DE3125737A1

DE3125737A1 - Werkstueck-messsonde

Info

Publication number: DE3125737A1
Application number: DE19813125737
Authority: DE
Inventors: David Roberts Wotton-Under-Edge Glos. McMurtry
Original assignee: Renishaw Electrical Ltd
Current assignee: Renishaw Electrical Ltd
Priority date: 1980-07-01
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-03-04
Also published as: GB2094478B; GB2094478A; US4443946A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Vermessung von Werkstücken. Eine bekannte derartige Sonde nach GB-PS 1 237 besitzt einen länglichen Stift oder Griffel, der durch ein festes Teil abgestützt ist, mit einem freien Ende zur Anlage an dem zu vermessenden Werkstück. Die Sonde ist dafür gedacht, daß sie an oder in einer Maschine angebracht wird, die die Sonde relativ zum Werkstück bewegen kann und die augenblickliche Lage der Sonde in drei Dimensionen relativ zu einer Bezugslage bestimmt. Um eine gegebene Oberfläche zu vermessen, bewegt die Maschine die Sonde zu dieser Fläche hin und hält die Sonde in einer vorbestimmten Lage relativ zur Bezugslage an. Gegen das Ende der Bewegung hin legt sieh das freie Ende des Stiftes an die Oberfläche an, und während der restlichen Bewegung wird der Stift ein wenig gegenüber dem festen Teil versetzt. Diese Versetzung wird durch einen Transduktor gemessen oder bestimmt, der zwischen dem Stift und dem festen Teil vorgesehen ist. Wenn beim Anhalten der Sonde das Ausgangssignal des Transduktors Null ist, ist die Lage der Fläche korrekt, d.h. sie stimmt mit der vorbestimmten Lage überein. Eine Abweichung des Transduktorsignals von Null ist ein Maß für die Größe des Lagefehlers der Oberfläche.

Um einen dreidimensionalen Betrieb zu erlauben, wird der Stift an dem festen Teil so abgestützt, daß er in Längsrichtung beweglich und nach allen Seiten schwenkbar ist. Die Schwenkbewegung tritt dann auf, wenn auf das freie Ende des Stiftes eine quer zur Längsrichtung des Stiftes ge*- richtete Kraft ausgeübt wird, während die Längsbewegung dann auftritt, wenn auf das freie Ende Kraft in Längsrichtung des Stiftes ausgeübt wird. Eine derartige Anordnung ist vom Standpunkt des mechanischen Aufbaus vorteilhaft.

Weiter besitzt die bekannte Sonde nur einen einzigen Transduktor zur Anzeige der Versetzungsgröße. Das ist deshalb von Vorteil, weil u. a. dadurch nicht zwei oder gar mehr Transduktoren (die bei solchen Sonden eingesetzt werden könnten) aufeinander abgestimmt, d.h. in ihren Ausgangs-Signalen bei gleicher Versetzung abgeglichen werden müssen. Es besteht jedoch die Schwierigkeit, daß infolge der unterschiedlichen Geometrien der Schwenk- und der Längsbewegungen eine Versetzung des freien Endes des Stiftes um einen bestimmten Abstand unterschiedliche Transduktor-Ausgangssignale bei Schwenk- oder bei Längsbewegungen ergibt. Dadurch wird es unmöglich, eine einzige Eichung, d.h. eine einzige Nullstellung, des Transduktors für Quer- und Längsversetzung zu benutzen. Bei der bekannten Sonde wird zur Umgehung dieser Schwierigkeit ein Nocken und ein Nockenfolger zwischen Stift und Transduktor vorgesehen; dadurch wird jedoch die Genauigkeit wegen der nun entstehenden Reibung und des Spiels bei solchen mechanischen Vorrichtungen stark herabgesetzt. Es ist ein Ziel, diese Genauigkeitsverminderung bei der Erfindung zu vermeiden.

