DE3530229C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Berührungssonde für die elek­ trische Detektierung des Kontaktes eines Berührungsstiftes mit einem Werkstück, mit einem Sondengehäuse und einem dar­ in angeordneten Gestell für den Berührungsstift, um in ver­ schiedene Raum-Richtungen bewegt werden zu können, und mit einer einzigen Ruhelage, wobei das Gestell den Berührungs­ stift trägt und wobei eine Vielzahl von Paaren von Detek­ torspulen am Gestell angebracht sind, um Bewegungen des Berührungsstiftes berührungslos zu erfassen.

Eine derartige Berührungssonde ist aus der DE-OS 26 20 099 bekannt. Bei dieser bekannten Berührungssonde ist der Ta­ ster mittels dreier hintereinandergeschalteter Blattfeder­ paare mit dem Sondengehäuse verbunden. Die Blattfederpaare stabilisieren den Taster in einer Nullstellung. Am von der Tastkugel abewandten Ende des Tasters ist dieser mit einer Eisenmasse versehen, die zwischen Paaren von induktiven Sensoren mit Abstand zu diesem angeordnet ist. Eine Bewe­ gung des Tasters verursacht somit gleichzeitig einen Aus­ schlag der Eisenmasse, der von dem induktiven Taster erfaßt und als Signal weitergegeben wird.

Die DE-OS 30 43 366 offenbart eine Vorrichtung zur relati­ ven Anordnung zweier Werkstücke, wobei in der Ebene eines Werkstücks drei Kugeln befestigt sind, während in der Ebene des zweiten Werkstücks jeweils eine konische Aufnehmung und eine prismenförmige Aufnehmung vorgesehen sind, in welcher sich jeweils eine der Kugeln abstützt, wobei sich die dritte Kugel auf der Ebene des zweiten Werkstücks abstützt.

Bei Berührungssonden, wie sie aus dem Stand der Technik be­ kannt sind und eingangs beschrieben wurden, ist durch die Lagerung des Taststiftes mittels der drei Blattfederpaare eine Abhängigkeit der Messungen von den entsprechenden Achsrichtungen gegeben. Auf diese Weise können keine stabi­ lisierten Messungen in allen Richtungen erhalten werden. Mes­ sungen im dynamischen Gleichgewicht sind daher nicht mög­ lich. Berartige Richtungfehler können bei den bekannten Berührungssonden somit nicht korrigiert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, eine Berührungssonde der eingangs genannten Gat­ tung zu schaffen, die nicht richtungsbezogene Berührungs­ signale wesentlich präziser erfassen und detektieren kann.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 dadurch gelöst, daß obere und untere Membranen vorgesehen sind, die an oberen und unteren Bereichen des Ge­ stells für den Berührungsstift angebracht sind, wobei die Membranen einen Haltekörper für den Berührungsstift ab­ stützen, wobei der Haltekörper den relativ zu dem Gestell bewegbaren Berührungsstift trägt, und daß eine Vielzahl von Kernpaaren am Haltekörper den entsprechenden Paaren von Detektorspulen gegenübergelegen angebracht sind, so daß die Bewegung des Berührungsstiftes in verschiedenen Raum-Rich­ tungen elektrisch durch das Zusammenwirken zwischen den Kernpaaren und den Paaren der Detektorspulen ermittelbar ist.

Durch die Abstützung des den Berührungsstift tragenden Haltekörpers mittels der oberen und der unteren Membran wird eine Lagerung für den Berührungsstift geschaffen, die die Richtungsabhängigkeit der Detektion in bezug auf die Bewegung des Berührungsstiftes reduziert und dadurch die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Detektion erhöht und damit die einer Sonde nach dem Differentialumformerprin­ zip eigenen Nachteile wesentlich reduziert.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel einer Berührungssonde gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Querschnitte, die die Konstruktion der Halterungs-Einrichtung für die Basis des Be­ rührungsstiftes entsprechend Fig. 1 zeigen;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Membran, wie sie in Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 5 eine Vorderansicht eines Kern-Sockels, wie er im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ver­ wendet wird;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Kern-Sockel nach Fig. 5 und

Fig. 7 einen Querschnitt, in vertikaler Richtung, der wesentlichen Teile entsprechend Fig. 6 und 5.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Berührungssonde zur Erzeugung eines Signales dargestellt, die erfindungsgemäß aufgebaut ist. Die Berührungssonde, die auch als Kontaktfühler oder Meßkopf bezeichnet werden kann, weist ein Sondengehäuse 10 auf, das am obersten Teil einen daran befestigten Träger oder eine Befestigungs­ klammer aufweist. Auf diese Weise kann die Berührungs­ sonde abnehmbar an dem bewegbaren Teil einer hinreichend bekannten dreidimensionalen Koordinaten-Meßapparatur mittels dieser Befestigungsklammer angeordnet werden.

