DE3431476A1 - Elektrische kontaktanordnung fuer eine tastsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktanordnung für eine Tastsonde, deren Tastspitze bei Berührung eines Objekts zwecks Kontaktbetätigung aus einer Ruhelage bewegt wird, mit mindestens einem Punktkontakt mit zwei Kontaktelementen, deren eines vorzugsweise eine gewölbte Oberfläche hat.

In automatischen Bearbeitungszentren und Koordinatensystemen benötigt man eine genaue Einrichtung zur Lokalisierung der Flächen eines Werkstücks. Eine Möglichkeit hierzu besteht in der Verwendung einer sogenannten Tastsonde, deren Tastspitze zur Berührung mit der Fläche gebracht wird, wodurch sich eine Tastspitzenbewegung aus der Ruhelage ergibt. Die Tastsonde enthält einen oder mehrere Punktkontakte, deren elektrische Eigenschaften, allgemein der Kontaktwiderstand, durch die Bewegung der Tastspitze verändert werden. Diese Veränderung der elektrischen Eigenschaften besteht typisch in einer Öffnung der Punktkontakte, die in einer elektrischen Schaltung durch die damit verbundene Widerstandsänderung ausgewertet werden kann. Das so von der Tastsonde abgegebene Signal wird in Verbindung mit einer Bestimmung der X-, Y- und Z-Achse des Maschinentisches oder der Maschinenspindel ausgenutzt, um die Position der so geprüften Fläche des Werkstücks zu berechnen.

Der Nutzen derartiger Tastsonden hängt davon ab, ob sie eine extreme Wiederholgenauigkeit haben. Oft ist eine Tastsonde erwünscht, die eine Wiederholungsmessung in einem Bereich von etwa 1 Mikron oder weniger möglich macht. Wenn also die Tastsonde für mehrere Messungen auf ein und derselben Werkstückfläche eingesetzt wird, kann deren berechnete Position nicht mehr als 1 Mikron Abweichung zeigen.

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Damit Tastsonden mit einer solchen Wiederholbarkeit über der Zeit hergestellt werden können und diese Eigenschaft beibehalten, müssen zwei grundsätzliche Forderungen erfüllt werden. Die erste besteht darin, daß die Kontaktanordnung bei Verschwinden der äußeren Krafteinwirkung an der Tastspitze immer genau in dieselbe Position zurückkehren muß. Dies wird als mechanische Positionswiederholbarkeit bezeichnet. Die zweite Forderung besteht darin, daß der elektrische Widerstand zwischen den Kontaktelementen konstant bleibt, wenn die Tastspitze jeweils in ihre Ruhelage zurückkehrt.

Die mechanische Wiederholbarkeit oder Wiederholgenauigkeit erfordert allgemein die Verwendung eines oder mehrerer Punktkontakte. Man hat deshalb bereits Tastsonden entwickelt, bei denen die Kontaktanordnung ein Kontaktelement mit einer gewölbten Fläche aufweist, die einer ebenen Fläche gegenüber steht. Andere Tastsonden verwenden eine gewölbte Fläche, die von zwei konvergierenden gewölbten oder ebenen Flächen eingeschlossen ist (siehe beispielsweise US-Patente 4 155 171, 4 270 275 und 4 301 338).

Als Material für die Kontaktelemente wird Sinterkarbid verwendet. Nachteiligerweise haben die Teilchen des Bindemetalls nicht genau dieselben elektrischen Eigenschaften wie die Karbidteilchen. Deren elektrische Eigenschaften können sich ändern, wenn die Punktkontaktstelle von einem Bereich des Bindemetalls zu einem Karbidbereich wandert. Außerdem neigt das Bindemetall zum Oxydieren, wodurch auch nach Polieren eine ungleichmäßige Oberfläche entsteht. Die Oxydationsrate wird erhöht, wenn elektrischer Strom über die Kontaktelemente geleitet wird.