Weiter unterscheidet bei der bekannten Sonde das Ausgangssignal des einzigen Transduktors nicht unter den verschiedenen Achsen des orthogonalen Koordinatensystems. Das führt nicht notwendigerweise zu Schwierigkeiten, falls die zu vermessende Oberfläche senkrecht zur Meßrichtung liegt, jedoch entstehen Schwierigkeiten, falls die Messungen an einer Stelle durchgeführt werden, an der die zu vermessende Oberfläche schräg zur Meßrichtung liegt. In diesem Fall neigt der Stift dazu, längs der schräg liegenden Fläche zu gleiten, so daß die Versetzung in der gewünschten Meßrichtung verloren geht. Damit ergibt sich das weitere wahlweise Ziel der Erfindung, auch diese Schwierigkeit oder diesen Nachteil zu überwinden.

— O ~

Erfindungsgemäß wird eine Sonde zum Vermessen von Werkstücken geschaffen, die ein bewegliches Teil mit einem länglichen Meßstift umfaßt, das an einem festen Teil so abgestützt ist, daß der Meßstift Schwenk- und Längsbewegungen durchführen kann, mit einem Transduktor zum Wandeln der durch die jeweilige Bewegung entstehenden mechanischen Größe in ein elektrisches Signal und mit einer Einrichtung die in Abhängigkeit von der jeweiligen Bewegung die Beziehung zwischen der mechanischen Eingangsgröße und dem Signal modifiziert, je nach dem, ob die Bewegung eine Schwenk- oder eine Längsbewegung ist.

Die Modifizierung der Beziehung gleicht die Unterschiede aus, die sonst infolge der unterschiedlichen Geometrien der Schwenk- und Längsbewegungen in der mechanischen Eingangsgröße auftreten, und es werden damit bei gleichen Quer- oder Längsversetzungen des freien Ende des Meßstiftes gleich große Signale erzeugt.

Ein Abschnitt des beweglichen Teils kann an einem Abschnitt des feststehenden Teiles an vier Stellen abgestützt sein,die in den vier Ecken eines Quadrates liegen, wobei das bewegliche Teil gegenüber dem feststehenden Teil um jeweils zwei benachbarte Stellen schwenkbar ist, um dadurch eine Unterscheidung zwischen Querversetzungen des freien Endes des Meßstiftes in verschiedenen Richtungen des Koordinatensystems zu ermöglichen.

Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sonden werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Sone mit schematisch angedeuteter Transduktorschaltung,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie ΙΙ-ΙΪ der Fig. 1,

Fig. 3

und - 4 jeweils Teilansichten der Sonde nach Fig. 1 bei unterschiedlicher Versetzung des Meßstiftes,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 einer abgewandelten Meßsonde, und

Fig. 6 eine Schnittdarstellung nach Line VI-VI in Fig. 5, in Pfeilrichtung gesehen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Sonde 10 besteht aus einem festen Teil oder Gehäuse 11 mit einem Zapfen 11A, der zum Einsetzen in einen Meßkopf 13 einer an sich bekannten Koordinaten-Meßeinrichtung oder- Meßmaschine bestimmt ist. Ein bewegliches Teil 12 besitzt einen an einem Ende 14A angebrachten Meßstift 14, und ein Abschnitt des beweglichen Teils besteht aus einer Platte 15, welche mit einem Abschnitt des festen Teils in Eingriff bringbar ist, welcher als Sitz 16 zum Abstützen des Meßstiftes ausgeführt ist. Der Sitz ist durch eine kreisförmige Schneidenkante 16A bestimmt, welche in einer Ebene 16B senkrecht zur Längsachse 14A des Meßstiftes liegt. Das freie Ende 14C des Meßstiftes, das von der Platte 15 abgewendet liegt, ist zur Anlage an einem Werkstück 18 bestimmt, sobald im Betrieb der Kopf 13 relativ zum Werkstück bewegt wird. Der Meßstift 14 besitzt eine Ruhestellung, in der die Platte 15 am gesamten umfang der Kreiskante 16A anliegt und die Achse 14B des Meßstiftes mit der Hauptachse 1OA der Sonde ausgerichtet ist. Der Meßstift wird axial in seine Ruhestellung durch eine Wendelfeder 25 gedrängt, welche einen Stößel 20 an einen Anschlag 15A der Platte 15 andrückt. Blattfedern 26 sind zwischen der Platte 15 und dem Gehäuse 11 angebracht und richten

