DE3050013C2

DE3050013C2 -

Info

Publication number: DE3050013C2
Application number: DE3050013T
Authority: DE
Inventors: Ramutis Juozo Kaunas Su Bansevicus; Vladas-Al'gis Adol'fo Gapsis; Al'binas Juozo Kasparajtis; Viktor Vladimirovic Perfilov; Al'vidas Juozo Vil'njus Su Ragauskas
Original assignee: VIL'NJUSSKIJ FILIAL EKSPERIMENTAL'NOGO NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKOGO INSTITUTA METALLOREZUSCICH STANKOV VIL'NJUS SU
Current assignee: VIL'NJUSSKIJ FILIAL EKSPERIMENTAL'NOGO NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKOGO INSTITUTA METALLOREZUSCICH STANKOV VIL'NJUS SU
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1992-07-02
Also published as: DE3050013T1; IT1133941B; US4397188A; JPS56501462A; FR2468875A1; SE8103613L; IT8025397A0; FR2468875B1; SE425437B; SU1095065A2; JPH0243121B2; WO1981001334A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektri schen Resonanz-Berührungsgeber der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 28 41 424 bekannten Art.

In Koordinatenmeßmaschinen ist der Berührungsge ber eine der wichtigsten Baugruppen, welche die Genauig keit der Maschine, ihre Vielseitigkeit und ihren Automatisierungsgrad in wesentlichem Maße bestimmen. Der Meßfehler der Berührungsgeber ist eine der bedeutendsten Fehlerursachen in der Koordinatenmeßmaschine. Bei Messung von kleinen Längen mit Hilfe von Präzisions-Koordinaten meßmaschinen wird der Fehler des Berührungsgebers dominie rend. Bekannte Berührungsgeber für automatisierte und ferngesteuerte Präzisions-Koordinatenmeßmaschinen werden den heutigen Anforderungen an Ge nauigkeit, Empfindlichkeit und Vielseitigkeit nicht gerecht. Die Mängel dieser Geber sind unge nügende Stabilität bei Fixierung des Zeitpunktes, in dem die Oberfläche des Meßobjekts in vogegebener Richtung berührt wird, ungleiche Absolutwerte der Verschiebung des Kontaktaufsatzes aus der Ausgangsstellung bis zum Ansprechen der Maschine, unbeständiger Meßdruck bei Berührung der Oberfläche von Werkstücken zur Bestimmung von Größen abweichungen in verschiedenen Richtungen sowie ungenügen de Genauigkeit der Kontaktaufsatz-Rückführung in die Ausgangs stellung nach der Signalabarbeitung.

Ein bekannter Berührungsgeber mit elektrischen Kon takten (GB-PS 14 45 977) enthält einen mit einem Kontaktaufsatz versehenen Taststift, der an einem Flansch befestigt ist. Die Flanschzentrierung im Gehäuse wird mit Hilfe von drei Rollen erreicht, die im Flansch in der zur Flansch achse senkrechten Ebene unter Winkeln von je 120° zueinan der liegen und mit drei Prismen zusammenwirken, die durch drei Paare von Stützkugeln gebildet sind. Die Kugeln be finden sich im Gebergehäuse und sind vom letzteren iso liert. Diese Stützkugeln und die den Flansch zentrieren den Rollen dienen gleichzeitig als Kontakte eines Se rienstromkreises. Bei Berührung der Meßobjektoberfläche durch den Kontaktaufsatz während der Messung verschiebt sich der Flansch relativ zum Gehäuse, wobei ein oder mehrere Kontakte des elektrischen Stromkreises getrennt werden. Die Unterbrechung des Stromkreises bestimmt den Zeitpunkt, in dem der Kontaktaufsatz die Meßobjektober fläche berührt.