Unabhängig davon, ob die Oberflächenrauhigkeit durch Oxydation oder anderweitig erzeugt wird, beeinträchtigt sie die mechanische Wiederholgenauigkeit der Tastsonden, die solche Kontaktanordnungen enthalten.

Um diese Probleme zu vermeiden, wurden die Kontaktelemente bisher mit einem Öl mit neutralem pH-Wert beschichtet, beispielsweise mit Babyöl, Mineralöl o.a.. Das Öl kann jedoch nach längerem Gebrauch von den Kontaktelementen verschwinden, so daß sie wiederum der Luft und anderen Verschmutzungseinflüssen ausgesetzt sind. Außerdem ist das Öl etwas unsauber und kann auch andere Teile der Tastsonde benetzen. Deshalb ist dies keine zufriedenstellende Möglichkeit, die vorstehend aufgezeigten Probleme zu vermeiden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Kontaktanordnung anzugeben, deren Kontaktelernenta auch bei längerem Gebrauch eine gleichmäßige Oberfläche behalten, so daß damit Tastsonden einer hohen Wiederholgenauigkeit hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird für eine Kontaktanordnung eingangs genannter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktelemente mit einem homogenen, chemisch neutralen und elektrisch leitfähigen Material beschichtet sind.

Vorzugsweise bestehen die Kontaktelemente aus Wolframkarbid, und das Beschichtungsmaterial ist dann Titannitrid oder Titankarbid. Diese Schichten sind härter als das Wolframkarbid, damit jedoch kompatibel. Da das Beschichtungsmaterial chemisch neutral ist und die Kontaktelemente nicht korrodieren, werden die vorstehend aufgezeigten Probleme vermieden und eine hohe mechanische

Wiederholgenauigkeit erreicht. Zusätzlich gewährleistet das homogene Beschichtungsmaterial beständige elektrische Widerstandseigenschaften auch nach langem Gebrauch der Tastsonde. Deshalb werden auch diesbezügliche Probleme vorbekannter Kontaktanordnungen vermieden, und gleichzeitig werden unerwünschte Nebeneffekte ausgeschaltet, die mit der Verwendung von Ölschichten auf den Kontaktelementen verbunden sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Tastsonde mit einer Kontaktanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Teillängsschnitt der Tastsonde für den betätigten Zustand der Tastspitze und der Kontaktanordnung,

Fig. 4

A und B vergrößerte Querschnitte zweier Kontaktelemente nach dem Stand der Technik und

Fig. 5 einen Querschnitt zweier Kontaktelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 und 3 ist eine Tastsonde 10 dargestellt, die im folgenden nur so weit beschrieben wird, wie es für ein Verständnis der Erfindung notwendig ist. Diese Tastsonde hat eine Tastspitze 12, die an einem Ende eines Gehäuses durch eine Gehäuseöffnung nach außenragt. Die Tastsonde hat ferner einen Adapter 15, der eine für Werkzeug-

maschinen geeignete Standardform hat und in den Sockel einer Werkzeugmaschinenspindel eingesetzt werden kann. Als Adapter können auch verschiedenste anders geformte Elemente vorgesehen sein.

Eine Membran 16 umgibt die Tastspitze 12 im Bereich der Gehäuseöffnung und schützt somit innenliegende Bestandteile gegen Verschmutzung. Das rückwärtige Ende der Tastspitze 12 ist mit einer Kontaktanordnung 18 verbunden. Der Zweck der Kontaktanordnung 18 besteht darin, elektrische Eigenschaften zu ändern, wenn die Tastspitze 12 ein Objekt berührt und dadurch aus ihrer Ruhelage verlagert wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Kontaktanordnung drei Punktkontakte, von denen in Fig. 1 die beiden Kontakte 20 und 22 zu erkennen sind. Jeder Punktkontakt ist durch ein erstes elektrisch leitfähiges Kontaktelement mit einer gewölbten Fläche und ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktelement gebildet, welches dem ersten gegenüber steht. Die Kontakte 20 und 22 sind dabei jeweils durch eine Kugel 24 und eine Scheibe 26 gebildet. Die Kugeln sind an einer kippbaren Platte 30 befestigt, die mit dem rückwärtigen Ende der Tastspitze 12 verbunden ist. Die Scheiben 26 sind an einer festen Gegenfläche befestigt, die durch eine Platte 32 gebildet ist.