den Meßstift 14 gegen eine Querversetzung zur Achse 1OA wenigstens so lange aus, wie der Meßstift sich in seiner durch die Kante 16A bestimmten Ruhelage befindet.

Bei einer in Fig. 3 dargestellten Betriebsart wird der Meßstift aus seiner Ruhelage so versetzt, daß er durch eine in Querrichtung auf das freie Ende 14C einwirkende Kraft FT um die Kante 16 geschwenkt wird, wobei die Kraft FT quer zur Längsrichtung des Meßstiftes, d.h. parallel zur Ebene 16B wirkt durch Anlage des Meßstiftes an einer Seitenfläche 18A des Werkstückes 18. Bei einer in Fig. 4 dargestellten anderen Betriebsart wird der Meßstift aus seiner Ruhestellung in Längsrichtung durch eine in Richtung der Achse 14B wirkende Kraft FL versetzt, wobei die Kraft durch Eingriff mit einer nach oben (nach Fig. 1) gerichteten Fläche 18B des Werkstücks 18 erzeugt wird. Bei dieser Betriebsart trennen sich die Abschnitt 15 und 16 voneinander. Bei beiden Betriebsarten erzeugt die Versetzung des Meßstiftes eine axiale Versetzung des Stößels 20 gegen die Kraft der Feder 25.

Wie im einzelnen später näher beschrieben wird, wird die Versetzung des Endes 14C des Meßstiftes 14 bei jeder Betriebsart durch Erfassen der entsprechenden Axialversetzung des Stößels 20 gemessen. Es ist dabei zu bemerken, daß gleich große Längs- und Querversetzungen des Endes 14C unvermeidbar unterschiedliche Axialversetzungen des Stößels 20 erzeugen. Insbesondere ergibt die Längsversetzung des Endes 14C gemäß Fig. 4 eine gleich große Axialversetzung des Stößels 20, während die Querversetzung des Endes 14C durch ein Verhältnis A/R bestimmt ist, wobei A der Abstand zwischen dem Ende 14C und der Stelle 16C an der Kante 16A bedeutet, um die der Meßstift schwenkt, während R der Radius der Kreiskante 16A ist. Das nun zu beschreibende Meßsystem

ist zum Ausgleich dieses Unterschiedes bei den beiden Betriebsarten ausgelegt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Meßsystem wird die Versetzung des Meßstiftes durch einen Transduktor 21 in ein elektrisches Analogsignal 22 gewandelt. Der Transduktor 21 umfaßt zwei Induktionsspulen 23 und 24, die den Stößel oder Kern 20 umgeben und mit zwei weiteren Induktionsspulen 28 und 29 eine Brückenschaltung 27 bilden. Die Induktivität der Spulen 23 und 24 ist in Abhängigkeit von der Bewegung des Stößels 20 veränderbar und daraus ergibt sich eine entsprechende Veränderung des Signals 22. Das Signal 22 wird über einen Gleichrichter 30 geleitet, dessen Ausgangssignal 31 über einen Spannungsteiler 32 geschickt wird, in welchem das Signal 31 modifiziert wird, je nach dem, ob der Meßstift in Querrichtung oder Längsrichtung versetzt ist. Der Spannungsteiler wird durch einen Kontakt 38 eines Relais 37 beeinflußt, und zwar in solcher Weise, daß die Spannung des Signals 31 bei geschlossenem Kontakt 38 erhöht und entsprechend bei geöffnetem Kontakt erniedrigt ist. Die Spule 39 des Relais 37 wird durch einen Kreis 40 beaufschlagt, der über die Platte 15 und den Sitz 16, welche aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, gebildet ist. Wenn die Platte 15 vom Sitz nach Fig. 4 abgehoben ist, wird der Kreis 40 unterbrochen und der Kontakt 38 geöffnet, um die Spannung des Signals 31 abzusenken. Das Meßsystem ist dann so geeicht, daß die Längsversetzung des Endes 14C erfaßt wird. Wenn jedoch das Ende 14C in Querrichtung versetzt und die Platte 15 zwar.geschwenkt, jedoch in Berührung mit der Kante 16A steht, bleibt der Kreis 40 geschlossen, dadurch wird der Kontakt 38 geschlossen und das Signal 31 besitzt einen relativ höheren Wert, der zur Eichung der entsprechenden relativ geringeren Versetzung des Stößels 20 bei dieser Betriebsart erforderlich ist. Der Spannungsteiler 32 ist zur Feineinstellung der zwei Eichgrößen einstellbar. Die