Beim beschriebenen Elektrokontaktgeber wird aber der Berührungszeitpunkt nicht genau genug fixiert, wo bei in verschiedenen Meßrichtungen auch ein unterschiedlicher Meßdruck angelegt wird. Dies ist dadurch zu erklären, daß der Meßdruck die Longitudinalkraft zu überwinden hat, die den Flansch mit dem Taststift beim Zusammenfallen der Meß richtung und der Taststiftachse an das Gehäuse andrückt, oder das Moment überwinden muß, das durch dieselbe, den Flansch ans Gehäuse andrückende Kraft bei Messung der Werkstückparameter in anderen Richtungen erzeugt wird. Dieses Moment entsteht infolge der unterschiedlichen Län ge der Hebelarme, die durch den Berührungspunkt des Kon taktaufsatzes und der Meßobjektoberfläche sowie durch den An lagepunkt der Flanschandruckkraft einerseits und durch die Achse andererseits begrenzt werden, um die der Flansch bei Stromkreisunterbrechung gedreht wird.Der Meßfehler des Berührungsgebers ist durch große Gleitreibungskräfte bedingt, die an den Kugeln und Rollen während der gerin gen Flanschverschiebung in bezug auf das Gehäuse bei Kontakttrennung entstehen. Der Geber ist außerdem nur mit einem Taststift ausgestattet, weswegen die Meßgenauigkeit, die Vielseitigkeit des Gebers und die Leistungsfähigkeit der Koordinatenmeßmaschine bei Messungen an Werkstücken mit komplizierten Formen unbe friedigend bleiben. Zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises während der Messung muß eine ziemlich große Kraft angelegt werden, um den Taststift mit dem Kontakt stück zu verschieben. Dadurch ergeben sich auch wesentli che Meßfehler.

Ein weiterer bekannter piezoelektrischer Resonanz-Berührungs geber enthält ein Gehäuse mit einem piezoelektrischen Schwingungserreger und einem Kontaktaufsatz, dessen Be festigungsart einen akustischen Kontakt mit dem piezoelek trischen Schwindungserreger gewährleistet. Eine Elektro de des letzteren liegt an Masse, während an die andere Elek trode sinusförmige elektrische Signale angelegt werden.

Der piezoelektrische Schwingungserreger stellt ei nen Quarzblock mit einem daran befestigten Kontaktaufsatz und einer Elektrode dar, an die sinusförmige elektrische Signale von einem Sinusgenerator angelegt wer den. Von derselben Elektrode werden elektrische Signale abgenommen, die einem Amplitudendetektor zugeführt werden. Der Schwingungserreger und sein Kontakt aufsatz bilden ein Schwingungssystem, welches erzwun gene Schwingungen mit der Frequenz des vom Generator er zeugten Signals ausführt, wobei diese Frequenz der Reso nanzfrequenz des Schwingungssystems gleich ist. Bei freiem Geber steigt der durch ihn fließende Strom bis zu einem Maximum an. Sobald der Kontaktaufsatz das Meßobjekt berührt, wird die Güte des Schwin gungssystems und somit die Amplitude des im elektrischen Geberkreis fließenden Stromes stark herabgesetzt. Dies wird als Signal der Berührung des Meßobjektes durch den Kontaktaufsatz benutzt.

Bei diesem Berührungsgeber sind ebenfalls seine nied rige Meßgenauigkeit, beschränkte Anwendungsmöglichkeit und großer Zeitaufwand für die Messung nachteilig. Die se Mängel sind dadurch bedingt, daß der Geber nur ein Kontaktendstück besitzt. Infolgedessen muß der Geber beim Meßvorgang umgestellt werden, man ist also gezwungen, die Lage des Kontaktaufsatzes in bezug auf die Koordinaten achsen der Koordinatenmeßmaschine zu ändern. Dabei muß die neue Lage des Kontaktaufsatzes relativ zu den festen Koordinaten der Maschine präzisiert werden. Zur Berech nung der Meßergebnisse, in denen der Radius des Kon taktaufsatzes und der Verschiebungsweg seines Mittel punktes von der Ausgangsstellung bis zu seinem Ansprech punkt berücksichtigt werden müssen, muß man bei jeder Geberumstellung entsprechende Korrekturgrößen in die Rechenmaschine eingeben. Dies führt zur Änderung der La ge des Kontaktaufsatzes in bezug auf seine berechnete Stellung, d. h. zu einer schlechteren Meßgenauigkeit. Die Neujustierung der Lage des Kontaktaufsatzes und die Einführung von Korrekturgrößen in bezug auf das unbewegliche Ein stellmaß erfordern einen größeren Zeitaufwand für die Messung, verringern die Leistungsfähigkeit und verursachen bedeutende zusätzliche Fehler. Die Abhängigkeit des Ge berstromes von der Amplitudenänderung der vom Sinusge nerator erzeugten Spannung setzt die Genauigkeit und die Empfindlichkeit des Gebers herab. Dies ist dadurch bedingt, daß die Schwellenwertschaltung der Koordinaten meßmaschine auf das Ansprechen bei bedeutender Änderung der Geberstromamplitude eingestellt wird. Anderenfalls kommt es zum Fehlansprechen und zu Geberverschiebungen entsprechend dem Programm, aber ohne Berührung der Meß objektoberfläche durch den Kontaktaufsatz.