Eine Blattfeder 34 ist mit einem Ende an der kippbaren Platte 30 und mit ihrem anderen Ende an der Platte 32 befestigt. Der Zweck der Blattfeder 34 besteht darin, die Kontaktelemente bei Fehlen einer auf die Tastspitze ausgeübten Kraft zusammenzudrücken. Dieser Zustand ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Feder 36 kann vorgesehen sein, um parallel zur Längsachse der Tastspitze 12 eine zusätzliche Kraft auf die kippbare Platte 30 auszuüben,

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wodurch die Ruheposition der Platten 30 und 32 über die Kontakte hergestellt ist.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, bewirkt eine Verlagerung der Tastspitze 12 eine Auslenkung der kippbaren Platte 30, wodurch einer der Kontakte abhängig von der Bewegungsrichtung der Tastspitze 12 betätigt wird. In Fig. 3 ist dies der Kontakt 20, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Kugel 24 und der Scheibe 26 geöffnet wird. Diese Veränderung der elektrischen Eigenschaften kann auf verschiedenste Weise ausgewertet werden. Hierzu dient eine elektrische Schaltung 40, die die Abgabe eines optischen Signals über eine Infrarot-Leuchtdiode bewirkt. Das Signal der Leuchtdiode 42 kann in einer Maschinensteuerung zur Berechnung der Position der Tastsonde 10 und damit des Ortes der mit ihr berührten Flache genutzt werden. Anstelle dieses Auswerteprinzips können auch verschiedenste andere Auswerteverfahren angewendet werden.

Die Genauigkeit der Auswertung hängt von der mechanischen Wiederholgenauigkeit und der Konstanz der elektrischen Eigenschaften der Kontaktelemente ab. An Hand der Fig. 4 werden einige der Probleme vorbekannter Kontaktanordnungen erläutert. Dort ist eine Kontaktscheibe 26' vergrößert dargestellt, die eine ungleichmäßige Oberfläche hat. Wie bereits erläutert, kann diese Oberfläche nach längerem Gebrauch der Tastsonde durch Oxydation verschlechtert werden. Wenn die Kontaktkugel 24' eine Erhöhung der Oberfläche der Kontaktscheibe 26' berührt, wie es in Fig. 4 A gezeigt ist, so befindet sich die zugehörige Tastspitze in einer vorgegebenen Ruheposition, die durch den Abstand Y definiert ist. Wenn die Kontaktkugel 24' ein

Karbidteilchen berührt, das die Erhöhung der Kontaktscheibe 26' bildet, so haben die beiden Kontaktelemente 24' und 26' einen bestimmten elektrischen Übergangswiderstand. Fig. 4 B zeigt nun eine Situation, bei der die Kontaktkugel 24' in eine Vertiefung der ungleichmäßigen Oberfläche der Kontaktscheibe 26' gefallen ist. In solchen Situationen ergibt sich eine gegenüber der in Fig. 4 A gezeigten Ruheposition veränderte Lage. Diese ist durch den Abstand Y¹ definiert. Entsprechend kann die zugehörige Tastsonde in diesem Falle nicht dasselbe Meßsignal abgeben, so daß dadurch ihre Genauigkeit beeinträchtigt ist. Eine zusätzliche Verfälschung wird dadurch verursacht, daß die Kontaktkugel 24' ein anderes Material berührt, beispielsweise ein Bindemetallteilchen. Dadurch ergeben sich weitere Veränderungen des elektrischen Übergangswiderstandes gegenüber dem in Fig. 4 A gezeigten Zustand und damit eine weitere Verschlechterung der Meßgenauigkeit.