Einstellung dieses Spannungsteilers kann zur Anpassung an unterschiedlich lange Meßstifte geändert werden. Die Brückenschaltung 27 wird so eingestellt, daß das Signal 22 Null ist, sobald der Stößel 20 einen kleinen Abstand von beispielsweise 0,2 mm nach oben bewegt wurde, so daß Ablesungen zu beiden Seiten des Nullwertes erzeugt werden können.

Das Signal 31 wird einem digitalen Voltmeter 42 zugeführt, das die Meßergebnisse in entsprechenden Einheiten anzeigt und dessen Ausgang 43 mit einem numerischen Steuersystem zur Beeinflussung der Koordinatenmeßmaschine, an der die Probe angebracht ist, verbunden sein kann; derartige numerische Steuersystem sind bei der Anwendung an Meßmaschinen und Werkzeugmaschinen bekannt.

Die Bewegung des Stößels 20 bestimmt das mechanische Eingangssignal für den Transduktor 21. Das Signal 22 oder jedes davon abhängige Signal 31 oder 43 bestimmt das elektrische Ausgangssignal des Transduktors. Die Beziehung zwischen der Bewegung des Stößels 20 und dem Ausgangssignal des Transduktors bildet die Eichung dieses Transduktors. Die Veränderung der Eichung kann durch Verstellen des Spannungsteilers 32 in der beschriebenen Weise oder . der Brückenschaltung 27 oder an einer Aufnahmestelle für das Signal 22 bewirkt werden.

Bei einer abgewandelten Ausführung nach Fig. 5 und 6 besitzt die Sonde 110 ein festes Teil oder Gehäuse 111. Ein Meßstift 114 ist an einer Platte 115 befestigt, die jeweils an Ecken eines Quadrates angeordnete separate Kontakte (A, B, C, D) besitzt, welche unter Einwirkung einer Feder 125 mit einem gemeinsamen Kontakt 116 an dem Gehäuse 111 in Anlage stehen. Der Meßstift 114 ist durch Federn 126 gegen eine seitliche Versetzung vorgespannt. Das Gehäuse enthält

einen Transduktor 121, der über eine Brückenschaltung 127, einen Gleichrichter 130, einen Spannungsteiler 132,

und ein Digitalvoltmeter 142 zur Erzeugung eines Ausgangssignals 143 verbunden ist. Die bisher beschriebene Anordnung ist zu der anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen äquivalent, mit Ausnahme der vier Kontakte 150. Die Seiten des Quadrates, an dessen Ecken die Kontakte 150 angeordnet sind, sind mit der X- bzw. Y-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet (Fig. 6). Durch diese Anordnung ist es möglich, den Meßstift in X- und Y-Richtung zu stabilisieren, d.h. an einer Versetzung schräg zu diesen Richtungen zu hindern. Die Anordnung ermöglicht auch die Identifizierung der Meßrichtung.