Das Sondengehäuse 10 weist eine Öffnung 10a auf, die am Unterteil des Gehäuses ausgebildet ist und über die eine untere Abschlußplatte 14 fest oder starr mittels einer geeigneten Schraubbefestigung angebracht ist. Eine im wesentlichen ringartige Aufnahmeplatte 16 ist zwischen der Abschlußplatte 14 und dem Sondengehäuse 10 zwischengefügt und dort befestigt.

Im Inneren des Sondengehäuses 10 ist ein Gestell 18, das auch als Basis, Sockel oder Block bezeichent werden kann, für den Berührungsstift vorgesehen, wobei das Gestell 18 trotz seiner bewegbaren Halterung eine ein­ zige Verweilposition (dwell) einnimmt. Das Gestell 18 hält oder trägt einen Berührungsstift 20 über obere und untere Diaphragmen 38 und 40 und einen Tragschaft 48, wie es nachstehend noch beschrieben wird.

Im Ausführungsbeispiel weist das Gestell 18 des Berührungs­ stiftes eine obere und untere Platte 24 bzw. 26 auf, die fest bzw. starr auf der oberen bzw. unteren Fläche eines Gestellringes 22 oder einer Gestellrolle befestigt sind. Das Gestell 18 ist in der einen Verweillage auf der Aufnahmeplatte 16 angeordnet.

Mit anderen Worten weist die Aufnahmeplatte 16 drei Lager oder Sitze 28a, 28b und 28c auf, die in der Auf­ nahmeplatte 16 in Winkelabständen von etwa 120° ange­ ordnet oder eingepaßt sind. Die untere Platte 26 des Gestelles 18 weist dementsprechend eine entsprechende Anzahl von Aufnahmeeinrichtungen 30 für entsprechende Kugeln auf, die gegenüberliegend zu den entsprechenden Lagern 28 angeordnet oder eingepaßt sind. Durch die feste bis starre Anordnung einer Kugel 32 in jeder Aufnahmeeinrichtung 30 und das anschließende Einsetzen der Kugel 32 in das entsprechende Lager 28 kann das Gestell 18 für den Berührungsstift auf der Aufnahme­ platte 16 in einer geeigneten Lage angeordnet werden.

Die drei Lager 28 haben voneinander Lagerflächen mit unterschiedlichen Konfigurationen. Nach Fig. 1 hat das Lager 28a eine konische Lagergestalt oder Fläche. Die anderen Lager 28b und 28c haben die Gestalt einer V-för­ migen Nut oder Ausnehmung bzw. einer flachen Oberfläche, wie dies in den Fig. 2 bzw. 3 dargestellt ist. Die Lager 28 dienen dazu, die Ausgangslage, Ruhelage oder Verweillage des Gestells 18 zuverlässig und sicher er­ zeugen zu können.

Um das Gestell 18 für den Berührungsstift gegen die Gruppe der Lager 28 zu zwingen, ist eine vorgespannte Feder 36 zwischen einem Federsitz 33 auf der unteren Platte 26 für das Gestell 18 und einem an dem Federsitz 34 auf/in der Aufnahmeplatte 16 betriebsmäßig und bewegbar vorgesehen. Aufgrund dreier derartiger vorgespannter Federn, die in Winkelabständen von etwa 120° angeordnet sind, kann das Gestell 18 zuverlässig gegen die Aufnahmeplatte 16 gezwungen oder gehalten werden, um seine Verweil- oder Ruhelage beizubehalten.

Der Haltekörper 12 für den Berührungsstift wird mittels zweier Membranen 38 und 40 über einen Tragschaft 48 zum Gestell 18 des Haltestiftes geführt oder gehalten. Dies erfolgt derart, daß der Berührungsstift 20 mit einer verbesserten Genauigkeit und Empfindlichkeit in den drei Richtungen der X-, Y- und Z-Achse bewegbar ist.

In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die obere Membran 38 zwischen dem Gestellring 22 und der oberen Platte 24 sandwichartig befestigt ist, während die untere Membran 40 zwischen dem Gestellring und der unteren Platte 26, wie in Fig. 4 dargestellt, fest bzw. starr sandwichartig befestigt ist.