Die Erfindung vermeidet diese und andere Probleme durch Beschichtung der Kontaktelemente mit einem homogenen, chemisch neutralen und elektrisch leitfähigen Material. Vorzugsweise bestehen die Körper der Kontaktelemente aus Sinterkarbiden, beispielsweise aus feinen Wolframkarbidteilchen, die mit einem festen, vergleichsweise weichen Bindemetall gebunden oder gesintert sind, beispielsweise mit Kobalt, unter einem Sinterkarbid sollen hier außer Wolframkarbid handelsübliche Materialien verstanden werden, bei denen das Wolframkarbid häufig auch mit Karbiden von Titan, Tantal, Niob, Chrom, Vanadium, Molybdän oder Hafnium einzeln oder in Kombination zusätzlich versehen oder substituiert ist, während das Kobalt-Bindemittel ähnlich mit Nickel oder Nickel-Molybdän legiert oder

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substituiert sein kann. Ein weiteres Sinterkarbid, welches sich für diese Anwendung eignet, ist VC-2 der Valeron Corporation.

Vorzugsweise werden die gesinterten Karbidkörper der Kontaktelemente mit einer Schicht Titannitrid oder Titankarbid versehen. Titannitrid wird vorzugsweise eingesetzt, da es eine bessere elektrische Leitfähigkeit hat. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, hat der Körper 40 der Kontaktkugel 24 eine Schicht 42 und der Körper 44 der Kontaktscheibe 26 eine Schicht 46. Die Schichten 42 und 46 zeichnen sich durch extrem harte, elektrisch leitfähige Oberflächen aus, deren Rockwell-Härte im C-Bereich liegt. Die Schichten 42 und 46 sind gegen Oxydation widerstandsfähig und behalten deshalb ihre glatte Oberfläche. Außerdem gewährleistet die homogene Struktur der Schichten beständige elektrische Widerstandseigenschaften, insbesondere des Übergangswiderstandes.

Bei der Herstellung der Kontaktelemente werden die Wolframkarbidkörper vorzugsweise auf 95% ihrer letztlich zu erreichenden Oberflächengüte geläppt. Wenn beispielsweise eine mittlere Rauhtiefe (quadratischer Mittelwert) von 0,05 bis 0,07 Mikron erreicht werden soll, so werden die Körper auf eine mittlere Rauhtiefe von 0,13 Mikron geläppt. Sie werden dann mit einer Schicht von ca. 2 bis Mikron Dicke versehen. Diese Beschichtung wird vorzugsweise chemisch oder physikalisch aufgedampft. Danach können die Kontaktelemente erforderlichenfalls auf ihre vorgegebene Rauhtiefe geläppt werden. Dieser Bearbeitungsschritt kann bei Anwendung des physikalischen Aufdampfens entfallen.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Elektrische Kontaktanordnung für eine Tastsonde, deren Tastspitze bei Berührung eines Objekts zwecks Kontaktbetätigung aus einer Ruhelage bewegt wird, mit mindestens einem Punktkontakt mit zwei Kontaktelementen, deren eines vorzugsweise eine gewölbte Oberfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (24, 26) mit einem homogenen^, chemisch neutralen und elektrisch leitfähigen Material (42, 46) beschichtet sind.

   P. O. BOX Θ60748 - D-8000 MÜNCHEN 86 ■ MAUERK1RCHERSTRASSE 31 TELEFON (089) 987897 · TELEFAX Ii + III (089) ΒΘ7898 · TELEX 522019 ESPAT D

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2. 2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (24, 26) einen Körper aus Sinterkarbidteilchen in einem Bindemetall haben und daß das Beschichtungsmaterial (42,46) Titannitrid oder Titankarbid ist.
3. 3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Kontaktelemente (24,26) Kugelform hat und die Oberfläche des anderen Kontaktelements zumindest annähernd eben ist.
4. 4. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (24, 26) mit einer Dicke von ca. 2 bis 3 Mikron beschichtet sind.
5. 5. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (42, 46) aufgedampft ist.