Um die Stabilisierung zu betrachten, sei angenommen, daß die Sonde in -Y-Richtung zur Messung einer Fläche 18C (Fig. 6) bewegt wird, wobei diese Fläche einen Winkel <=C mit der Y-Richtung bildet. Das mit 114C bezeichnete Ende des Meßstiftes berührt die Fläche 18C an einem Punkt 18D, dessen Abstand 18DY von einer Bezugsfläche 149 zu messen ist, Die Anlage des Endes 114C an der Fläche 18C erzeugt auf den Meßstift 114 eine Kraft FO, die den Meßstift 114 um die Kontakte 150 (B,C) neigt bzw. schwenkt. Die Komponenten der Kraft FO sind F01 und F02. Die Komponente F02 versucht ein Gleiten des Endes 114 längs der Fläche 18D und damit eine Verfälschung des durch den Transduktor 121 aufgenommenen Meßergebnisses für den Abstand 18DY hervorzurufen. Da jedoch der Meßstift an den zwei Kontakten 150 (B,C) abgestützt und durch die Federn 126 gehalten ist, wird das Gleiten und damit die Verfälschung verhindert. Diese Bedingung trifft zu, solange der Winkelö(. ausreichend groß ist, so daß die Komponente F01 zwischen den Kontakten (B,C) hindurchgeht, d.h. solange die Kraft nicht nur durch einen Kontakt hindurchtritt.

ν- 12-

Zur Identifizierung der Richtung ist zu sagen, daß bei der Neigung oder Schwenkung des Meßstiftes die Konfiguration, mit der die Kontakte 150 (A,B,C,D) sich vom Kontakt 116 abheben, eine eindeutige Anzeige der Meßrichtung ergibt. Zu diesem Zweck sind die Kontakte 150 über jeweile Inverter 151 mit einem Binär-Dezimal-Kodierer 152 bekannter Art verbunden und an jeweilige Eingangsklemmen 153 (1, 2, 4, 8) entsprechend den jeweiligen Kontakten 150 (A_rB,C,D) verbunden. Der Kodierer 152 besitzt 16 Ausgangsklemmen 154(0-15) jeweils entsprechend den Dezimalzahlen 0-15. Der Status jeder Klemme 153 bzw. 154 wird nun als H bzw. L bezeichnet, je nach dem, ob die jeweilige Klemme sich bei einem hohen oder niedrigen Spannungspegel befindet. Die Klemmen 153 und 154 sind entsprechend der Binär/Dezimal-Wandlung verbunden und ergeben die folgenden Resultate.

Wenn der Meßstift 114 in Richtung +X versetzt ist, öffnen die Kontakte 150(A,B), wodurch die Klemmen 153(1,2) den Zustand H einnehmen. Dadurch erhält die Ausgangsklemme 154(3)

den Wert H und erzeugt das Signal +X. Wenn der Meßstift 114 in Richtung -X versetzt ist, öffnen die Kontakte 150(C,D) und die Klemmen 153(4,8) werden H. Dadurch erhält die Ausgangsklemme 154(12) den Wert H und ergibt das Signal -X.

Entsprechend ergibt einer Versetzung des Meßstiftes 114 in Richtung -Y bzw. +Y ein Anheben der Ausgangsklemmen 154(6) bzw. 154(9) auf den Η-Pegel, so daß das Signal -Y bzw. +Y entsteht.

Falls der Meßstift in Richtung +Z versetzt wird, werden alle Eingangssignale 153 H und es ergibt sich an der Klemme 154(0) das Ausgangssignal H, das als Signal +Z wirkt. Das Ausgangssignal 154 (0) wird zur Änderung des Status eines Kreises 140 verwendet, um die Einstellung des Spannungsteilers 132

und damit die Eichung des Transduktors über ein Relais entsprechend dem Vorgang beim Relais 37 gemäß Fig. 1 bis zu ändern.

