DE3604526A1 - Vorrichtung fuer das raeumliche abtasten von gegenstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das räum­ liche Abtasten von Gegenständen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll dazu dienen, die Konturen eines räumlichen Gegenstandes, wie beispielsweise eines Bauelements oder eines Formteils, dreidimensional genau zu erfassen. Diese Ermittlung der Raumform kann im Zusammenhang mit der Bearbei­ tung oder Dokumentation des Gegenstands erfolgen.

Als nachteilig ist bei den bisher bekannten Vorrich­ tungen für das räumliche Abtasten von Gegenständen anzusehen, daß diese einen relativ komplizierten Auf­ bau mit entsprechend hohen Herstellungskosten besitzen. Häufig sind derartige Vorrichtungen auch nur für das räumliche Abtasten von elektrisch-leitenden Gegenstän­ den geeignet und besitzen keine befriedigende Reprodu­ ziergenauigkeit. Ungünstig ist ferner eine für manche Anwendungsfälle unzureichende Abtastempfindlichkeit, die sich zudem noch bei unterschiedlichen Abtastrich­ tungen ändern kann.

Zur Beseitigung der genannten Nachteile liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vor­ richtung der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, mit der Konturen unabhängig von dem Material des Ge­ genstands mit großer Genauigkeit ermittelt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiter­ bilden, sind den nachgeordneten Patentansprüchen zu ent­ nehmen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteil­ haft eine universell einsetzbare Vorrichtung für das räumliche Abtasten von Gegenständen geschaffen, deren Anwendung nicht auf elektrisch-leitende Gegenstände beschränkt ist. Die Vorrichtung weist einen besonders einfachen Aufbau auf und läßt sich preiswert herstellen. Sie arbeitet zuverlässig und liefert genau reproduzier­ bare Abtastsignale. Auf Grund des vorgesehenen Abtast­ prinzips, bei dem der Taststift bei horizontaler Abta­ stung infolge Auslenkung einen elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement herstellt und bei dem der Tast­ stift bei vertikaler Abtastung infolge einer Durchbie­ gung einen elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement herstellt, läßt sich eine äußerst hohe Tastempfindlich­ keit erzielen, die etwa in der Größenordnung von 20 µm liegt. Zu dieser hohen Tastempfindlichkeit, insbesondere zu deren Gleichförmigkeit in allen drei Raumachsen, trägt in günstiger Weise das gerundet, vorzugsweise sphärisch ausgebildete Abtastende auch bei Vorliegen einer gewis­ sen Oberflächenrauhigkeit beim abzutastenden Gegenstand bei.

Das Abtastende des Taststiftes weist wenigstens im Rand­ bereich eine Rundung auf. Diese Rundung kann mit sich änderndem Krümmungsradius ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wenn das Abtastende des Taststiftes sphä­ risch ausgebildet ist. Hierdurch läßt sich ein punktför­ miges Abtasten mit entsprechend gleichmäßigen Abtast­ bedingungen, insbesondere für das Durchbiegen des Tast­ stiftes bei einem Druck im Bereich der Taststiftlängs­ achse erreichen.

Der Radius des sphärischen Abtastendes ist vorzugsweise größer als der Radius des Taststiftes. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine kugelkappenförmige Ausbildung des Abtastendes des Taststiftes, die bei Tastdruckbeauf­ schlagung das Biegeverhalten des Taststiftes vergleich­ mäßigt und zur Erhöhung der Tastempfindlichkeit beiträgt.

Die Elastizität des Taststiftes läßt sich mit federhart umschreiben. Der Taststift selbst kann aus einem elektrisch nicht-leitenden Werkstoff mit entsprechenden Elastizitäts­ eigenschaften und einer elektrisch-leitenden Oberflächen­ beschichtung wenigstens im Bereich zwischen seiner Befe­ stigung und dem Kontaktelement ausgebildet sein. Bevorzugt besteht der Taststift aus gehärtetem Stahl.

Die Befestigung des Taststiftes in dem Taststifthalter kann lösbar oder unlösbar und abhängig von dem Taststift­ material vorgenommen sein. Vorzugsweise ist der Tast­ stift bei Ausbildung aus gehärtetem Stahl in eine Auf­ nahmebohrung des Taststifthalters zur Befestigung einge­ preßt.