Schließlich ist bei dem aus der DE-OS 28 41 424 bekann ten piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgeber die zur Erzeu gung des Berührungsimpulses notwendige Kraft in den verschie denen Meßrichtungen unterschiedlich. Sie ist am kleinsten, wenn die Meßrichtung längs der Achse des Fühlers verläuft, da hierbei die gesamte Kraft als Schwingungswiderstand wirkt. Am größten ist die Kraft, wenn die Meßrichtung unter einem rechten Winkel zur Fühlerachse verläuft, da sie nicht als Schwingungswiderstand wirkt, sondern von ihr eine Reibungs kraft ausgeht, die kleiner ist als die sie erzeugende An druckkraft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgeber mit einem einheitlich aufgebauten Schwingungssystem in der Art eines Gehäuses und eines darin angeordneten Schwin gungserregers zu entwickeln und dadurch die Meßgenau igkeit bei Werkstückmessungen an Koordinatenmeßmaschi nen zu erhöhen, die Leistungsfähigkeit der Maschinen zu steigern und ihre vielseitige Anwendung zu ermögli chen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemä ßen piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber erfin dungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonanz-Be rührungsgebers sind Gegenstand der Patentansprüche 1 bis 10.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Resonanz-Berüh rungsgeber wird also mit einem Gehäuse in der Art eines hohlen Rotationskörpers aufgebaut, in dem ein hohles piezoelektrisches Element eingebaut wird, dessen Form der Gehäuseform entspricht. Dadurch ergibt sich die Mög lichkeit, am Gehäuse mehrere mit Kontaktstücken versehene Taststifte anzuordnen, die so gerichtet werden, daß Mes sungen an allen Oberflächen komplizierter Formteile ohne Umstellung des Gebers möglich werden. Infolgedessen wer den die Meßgenauigkeit, die Leistungsfähigkeit und die universelle Verwendung der Meßmaschine bedeutend ver bessert. Die Anordnung der Taststifte, bei der ihre Achsen in der Normalenrichtung zur Gehäuseoberfläche liegen, ergibt die höchste Empfindlichkeit an verschiedenen Punk ten der Oberfläche der Kontaktaufsätze bei Messungen in verschie denen Richtungen. Das Vorhandensein wenigstens einer zu sätzlichen, nicht an Masse liegenden Elektrode, die als Meßelektro de benutzt wird, ermöglicht die Messung der Phasenver schiebung des Signals in bezug auf die Sinusspannung, die infolge des direkten piezoelektrischen Effekts entsteht. Gleichzeitig gibt dies die Möglichkeit, gleiche Empfind lichkeit aller Kontaktaufsätze zu sichern und die Taststifte so anzuordnen, daß man die Schwingungen des piezoelektri schen Erregers senkrecht oder längs zur Taststiftachse er hält. Diese Möglichkeit gewährleistet eine hohe Genauig keit und Stabilität des Geberbetriebs.

Durch die Entwicklung des einheitlichen Schwingungs systems, das aus einem Gehäuse, einem piezoelektrischen Schwingungserreger und aus Taststiften mit Kontaktaufsätzen be steht und eine hohe Güte aufweist, ist der Aufbau eines Gebers möglich geworden, der durch hohe Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit sowie durch Funktionsstabilität aller mit Kontaktaufsätzen versehenen Taststifte gekennzeichnet ist. Der Betrieb bei der Resonanzfrequenz des Schwingungssy stems garantiert die maximale Empfindlichkeit des Gebers und somit eine hohe Meßgenauigkeit der Koordinatenmeßma schine.

Die Länge der Taststifte ist so gewählt, daß der Kon taktaufsatz in der Schwingungszone des Taststiftes mit maxi maler Amplitude liegt. Dieser Umstand trägt auch dazu bei, daß die höchste Empfindlichkeit des Gebers erreicht wird. Der Kontaktaufsatz weist eine hohe Schwingungsamplitude auf, weil der Durchmesser des Taststiftes bedeutend kleiner als der des Gebergehäuses ist. Das zusammensetzbare Gehäuse mit seinen Taststiften und Kontaktaufsätzen vereinfacht die Technologie der Geberherstellung. Bei der einteiligen Ausführung der mit Kontaktaufsätzen versehenen Taststifte und des Gehäuses erreicht man eine höhere Empfindlichkeit und Langzeitstabilität der Anzeige bei Änderungen der Um gebungsbedingungen, weil ein idealer akustischer Kontakt zwischen den Kontaktaufsätzen, Taststiften und dem Gehäuse gewährleistet wird.