Um sicherzustellen, daß alle Kontakte 150 am gemeinsamen Kontakt 116 in der Ruhelage des Meßstiftes 114 anliegen, sind die Kontaktflächen mit entsprechender Genauigkeit bearbeitet. Da es jedoch vorkommen kann, daß einer der Kontakte 150 nicht am gemeinsamen Kontakt anliegt, ist die Erzeugung eines Fehlersignals vorgesehen. Zu diesem Zweck sind die Ausgangsklemmen 154(1,2,4,8) mit einem ODER-Glied 155 verbunden, dessen Ausgangssignal 156 normalerweise L ist, jedoch H wird, falls eines der Eingangssignale 153 H ist, während die restlichen drei Eingangssignale L sind.

Es ist auch vorteilhaft, ein Fehlersignal zu erzeugen, das anzeigt, daß nur einer der vier Kontakte 150 geschlossen ist, während die restlichen drei unterbrochen sind. Das kann bei einem zu kleinen Winkel C^ auftreten. Um dieses Fehlersignal zu erzeugen, sind die Ausgangsklemmen 154(7,11, 13,14) mit einem NOR-Glied 157 verbunden, dessen Ausgang 158 L wird, falls drei der vier Eingänge 153 H und der restliche Eingang L ist.

Die Federn 126 können in Quadratform parallel zu den Seiten des durch die Kontakte 150 gebildeten Quadrates angeordnet sein, um die Stabilität der Platte 115 während Versetzung in X oder Y-Richtung zu unterstützen.

Claims

Patentansprüche:

/1/) Werkstück-Meßsonde mit einem beweglichen Teil, das einen länglichen Meßstift enthält und an einem feststehenden Teil sowohl schwenkbar als auch in Meßstift-Längsrichtung bewegbar angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transduktor (27; 127) zur Wandlung eines durch jeweils eine der Bewegungen erzeugten mechanischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal (22, 43; 143) vorgesehen ist, und das eine in Abhängigkeit von der jeweiligen Bewegung betätigbare Einrichtung (37, 32; 137, 132) vorgesehen ist zur Modifizierung der Beziehung zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Signal, in Abhängigkeit davon, ob die Bewegung eine Schwenk- oder eine Längsbewegung ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (12; 114, 115) einen sich in einer quer zur Längsachse (14B) des Meßstiftes (14) erstreckenden Ebene liegenden und an einem gegenüberliegenden Abschnitt (16) des festen Teils (11; 111) in der Ruhelage aufsitzenden Abschnitt/ (15; 115) umfaßt, und daß die Abschnitte gegeneinander zur Schwenkbewegung neigbar und zur Längsbewegung voneinander trennbar sind.
3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichn e t , daß einer der Abschnitte (16) . eine, sich an einer ebenen Fläche des anderen Abschnittes (15) abstützenden Kreiskante (16A) aufweist, und daß das bewegliche Teil (12) um jeden Punkt dieser Kante gegen das feste Teil verschwenkbar ist.
4. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (115) des beweglichen Teils an dem Abschnitt des festen Teils (111) an vier, den vier Ecken eines Quadrates entsprechenden Stellen (150A, 150B, 150C, 150D) abgestützt ist, und daß das bewegliche Teil gegenüber dem festen Teil um jeweils zwei benachbarte Stellen schwenkbar ist.
5. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Abschnitte des feststehenden und des beweglichen Teils jeweils elektrische Kontakte bestimmt werden, daß über die Kontakte ein elektrischer Kreis (40; 140) gebildet ist, der seinen Zustand in Abhängigkeit davon ändert, ob die Kontakte bei der Schwenkbewegung geschlossen oder bei einer Längsbewegung unterbrochen sind.
6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrischer Kreis (140) mit den Kontakten an den entsprechenden Stellen (150A, 150B, 150C, 150D) gebildet ist, und daß eine die Eingriffsunterbrechung an jeweils zwei dieser Stellen erfassende Einrichtung (154) zur Ausgabe von die Schwenkrichtung des beweglichen Teiles identifizierenden Ausgangssignalen vorgesehen ist.