Der Taststifthalter besteht bevorzugt aus zwei miteinan­ der verbundenen Gehäuseteilen, wobei der Taststift in einem Gehäuseteil endseitig befestigt ist und wobei das elektrische Kontaktelement am zweiten Gehäuseteil vorge­ sehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform weist das erste Gehäuseteil einen hohlen Schaftabschnitt und einen sich daran anschließenden hohlen Flanschabschnitt auf, während das zweite Gehäuseteil eine zu dem Flansch­ abschnitt passende hohlflanschartige Ausbildung besitzt, wobei das elektrische Kontaktelement als Kontaktring mit geringem Abstand zum Taststift ausgebildet ist. Vorteil­ haft kann hierbei der hohle Schaftabschnitt des ersten Gehäuseteils zur Befestigung der gesamten Vorrichtung in einer geeigneten Aufnahme dienen, wobei die hohle Aus­ bildung der beiden Gehäuseteile ausreichend Raum für ein Durchbiegen des Taststiftes bietet. Der Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils und die diesem zugeordnete Aus­ bildung des zweiten Gehäuseteils ermöglichen in günstiger Weise den Einsatz von üblichen Verbindungsmitteln, wie Schrauben oder dgl., zur lösbaren Verbindung der beiden Gehäuseteile, ohne das Abtastverhalten des Taststiftes zu beeinträchtigen. Diese Taststifthalteausbildung bie­ tet zudem auch den Vorzug, daß sie sich besonders einfach herstellen läßt.

Die beiden Gehäuseteile des Taststifthalters können aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt sein, wobei der Taststift in seinem Befestigungsbereich mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung steht und beim Abtasten mit einem elektrisch-leitenden Kontaktring in Berührung tritt. Im Hinblick auf die Herstellung und den einfachen Aufbau der Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn das zweite Gehäuseteil aus einem elektrisch-leiten­ den Material einstückig mit dem Kontaktring hergestellt ist. Weitere Herstellungs- und Montagevorteile ergeben sich, wenn nach einer bevorzugten Weiterbildung auch das erste Gehäuseteil aus einem elektrisch-leitenden Material besteht und über eine elektrische Isolierung mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden ist.

Der Taststift ragt abtastendseitig bevorzugt etwa um ein Drittel seiner Gesamtlänge aus dem zweiten Gehäuseteil heraus. Hierdurch lassen sich in günstiger Weise annähernd gleiche Abtastempfindlichkeiten für die Taststiftauslen­ kung und die Taststiftdurchbiegung erreichen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist jedes Gehäuseteil einen elektrischen Anschluß zur entspre­ chenden Verbindung mit einer Spannungsquelle und einer optischen und/oder akustischen Anzeige auf, wobei bei Ausbildung des gesamten Gehäuses aus elektrisch-leitendem Material diese Anschlüsse herstellungstechnisch besonders einfach an der Außenfläche der jeweiligen Gehäuseteile vorgesehen sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem anschließenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausbildungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 1; Fig. 3 eine Unteransicht auf die Vorrichtung von Fig. 1; und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Schnittlinie IV-IV in Fig. 1.

Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung 10 für das räumliche Abtasten von Gegenständen besteht aus einem Taststifthalter 12 und einem Taststift 14. Der Taststifthalter 12 setzt sich aus einem ersten Gehäuse­ teil 16 und 18 und einem zweiten Gehäuseteil 20 zusammen. Der Abschnitt 16 des ersten Gehäuseteils hat die Form eines hohlen Schaftabschnitts, der einstückig mit dem zweiten Abschnitt 18 des ersten Gehäuseteils ausgebil­ det ist. Der Abschnitt 18 hat die Form eines hohlen Flanschabschnittes. Das zweite Gehäuseteil 20 besitzt eine zu dem Flanschabschnitt 18 passende hohlflanscharti­ ge Ausbildung. Der Abschnitt 18 des ersten Gehäuseteils ist mit dem zweiten Gehäuseteil 20 über drei gleich­ mäßig voneinander über dem Umfang des Flansches verteil­ ten Schrauben 22 befestigt. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, sind die Schrauben 22 in das zweite Gehäuseteil 20 ein­ geschraubt, wobei für jede Schraube 22 eine Unterleg­ scheibe 24 vorgesehen ist und wobei jede Schraube 22 gegenüber dem ersten Gehäuseteil über einen Isolierring 26, eine Isolierhülse 28 und eine Isolierschicht 30 elektrisch isoliert ist. Die Isolierschicht 30 dient gleichzeitig zur elektrischen Isolation des ersten Ge­ häuseteils 16, 18 gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 20.