Die zylindrische Gehäuseform gestattet es, die Taststifte in der zur Zylinderachse senkrechten Ebene so an zuordnen, daß ihre Achsen mit den Koordinatenachsen richtungen der Koordinatenmeßmaschine zusammenfallen. Gewöhnlich erfolgen in diesen Richtungen 70 bis 80% al ler Messungen. Bei der kugelförmigen Ausführung des Ge häuses erreicht man die höchst mögliche universelle Verwendbarkeit des Gebers durch die Wahl einer für die Lösung der jeweiligen Meßaufgabe optimalen Taststiftzahl, wobei die Taststifte z. B. längs der Koordinatenachsen der Maschine um 90° gegeneinander versetzt angeordnet wer den. Bei der kegelförmigen Ausführung des Gehäuses kann man die Taststifte in Richtungen anordnen, die mit den Koordinatenhauptebenen der Koordinatenmeßmaschine nicht zusammenfallen, wobei die Messung von Werkstücken mit komplizierten Formen möglich wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen piezo elektrischen Resonanz-Berührungsgebers anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Teilschnitt des Gehäuses und Längsschnitt der Befestigungsbaugruppe einen piezoelektrischen Resonanzgeber mit Befestigungsbaugruppe und Meßobjekt sowie Diagramme der Taststiftschwingungen,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des piezoelektri schen Resonanzgebers in Richtung der Linie II-II von Fig. 1 sowie ein Blockschaltbild mit Elektrodenanschluß,

Fig. 3 Kennlinien von Schwingungen, die im piezoelek trischen Erreger des Berührungsgebers in der zu seiner Achse senkrechten Ebene entstehen,

Fig. 4 eine isometrische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgebers mit kugel förmigem Gehäuse,

Fig. 5 den Längsschnitt einer dritten Ausführungsform des piezoelektri schen Resonanz-Berührungsgebers mit kegelförmigem Ge häuse,

Fig. 6 den Schnitt VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 Diagramme von Schwingungen die im ein heitlichen Schwingungssystem des Gebers entstehen,

Fig. 8 Amplituden-Frequenz-Kennlinien des ein heitlichen Schwingungssystems im vorgeschlagenen Geber vor der Berührung und im Zeitpunkt der Berührung des Meßobjekts und

Fig. 9 Kennlinien der Abhängigkeit der Phase des im Geber verwendeten einheitlichen Schwingungssystems von der Frequenz der vom Generator erzeugten Spannung.

Der in Fig. 1 gezeigte Resonanz-Berüh rungsgeber enthält ein Gehäuse 1, das die Form eines hohlen Rotationskörpers hat und einen mit akusti schem Kontakt befestigten piezoelektrischen Schwingungs erreger 2 umfaßt. Der Schwingungs erreger 2 ist ebenfalls hohl und entsprechend der Form des Gehäuses 1 ausgeführt. Am Gehäuse 1 sind in der betref fenden Variante fünf Taststifte 3 angeordnet, deren Ach sen in der Normalenrichtung zur Gehäuseoberfläche liegen (in Fig. 1 sind nur drei Taststifte sichtbar). An den Enden der Taststifte 3 sind Kontaktaufsätze 4 be festigt. Zur Gewährleistung des akustischen Kontaktes mit den Taststiften 3 sind die Kontaktaufsätze 4 bei dieser Auf bauvariante an die Taststifte 3 mit einem Klebstoff auf der Basis von Epoxyharz angeklebt.

Das Gehäuse 1 bildet zusammen mit dem piezoelek trischen Schwingungserreger 2, den Taststiften 3 und den Kontaktaufsätzen 4 ein einheitliches Schwingungssystem, in dem die Eigenschwingungsfrequenz des Gehäuses 1 mit den Taststiften 3 und den Kontaktaufsätzen 4 gleich der Frequenz des sinusförmigen elektrischen Signals ist, das dem Erreger 2 zugeführt wird.

Das Gebergehäuse 1 ist mit einem Flansch 5 eines Halters 6 der Befestigungsbaugruppe 7 in einer verschieb baren Traverse 8 der in Fig. 1 nicht gezeigten Koordinaten meßmaschine fest verbunden. Zur Baugruppe 7 gehört auch ein in der Traverse 8 fest eingebautes Gehäuse 9, ein am Gehäuse 9 befestigter Deckel 10 und eine im Ge häuse 9 angeordnete Feder 11. Die Baugruppe 7 ist auch zum Schutz der Taststifte 3 vor Beschädigung bei Ver messung eines zu prüfenden Werkstücks 12 bestimmt.

Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Schwingungserreger 2 befindet sich eine an Masse liegende Elek trode 13. An der Innenfläche des Er regers 2 sind eine Erregerelektrode 14 und eine Meßelektrode 15 be festigt, die 10mal kleiner als der Gehäusedurchmesser ist.

Die Erregerelektrode 14 (Fig. 2) ist an den Ausgang eines Sinusgenerators 16 angeschlossen. Die Erregerelektrode 14 besteht hier aus zwei diametral gegenüberliegenden Teilen. Die Meß elektrode 15 ist an den Signaleingang 17 eines Phasen detektors 18 angeschlossen, an dessen Steuereingang 19 der Ausgang des Sinusgenerators 16 liegt.

Von der Meßelektrode 15 wird dem Eingang 17 ein Signal zugeführt, dessen Phasenänderung in bezug auf die Phase des Sinussignals des einheitlichen Schwingungs systems den Zeitpunkt der Berührung des zu messenden Werk stücks 12 durch den Kontaktaufsatz 4 (Fig. 1) angibt.

Die Länge L jedes Taststiftes 3 ergibt sich aus der Summe (l₀+l_I), wobei l₀ der Abstand zwischen der Außen fläche des Gehäuses 1 und dem experimentell ermittelten Schwingungsknotenpunkt a des Taststiftes 3 ist. Die Schwingungskennlinie des Taststiftes 3 zeigt, daß die Schwingungsamplitude im Knotenpunkt a gleich Null ist. Den Wert l_I berechnet man aus der Beziehung

Hierbei ist
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse 1, den Taststift 3 und den Kontaktaufsätzen 4 be stehenden Systems,
n=0, 1, 2, . . .

Im Ergebnis erhält man die Länge L jedes Taststiftes 3, bei der die Kontaktstücke 4 im Maximum der Schwingungs amplitude des Taststiftes 3 liegen.

Die Taststifte 3 haben eine annähernd zylindrische Form. Der Durchmesser d jedes Taststiftes 3 berechnet man aus dem Verhältnis D/d<5 wobei D den größten Außen durchmesser des Gehäuses 1 bezeichnet. Eine bessere Empfindlich keit des Gebers ergeben dünne Taststifte 3.

Jeder Taststift 3 ist mit dem Gehäuse 1 fest ver bunden. Bei dieser Auführungsform des Gebers sind die Taststifte 3 an das Gehäuse 1 mit einem Klebestoff auf der Epoxydharzbasis angeklebt. Es ist auch eine andere Vari ante möglich, bei der jeder Taststift und das Gehäuse 1 einteilig ausgeführt werden. Bei diesem idealen akusti schen Kontakt des Gehäuses 1 mit den Taststiften 3 ergibt sich eine bessere Empfindlichkeit des Gebers.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ermittelt man die Befestigungsstellen der Taststifte 3 am Gehäuse 1 ent sprechend der Anordnung der Erregerelektrode 14 und der Meßelektrode 15. Fig. 3 zeigt Schwingungskennlinien des Erregers 2 in der zu seiner Längsach se senkrechten Ebene in Abhängigkeit von der Schwingungs amplitude des der Erregerelektrode 14 zugeführten sinus förmigen elektrischen Signals. Man erkennt, daß das Amplitudenmaximum mit der Längsachse jeder der vier Elektroden zusammenfällt. Zur Erhöhung der Geberempfind lichkeit wird deswegen jeder Taststift 3 am Gehäuse 1 im Bereich des Amplitudenmaximums des piezoelektrischen Er regers 2 befestigt. Dicke und gestrichelte Linien zeigen, welche Form der Erreger 2 bei Schwin gungen in der zu seiner Längsachse senkrechten Ebene an nimmt. In den Punkten b befinden sich "tote Zonen", in denen die Schwingungsamplitude gleich Null ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse 1 die Form eines Zylinders und trägt fünf Taststifte 3. Dabei sind vier Taststifte 3 an der Seitenfläche des Gehäuses 1 in der zur Geberlängsachse senkrechten Ebene 90° gegeneinander versetzt angeordnet, während der fünfte Taststift 3 längs der Geberachse an der Stirnfläche des Gehäuses 1 befestigt ist.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 1 kugelförmig ausgebildet und weist fünf um 90° gegeneinander versetzte Taststifte 3 auf. Vier Taststifte 3 liegen in der zur Geberachse senk rechten Ebene, während der fünfte längs dieser Achse an geordnet ist.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse 1 die Form eines Kegels, an dem sechs Taststifte 3 im glei chen Abstand von der Kegelspitze befestigt sind, wobei die Fußpunkte der Taststifte 3 in der zur Kegelachse senk rechten Ebene in gleichem Abstand voneinander liegen. Die Achsen der Taststifte 3 stehen senkrecht auf der Seitenfläche des Gehäuses 1. Dabei besteht jede Erreger- und Meßelektrode 14 bzw. 15 aus drei Teilen, die an der Innenfläche des Erregers 2 hinter einander verteilt sind. Die Fußpunkte der Taststifte 3 sind hierbei in den Abschnitten des Gehäuses 1 angeord net, die durch die Längsachsen der Elektroden geschnit ten werden. Dies ist zur Erhaltung der maximalen Empfind lichkeit der Kontaktaufsätze 4 erforderlich.