Weiterhin ist eine obere Halteeinrichtung 42 für den Be­ rührungsstift vorgesehen, die fest mit dem zentralen bzw. mittleren Teil der oberen Membran 38 über eine Unterlegscheibe 44 und eine Stellschraube 46 verbunden ist.

Sofern der Berührungsstift 20 nicht in Kontakt mit einem Werkstück steht, ist er durch die obere und untere Membran 38 und 40 über die obere und untere Halteeinrich­ tung 42, 54 und den Haltekörper 12 äußerst genau an Ort und Stelle gehalten. Sobald der Berührungsstift 20 in Kontakt mit einem Werkstück gelangt, wird ein Kern-Piedestal 62 so verändert bzw. bewegt, um den Kontakt des Berührungs­ stiftes mit dem Werkstück mit verbesserter und verstärk­ ter Empfindlichkeit feststellen zu können. Der Kern- Piedestal 62 ist beispielsweise als würfel- oder blockar­ tiges Aufnahmeteil, Auflager, Lager oder Sockel ausgebildet.

Die obere Halteeinrichtung 42 für den Berührungsstift hat die Gestalt eines Spaltringes, der mit dem Trag­ schaft 48 des Haltekörpers 12 verbunden ist. Auf diese Weise kann das obere Ende des Tragschaftes 48 fest bzw. starr mit der oberen Halteeinrichtung 42 für den Be­ rührungsstift durch Anziehen einer in den Ring 52 einge­ drehten Schraube verbunden werden. Andererseits ist das untere Ende des Tragschaftes 48 mit einem oberen Bereich der unteren Halteeinrichtung 54 befestigt, wobei an dieser der Berührungsstift 20 abnehmbar angebracht ist. In der vorausgehend beschriebenen Weise bilden die erwähnten Teile und Baugruppen eine Konstruktion zur Aufhängung bzw. An­ bringung des Berührungsstiftes 20 an/mit dem Gestell 18.

Die untere Halteeinrichtung 54 ist fest mit dem zentralen oder mittleren Bereich bzw. Teil der unteren Membran 40 mittels einer Unterlegscheibe 58 und einer Stellschraube 60 verbunden, wie dies auch bei der oberen Halteeinrichtung 42 der Fall ist. Die letztgenannte Befestigung mit dem Diaphragma kann auch in der Art durchgeführt werden, daß ein hülsen- oder buchsenartiger Ring 58 über eine Fest­ stellmutter 60, die in Richtung nach unten zum Berührungs­ stift 20 festgeschraubt wird, festgesetzt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zielt darauf ab, die Bewegung des Berührungsstiftes 20 aufgrund des Kontaktes z. B. mit einem Werkstück elektrisch festzustellen und auf diese Weise auch die Bewegung des Haltekörpers 12 für den Berührungsstift mit gleicher Richtungscharakteristik, wenn der Kontaktstift 20 vom Werkstück berührt wird oder umge­ dreht. Die gleiche Richtungscharakteristik kann dahingehend verstanden werden, daß die Auslenkungscharakteristiken un­ abhängig von der Richtung sind. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Vielzahl paarweiser Detektionseinrichtungen vor, die zwischen dem Haltekörper 12 und dem Gestell 18 ange­ ordnet sind und die entsprechend dem Prinzip eines Differen­ tialübertragers betrieben werden.

Detaillierter betrachtet ist der Kern-Piedestal 62 am Trag­ schaft 48 befestigt und weist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, eine sechsflächige Gestalt in Art eines Hexaeders auf, die zur vertikalen Achse (s. Fig. 5) symmetrisch ist. Wie es am besten aus der Fig. 6 entnehmbar ist, hat der Kern-Piedestal 62 drei Flächenpaare 62a und 62b, 62c und 62d, 62e und 62f. Jedes dieser Flächenpaare ist in vertikaler Richtung ge­ sehen geneigt gegenüber den anderen Paaren angeordnet. Jedes dieser Flächenpaare 62a und 62b, 62c und 62d, 62e und 62f umfaßt Ferrit-Kerne 64a und 64b, 65a und 65b, 66a und 66b oder dergleichen, die auf bzw. in diesen Flächen angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel haben die Ferrit-Kerne 64, 65 oder 66 die Form dünner Scheiben, die in dem Kern-Piedestal 62 eingebettet sind. Die Ferrit-Kerne weisen vorzugsweise Kreis­ form auf und schließen flächenbündig gegenüber den ent­ sprechenden Flächen des Haltekörpers 12 ab.