Der erste Gehäuseteilabschnitt 16 ist an seinem dem Flanschabschnitt 18 abgewandten Ende mit einem scheiben­ artigen Deckel 32 verschlossen, dessen Durchmesser dem Außendurchmesser des schaftförmigen Abschnitts 16 ent­ spricht. Der Deckel 32 ist mit wenigstens einer Schraube 34 mit dem schaftförmigen Abschnitt 16 verbunden. An der zylindrischen Außenfläche des flanschartigen Gehäuseteils 18 ist eine elektrische Anschlußklemme 36 mittels einer Schraube 40 befestigt. Eine elektrische Anschlußklemme 38 ist mittels einer Schraube 42 auf der zylindrischen Außen­ fläche des zweiten Gehäuseteils 20 nahe der elektrischen Anschlußklemme 36 befestigt. Die Anschlußklemmen 36 und 38 sind, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, mittels elektrischer Leitungen 44 und 46 mit einer Spannungs­ quelle 48, einer optischen Anzeige 50 und einer akusti­ schen Anzeige 52 zu verbinden.

Der federharte Taststift 14 hat die Form einer Nadel und besteht aus einem gehärteten Stahl. Er weist ein Befe­ stigungsende 54 und ein Abtastende 56 auf. Der Durchmes­ ser des Taststiftes liegt etwa bei 0,9 mm, während seine Länge etwa 38 mm beträgt. Das Abtastende 56 ist sphärisch ausgebildet. Es hat die Form einer kugelförmigen Kappe, wobei der Radius des sphärischen Abtastendes bzw. der Kugelkappe größer ist als der Radius des Taststiftes.

Das erste Gehäuseteil 16, 18 und das zweite Gehäuseteil 20 bestehen aus einem elektrisch-leitenden metallischen Werk­ stoff. Das dem Abschnitt 18 abgewandte Ende des Gehäuse­ teilabschnitts 16 weist eine Aufnahmebohrung 58 auf, in die das Befestigungsende 54 des Taststiftes 14 eingepreßt ist. Der Deckel 32 dient als Abschluß des schaftartigen Gehäuseabschnitts 16 und vermag zugleich ein Heraustreten des Taststifts 14 zu verhindern. Der Befestigungsbereich des Befestigungsendes 54 erstreckt sich etwa über 5 mm. An die Aufnahmebohrung 58 schließt sich in dem schaftarti­ gem Gehäuseteilabschnitt 16 eine Bohrung 60 an, deren Durchmesser etwa 3 bis 4 mm beträgt und die sich bis zum Ende des flanschartigen Gehäuseteilabschnitts 18 erstreckt. In der Isolierschicht 30 befindet sich eine zentrische Bohrung 62, deren Durchmesser dem der Bohrung 60 ent­ spricht und die mit der Bohrung 60 fluchtet. In dem zweiten Gehäuseteil 20 ist eine senkungsartige Bohrung 64 zentrisch eingebracht, deren Durchmesser dem der Boh­ rung 60 entspricht. Die Bohrung 64 geht im Bereich der Austrittsseite des Taststifts 14 absatzartig in eine Bohrung 66 über, deren Durchmesser in der Größenordnung von 0,94 mm liegt und damit die Außenfläche des Tast­ stifts 14 mit einem radialen Abstand von 0,02 mm in der Ausgangsstellung der Vorrichtung umgibt. Durch die Boh­ rung 66 in dem metallischen zweiten Gehäuseteil 20 wird somit ein Kontaktring 68 gebildet, der einstückig mit dem zweiten Gehäuseteil 20 hergestellt ist. Die Länge der Bohrung 66 bzw. die Dicke des Kontaktrings 68 beträgt etwa 0,5 mm. Der freie Abschnitt des Taststifts 14 zwischen seinem Befestigungsende und dem Bereich des Kontakt­ rings 68 beträgt etwa 22 mm. Der Taststift 14 ragt aus dem zweiten Gehäuseteil 20 etwa um ein Drittel seiner Gesamtlänge, also um etwa 12 mm hervor. Der Radius der das Abtastende 56 bildenden Kugelkappe beträgt etwa 0,6 mm.

Der Isolierring 26 und die Isolierschicht 30 haben je­ weils eine Dicke von circa 1 mm. Sie bestehen ebenso wie die Isolierhülse 28 aus Epoxidharz oder einem anderen geeigneten elektrisch-isolierenden Werkstoff.

Das zweite Gehäuseteil 20 weist ferner eine Abfasung 70 auf, die sich zwischen seiner zylinderförmigen Außen­ fläche und der die Bohrung 66 umgebenden Fläche erstreckt. Der Außendurchmesser des zweiten Gehäuseteils 20 beträgt etwa 15,5 mm, während der Außendurchmesser des schaftarti­ gen Gehäuseteilabschnitts 16 etwa zwischen 5 und 6 mm liegt und dessen Länge etwa 20 mm beträgt.