Die Taststifte 3 werden zylindrisch oder mit geringer Konizität ausgeführt. Die Form der Kontaktaufsätze 4 kann auch variiert werden: sie können kugelförmig, zylindrisch oder ringförmig ausgebildet werden.

In Fig. 7 sind Schwingungen grafisch dargestellt, die im einheitlichen Schwingungssystem entstehen, wobei auf der Abszisse die Phase ϕ und auf der Ordinate die Spannung aufgetragen sind. Die Sinuskurve U₁ kennzeichnet die Schwingungen der Spannung, die vom Ge nerator 16 der Erregerelektrode 14 zugeführt werden; die Sinuskurve U₂ zeigt die Schwingungen, die im Schwingungs system infolge des direkten piezoelektrischen Effekts entstehen; sie ist auf der Abszisse um den Winkel Δϕ₀ in bezug auf die Kurze U₁ verschoben; die Sinuskurve U₃ stellt die Schwingungen dar, die im Schwingungs system bei der Berührung des Meßobjekts 12 durch das Kontaktstück 4 entstehen, und ist längs der ϕ-Achse um den Winkel Δϕ₁ in bezug auf die Kurve U₂ verschoben. Die Linie U₄ zeigt die Spannung am Ausgang des Phasen detektors.

In Fig. 8 sind die Amplituden-Frequenz-Kennlinien des einheitlichen Schwingungssystems dargestellt. Hier bei ist die Kurve U₄ die Amplituden-Frequenz-Kennlinie des Gebers vor Berührung der Oberfläche des Meßobjekts 12; U₅ ist die Amplituden-Frequenz-Kennlinie des Gebers im Zeitpunkt der Berührung der Oberfläche des Meßobjek tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4.

Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Phase des Schwin gungssystems von der Schwingungsfrequenz, ϕ₁ stellt hierbei die Phasenänderung im Schwingungssystem in Ab hängigkeit von der Frequenz vor Berührung des Meßobjekts 12 durch den Kontaktaufsatz 4 dar, während die Kurve ϕ₂ die Phasenänderung über der Frequenz im Zeitpunkt der Be rührung der Oberfläche des Meßobjekts 12 durch den Kon taktaufsatz 4 veranschaulicht.

Der piezoelektrische Resonanz-Berührungsgeber funk tioniert wie folgt.

An die Erregerelektrode 14 (Fig. 2) wird vom Sinus generator 16 eine sinusförmige hochfrequente Wechselspannung angelegt, unter deren Wirkung der Erreger 2 quer zu seiner Längsachse mit einer Frequenz schwingt, die der Schwingungsfrequenz der sinus förmigen Spannung U₁ des Generators 16 entspricht. Die Schwingungen des Erregers 2 bewirken Schwingungen im Gehäuse 1 und in den mit den Kontaktstücken 4 versehenen Taststiften 3. Die Taststifte 3 sind senkrecht zur Achse des Gehäuses 1 angeordnet und schwingen wie in Fig. 1 dargestellt ist. In der Axialrich tung des Erregers 2 entstehen ferner Schwingungen, deren Phase um eine halbe Periode von der Schwingungsphase in der Radialrichtung abweicht.

Infolge des akustischen Kontaktes zwischen dem Schwingungserreger 2 und dem Gehäuse 1 ent stehen im letzteren auch mechanische hochfrequente Schwin gungen längs der Achse, die zum axial liegenden Taststift 3 und seinem Kontaktaufsatz 4 übertragen werden. Diese Schwingungen sind ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.

