn
die Kraft F angelegt wird, verändern sich die Spannungsform, und dementsprechend
der Druck auf das Element 20 verändert sich. Diese Änderung läßt das elektrische
Ausgangssignal der Kristalle ansteigen. Wenn die Kraft axial auf den Fühler wirkt,
unterliegen die Elemente 20 einer gleichförmigen Belastungsänderung und erzeugen
dementsprechend gleichförmige Signale. Das gilt unabhängig davon, ob der Fühler
gezogen oder gedrückt wird. Daher ist die Sonde richtungsunabhängig; d.h. sie reagiert
auf alle Kräfte, gleichgültig aus welcher Richtung sie kommen.
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Die Teile 21, 22 könnten auch durch andere Vorrichtungen als eine
Schraube zusammengehalten werden. Sie könnten beispielsweise durch Kleber, wie etwa
Epoxdharzkleber, zusammengehalten werden, solange der Kontakt des Fühlers mit dem
Werkstück eine ausreichende Belastungsveränderung in einem oder mehreren der piezoelektrischen
Kristalle 20 erzeugt.
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In der beschriebenen Ausführungsform sind die Piezoelemente 20 zwischen
zwei Teilen 21, 22 der Fühlerhalterung befestigt. Wahlweise könnte das Gehäuse 10
aus zwei Teilen bestehen, und z.B. auf einer Ebene X-X getrennt und mit dazwischenliegenden
Piezoelementen zusammengehalten sein.
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