Für das räumliche Abtasten von Gegenständen wird die Vorrichtung 10 mit ihrem schaftartigen Gehäuseteilab­ schnitt 16 in eine geeignete Aufnahme eines Halters oder dgl. eingespannt, mit dessen Hilfe die Vorrichtung 10 räumlich bewegt werden kann. Für das Abfühlen der Kontur eines Gegenstands, beispielsweise eines Bauelement oder eines Formkörpers, wird das Abtastende 56 des Taststifts 14 an die zu ermittelnde Kontur herangeführt. Sobald das Abtastende 56 in Kontakt mit der abzutastenden Oberfläche gelangt, kommt es zu einer elastischen Verformung des Taststifts 14, wobei der Taststift 14 in Berührung mit dem Kontaktring 68 gelangt und damit durch Schließen des Stromkreises die optische Anzeige 50 und die akusti­ sche Anzeige 52 auslöst. Für das Erfassen eines Profils können die auf einen vorgegebenen Fixpunkt bezogenen Raumkoordinaten jedes Oberflächenpunktes des abzuta­ stenden Gegenstands ermittelt werden. Bei einer Abtastung senkrecht zur Längsachse des Taststifts 14 kommt es dabei zu einer elastischen Auslenkung der Abtastspitze 56 bis zur Berührung des Taststifts 14 mit dem Kontaktring 68. Bei senkrechter Abtastung kommt es zu einem Ausknicken bzw. Durchbiegen des Taststifts senkrecht zu seiner Längs­ achse, wobei die Durchbiegung soweit erfolgt, bis irgend­ ein Punkt an der Umfangsfläche des nadelförmigen Tast­ stifts 14 in Berührung mit dem Kontaktring 68 gelangt. Auf Grund der erfindungsgemäßen Konzeption der Vorrich­ tung läßt sich eine hohe Abtastempfindlichkeit in der Größenordnung von etwa 20 µm in allen Abtastrichtungen und eine hervorragende Reproduziergenauigkeit der ermit­ telten Abtastwerte erreichen.

Claims (11)

1. Vorrichtung für das räumliche Abtasten von Gegen­ ständen, gekennzeichnet durch einen elastischen Taststift (14) mit einem gerundet ausge­ bildeten Abtastende (56), einen Taststifthalter (12, 16, 18, 20), an dem der Taststift (14) mit seinem anderen Ende (54) befestigt ist und im Befestigungs­ bereich mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung steht, und durch ein elektrisches Kontaktelement (68), das den Taststift (14) von dessen Abtastende (56) und von dessen Außenfläche beabstandet umgibt, wobei der Taststift (14) wenigstens im Bereich zwi­ schen seiner Befestigung (58) und dem Kontaktelement (68) elektrisch-leitend ausgebildet ist und bei Berührung des Kontaktelements (68) ein Signal (50, 52) auslöst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastende (56) des Taststifts (14) sphä­ risch ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des sphärischen Abtastendes (56) größer als der Radius des Taststiftes (14) ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (14) aus gehärtetem Stahl besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (14) in eine Aufnahmebohrung (58) des Taststifthalters (12, 16) zur Befestigung einge­ preßt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststifthalter (12) aus zwei miteinander verbundenen Gehäuseteilen (16, 18; 20) besteht, wo­ bei der Taststift (14) in einem ersten Gehäuseteil (16) endseitig befestigt ist und wobei das elektri­ sche Kontaktelement (68) an dem zweiten Gehäuseteil (20) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gehäuseteil einen hohlen Schaftabschnitt (16) und einen sich daran anschließenden hohlen Flanschabschnitt (18) aufweist, und daß das zweite Gehäuseteil (20) eine zu dem Flanschabschnitt (18) passende hohlflanschartige Ausbildung besitzt, wo­ bei das elektrische Kontaktelement als Kontaktring (68) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gehäuseteil (20) einstückig mit dem Kontaktring (68) aus einem elektrisch-leitenden Material hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gehäuseteil (16, 18) aus einem elektrisch-leitenden Material besteht und über eine elektrische Isolierung (26, 28, 30) mit dem zweiten Gehäuseteil (20) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (14) abtastendseitig etwa um ein Drittel seiner Gesamtlänge aus dem zweiten Gehäuse­ teil (20) herausragt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuseteil (16, 18; 20) einen elektri­ schen Anschluß (36, 38) zur entsprechenden Verbin­ dung mit einer Spannungsquelle (48) und einer optischen und/oder akustischen Anzeige (50 bzw. 52) aufweist.