Das einheitliche Schwingungssystem, das aus dem Erreger 2, dem Gehäuse 1 und den Taststiften 3 mit Kontaktaufsätzen 4 besteht, weist eine hohe Güte auf. Die Amplituden-Frequenz-Kennlinie U₄ (Fig. 8) dieses Systems hat ein scharf ausgeprägtes Maximum U_4max bei der Frequenz f der Sinusspannung des Generators 16, die der Eigenschwingungsfrequenz f₀ der Schwingungsfrequenz entspricht. Aus diesem Grunde wird die Frequenz der vom Generator 16 gelieferten Spannung U₁ gleich der Eigenschwingungsfrequenz des Schwingungssystems eingestellt.

Die mechanischen Schwingungen, die im Schwingungs system infolge des direkten Piezoeffekts entstehen, er zeugen im Erreger 2 eine Spannung U₂ (Fig. 7). Die Frequenz dieser Spannung U₂ entspricht der Frequenz der mechanischen Schwingungen im Erreger 2 sowie der Frequenz der vom Generator 16 erzeugten sinusförmigen Spannung U₁ und ist in be zug auf die letzere um den Winkel Δϕ₁ phasenverschoben, der von den Kennwerten des Schwingungssystems abhängig ist. Von den Meßelektroden 15 (Fig. 2) wird die Spannung U₂ dem Signaleingang 17 des Phasendetektors 18 zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U₁ und U₂ (Fig. 7) zugeführt. Zum Steuereingang 19 (Fig. 2)des Phasendetektors 18 gelangt vom Generator 16 die Spannung U₁. Je nach der Phasen differenz Δϕ₀ erscheint am Ausgang des Detektors 18 die Summenspannung ±U₄ (Fig. 7). Im eingeschwungenen Zustand, wenn keine Berührung der Oberfläche des Meßobjek tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4 erfolgt, ist die Größe U₄ konstant.

Bei Berührung der Meßobjektoberfläche durch den Kon taktaufsatz 4 (Fig. 1) wird die Güte des Schwingungssystems stark herabgesetzt. Dabei verringert sich die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Systems, die Amplitude U₂ wird um die Größe ΔU kleiner und gleich U₅ (Fig. 8). Es erfolgt eine zusätzliche Pha senverschiebung der elektrischen Wechselspannung U₂ in bezug auf die Spannung U₁ um den Winkel Δϕ₁ (Fig. 7). Im Zeitpunkt der Berührung der Oberfläche des Meßobjek tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4 ändern sich stark die Amplituden-Phasen-Charakteristik und der Frequenzgang des Systems. Am Ausgang des Detektors 18 ändert sich die resultierende Spannung ±U₄ je nach der Größe von Δϕ₁. Bei Δϕ₁ gleich O Radiant wird U₄ zu +U₄, während bei Δϕ₁ gleich π U₄ den Wert -U₄ annimmt.

Die am Ausgang des Phasendetektors 18 entstehende Spannung U₃ benutzt man als Steuersignal für die in Fig. 2 nicht gezeigte Schwellenwertschaltung. Die letztere lie fert ein Kommandosignal, das auf das Ansprechen des Ge bers beim Erreichen eines bestimmten vorgegebenen Pegels der Spannung U₄ hinweist. Das Kommandosignal wird einer Rechenmaschine zugeführt, die nach einem Programm die Verschiebung des Gebers in der Koordinatenmeßmaschine zur Ermittlung der Kennwerte des Meßobjekts steuert.

Die starke Änderung der Phasenverschiebung der zu vergleichenden Spannungen bei der Verringerung der Güte des Schwingungssystems im Zeitpunkt der Berührung der Oberfläche des Meßobjektes 12 durch den Kontaktaufsatz 4 und die Tatsache, daß die dabei entstehenden Kräfte nur durch die Gleitreibung unabhängig von der Lage des Berüh rungspunktes an der Oberfläche des Kontaktaufsatzes 4 be dingt sind, ermöglichen die Messung in verschiedenen Rich tungen des Raumes mit hoher Genauigkeit. Die Meßgenauig keit wird auch dadurch erhöht, daß die Grenzen der ela stischen Verformung der Taststifte 3 bei Verschiebungen des Kontaktaufsatzes 4 während der Messung nicht überschrit ten werden und keine gegenseitige mechanische Verrückung der Geberbaugruppen erfolgt.