Im Ausführungsbeispiel sind drei Paare von Ferrit- Kernen 64, 65 und 66 längs dreier Geraden angeordnet, die senkrecht zueinander stehen und die jeweils unter einem Winkel von 55° 44′ relativ zur Achse des Be­ rührungsstiftes, der in der Z-Achse angeordnet ist, orientiert sind. Auf diese Art und Weise kann der Be­ rührungsstift seine Detektionsfunktion vollständig gleich für alle Richtungen durchführen.

Für jedes Paar der Ferrit-Kerne 64, 65 oder 66 ist ein Paar Detektorspulen an dem Gestell 18 angebracht. In Fig. 1 liegt ein Paar von Detektorspulen 68a und 68b gegenüber dem Paar der Ferrit-Kerne 64a und 64b und ist in entsprechenden behälterförmigen Kernen 70a und 70b angeordnet. Im Schnitt können diese Kerne 70a und 70b eine flache U-Form aufweisen. Diese behälterförmigen Kerne 70a und 70b weisen jeweils einen Schaft 72a und 72b auf, die am Gestellring 22 des Gestells 18 befestigt sind. Auf diese Weise wird die Detektionseinrichtung, die ent­ sprechend dem Prinzip eines Differentialübertragers be­ trieben wird, durch ein stationäres Paar von Spulen 68a und 68b und ein bewegbares Paar von Ferrit-Kernen 64a und 64b bestimmt.

Die Abstände zwischen dem stationären Paar der Detektor­ spulen 68a und 68b und dem bewegbaren Paar der Ferrit- Kerne 64a und 64b können durch Verschieben der Schäfte 72a und 72b relativ zu den Halteöffnungen des Stellringes 22 eingestellt werden.

Obwohl dies in den Figuren nicht im einzelnen darge­ stellt ist, sind vergleichbare Paare von Detektor­ spulen an dem Gestell 18 angeordnet, die mit den ent­ sprechenden Paaren der Ferrit-Kerne 65a, 65b und 66a bzw. 66b zusammenwirken. Auf diese Weise werden drei Paare von Detektoreinrichtungen längs dreier Geraden gebildet, die senkrecht zueinander stehen.

Bei der vorausgehend beschriebenen Anordnung kann der Berührungsstift 20, wenn er in Kontakt mit einem Werkstück gelangt, auch gedämpft oder gefedert werden, da das Gestell selbst in alle Richtungen bewegbar ist. Der Berührungsstift 20 ist am Gestell 18 aufgehängt. Darüber hinaus ist der Berührungsstift 20 so gehaltert bzw. abgestützt, daß er mittels der Membrane 38 und 40 und des Tragschaftes 48 in alle Richtungen frei bewegbar ist.

Aus diesem Grund kann der Berührungsstift 20, wenn er Kontakt mit einem Werkstück bekommt, in alle Richtungen in gleicher Weise bewegt werden. Es liegt also eine gleichartige und gleichmäßige Bewegung in den verschieden­ sten Richtungen vor.

Aufgrund der Bewegung des Berührungsstiftes 20 wird jegliche Verschiebung auf die Paare der Ferrit-Kerne auf dem Haltekörper 12 übertragen. Diese Veränderung bzw. Verschiebung der Ferrit-Kerne kann dementsprechend durch die Paare der Detektorspulen an dem Gestell 18 als Verän­ derung in der Induktion wie in den Differentialüber­ trager festgestellt werden. Die Veränderungen in der Induktivität bzw. Induktion werden auch gleichartig für alle Richtungen festgestellt. Auf diese Art und Weise können gemäß der Erfindung Berührungssignale sehr genau ermittelt werden.

Die Paare der Detektorspulen werden vorzugsweise in Art einer Brückenschaltung angeordnet, die dazu dienen, Mittelwertsignale, symmetrierte Signale oder Kompensations­ signale für die Detektion zu erhalten.

Die Konfiguration des Kern- Piedestall ist nicht auf die Hexaederform begrenzt. Beispiels­ weise kann das Kern-Piedestal auch ein Oktaeder sein, bei dem vier Flächenpaare vier Paare von Detektoreinrichtungen aufweisen, um die Ermittlung der Bewegung des Berührungs­ stiftes in allen Richtungen weiter zu verbessern.

Bei der Berührung des Berührungsstiftes mit dem Werkstück ändert eine minimalste Bewegung des Berührungsstiftes den Abstand zwischen ent­ sprechenden Kernen und den zugeordneten Detektorspulen, um über die Detektorspule ein elektrisches Berührungssignal zu erzeugen.

Der eine Hexaederform aufweisende Halteblock 12 ist beispiels­ weise entsprechend den Fig. 5 bis 7 so gegenüber dem Trag­ schaft 48 angeordnet, daß er gedanklich gesehen als Würfel­ form in Richtung des Tragschaftes 48 auf einem Eck stehen würde. Diese Eck ist jedoch abgeflacht und weist wie in Fig. 6 dargestellt, etwa die Form eines gleichseitigen Dreiecks auf, durch dessen Schwerpunkt etwa die Achse des Tragschaftes 48 geht. Wie der Schnitt nach Fig. 7 zeigt, sind einander zu­ geordnete Ferritkerne 64a und 64b zum Beispiel in den parallel gegenüberliegenden Flächen 62a und 62b bündig mit der Fläche eingesetzt.

Wie in der Draufsicht aus Fig. 4 erkennbar ist, sind die Membranen 38 und 40 nicht vollflächig ausgebildet. Sie weisen beispielsweise eine Kreisform auf, in deren radialem Außenbereich etwa im gleichen Winkelabstand zueinander kleinere Löcher vorgesehen sind. Im Mittelpunkt der Membran 38 ist beispielsweise eine größere kreisförmige Öffnung vorgesehen, die in Umfangsrichtung nach radial außen von etwa gleich großen Öffnungen umgeben wird. Hierdurch kann eine Masen­ reduzierung bei den Membranen aber auch ein Durchlassen des innerhalb des Gestells 18 vorhandenen Mediums erreicht werden.

Claims (4)

1. Berührungssonde für die elektrische Detektierung des Kontaktes eines Berührungsstiftes mit einem Werk­ stück, mit einem Sondengehäuse und einem darin ange­ ordneten Gestell für den Berührungsstift, um in ver­ schiedene Raum-Richtungen bewegt werden zu können, und mit einer einzigen Ruhelage, wobei das Gestell den Berührungsstift trägt und wobei eine Vielzahl von Paaren von Detektorspulen am Gestell angebracht sind, um Bewegungen des Berührungsstiftes berührungslos zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß obere und untere Membranen (38, 40) vorgesehen sind, die an oberen und unteren Bereichen des Ge­ stells (18) für den Berührungsstift (20) angebracht sind, wobei die Membranen (38, 40) einen Haltekörper (12) für den Berührungsstift abstützen, wobei der Haltekörper (12) den relativ zu dem Gestell (18) be­ wegbaren Berührungsstift (20) trägt, und daß eine Vielzahl von Kernpaaren (64, 65, 66) am Hal­ tekörper (12) den entsprechenden Paaren von Detektor­ spulen (68) gegenübergelegen angebracht sind, so daß die Bewegung des Berührungsstiftes in verschie­ denen Raum-Richtungen elektrisch durch das Zusammen­ wirken zwischen den Kernpaaren und den Paaren der Detektorspulen ermittelbar ist.

2. Berührungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (18) für den Berührungsstift (20) bewegbar auf einer unteren Platte (14) des Sonden­ gehäuses (10) unter Aufrechterhaltung seiner einen Ruhelage mittels Kugelsitzlager (28, 32, 30) getragen ist, und daß zwischen dem Gestell (18) und der unteren Platte (14) eine vorgespannte Feder (36) zur Halterung des Gestelles (18) gegen die untere Platte (14) vorge­ sehen ist.

3. Berührungssonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelsitzlager drei Aufnahmeglieder für die Kugeln aufweisen, die am Gestell befestigt sind, daß die drei Sitze (28a, 28b, 28c) an/in der unteren Platte (16) angebracht sind, daß drei Lagerkugeln zwischen den zugeordneten Paaren der Aufnahmeeinrichtung und Sitze eingefügt sind, und daß einer der drei Sitze eine konische Sitzfläche, der andere eine als V-förmige Nut ausgebildete Sitz­ fläche und der dritte eine flache Sitzfläche auf­ weist, um eine einzige Ausgangslage einhalten zu können.

4. Berührungssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper (12) für den Berührungsstift ein Kern-Piedestal in Hexaederform aufweist, die sym­ metrisch zur Längsrichtung des Haltekörpers (12) des Berührungsstiftes ausgebildet ist und daß auf jedem der drei Flächenpaare des Kern-Piede­ stals Kernpaare (64, 65, 66) vorgesehen sind, die mit entsprechenden Paaren von Detektorspulen (68) in Wirkverbindung stehen die unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstandes zwischen der entsprechenden Spule und dem entsprechenden Kern an dem Gestell (18) angebracht sind.