Die Übereinstimmung von Abmessungen des Meßobjekts und eines Vergleichsmusters wird mit Hilfe des Gebers wie folgt festgestellt. Mit einem Einstell maß, hier einer Kugel, werden die Koordinaten der Mittelpunkte der Kontaktaufsätze 4 ein mal für alle Messungen von Werkstückgrößen mit der Koor dinatenmeßmaschine präzisiert, wobei man die Korrektur größen ermittelt, in denen die Radien der Kontaktaufsätze 4 und ihr Verschiebungsweg von der Ausgangsstellung bis zum Ansprechen des Gebers berücksichtigt werden. Darauf bestimmt man mit verschiedenen Kontaktaufsätzen 4 folgerich tig die Abmessungen des Meßobjekts 12 in allen im Programm vorgesehenen Punkten, ohne der Geber neu zu justieren und umzustellen. Die Anzahl der dabei benötigten Taststifte 3 und ihre Orientierung in den Koordinatenachsen der Meß maschine werden ausgehend von der Kompliziertheit der Meß objektform vorher bestimmt. Der Geber mit kugelförmigem Gehäuse 1 (Fig. 1) wird bevorzugt für Messungen an Werkstücken benutzt, deren Kontrollpunkte in fünf Ebenen liegen. Der Berührungsgeber mit kegelförmigem Gehäuse 1 (Fig. 5) ist für Messungen an Werkstücken mit komplizier ter Konfiguration von Ebenen besser geeignet, die unter einem Winkel zu den Koordinatenebenen der Meßmaschine lie gen. Die in Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Geber funktionieren im Prinzip ähnlich.

Claims

1. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber mit einem Gehäuse (1), mit einem am Gehäuse angebrachten Taststift (3), einem Kontaktaufsatz (4) und einem piezoelektri schen Schwingungserreger (2), der den Taststift (3) in eigenfrequente Schwingungen versetzt, und mit einer Meß elektrode (15) zur Aufnahme der mechanischen Schwingun gen des Taststiftes (3), dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (1) in Form eines hohlen Rota tionskörpers ausgebildet ist, in dem der hohl ausgebil dete und der Form des Gehäuses (1) entsprechend piezo elektrische Schwingungserreger (2) das Gehäusee akustisch kontaktierend angeordnet ist, daß wenigstens ein zusätz licher Taststift (3) mit Kontaktaufsatz (4) vorgesehen ist, daß die Achsen der Taststifte (3) am Gehäuse entlang der Normalen zur Gehäusefläche hin gerichtet sind, und daß die an den Enden der Taststifte (3) unter Gewährleistung eines akustischen Kontakts angeordneten Kontaktaufsätze (4) zusammen mit den Taststiften (3) und dem piezoelektrischen Schwingungserreger (2) ein ein heitliches Schwingungssystem bilden, wobei die Eigen schwingungsfrequenz des Gehäuses (1) mit den Taststiften (3) und den Kontaktaufsätzen (4) gleich der Schwingungs frequenz des Schwingungserregers (2) ist.

2. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L jedes Taststiftes (3) durch den Ausdruck L=l₀+L_Ibestimmt ist, wobei
l₀ der Abstand zwischen der Außenfläche des Gehäuses (1) und dem Schwingungsknotenpunkt (a) des Taststiftes (3) ist, ist, worin
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes (3) bedeutet,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse (1), den Taststiften (3) und den Kontaktstücken (4) bestehen den Systems bezeichnet und
n=0, 1, 2, . . . ist.

3. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Taststift (3) eine annähernd zylindrische Form hat.

4. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch messer d jedes Taststiftes (3) durch das Verhältnis D/d<5 gegeben ist, wobei D den größten Außendurchmesser des Gehäuses (1) bezeichnet.

5. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Taststift (3) mit dem Gehäuse (1) fest verklebt ist.

6. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Taststift (3) und das Gehäuse (1) einteilig ausge führt sind.

7. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die zylindrische Form des Gehäuses (1) mit fünf daran angeordneten Taststiften (3), von denen vier Taststifte (3) an der zylin drischen Oberfläche des Gehäuses (1) in einer Ebene und unter einem gegenseitigen Winkel von 90° verteilt sind und der fünfte Taststift (3) längs der Gehäuseachse an der Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist.

8. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein kugelförmiges Gehäuse (1), an dem fünf rechtwinklig zuein ander liegende Taststifte (3) angeordnet sind, wobei vier von diesen Taststiften (3) in der zur Geberachse senkrechten Ebene liegen und ein Taststift (3) längs der Geberachse gerichtet ist.

9. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch kegelförmiges Gehäuse (1), an dem sechs Taststifte (3) in gleichem Abstand von der Kegelspitze und voneinander angeord net sind.

10. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderung des elektrischen Ausgangssignals gegen über der Phase des Sinussignals des Schwingungserregers (2) zur Erkennung des Zeitpunktes der Berührung des Meßobjekts (12) durch den Kontaktaufsatz (4) herangezogen ist.