DE3933575C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Tasteinrichtungen dienen zur Erfassung und Vermessung von Geometrien und Formkonturen von Meßobjekten, z. B. Werkstücken oder Maschinenelementen. Im Zuge automatisierter Fertigung gewinnt die Vermessung sowohl bei der Steuerung von Produktionsabläufen als auch bei der Qualitätssicherung an Bedeutung, wobei auch Kräfte gemessen werden können.

Solche Tasteinrichtungen bestehen aus einem mechanischen Taster und einer elektronischen Auswerteschaltung. Bei den mechanischen Tastern unterscheidet man zwischen in sich weitgehend starren beweglich gelagerten Tastern, deren Lage oder Auslenkung z. B. induktiv ermittelt wird, und Biegestabtastern, die an einer Stelle fest eingespannt sind.

Beweglich gelagerte Taster erfordern einen hohen Auf­ wand hinsichtlich der mechanischen Konstruktion und der Auswertung ihrer Lage oder Auslenkung und unter­ liegen Meßfehlern durch unkontrollierte Durchbiegung. Demgegenüber ist die Erfassung der Ausgangsgrößen bei Biegestababtastern durch die Einwirkung von Weg- oder Kraftvektoren einfacher, da die mechanischen Bauele­ mente für Lagerung, Führung und Rückstellung entfallen können, und genauer, da die Durchbiegung im Gegensatz zu den anderen Tastertypen eine Meßgröße und keine Störgröße darstellt.

Bei den industriell für Fertigung und Qualitäts­ kontrolle eingesetzten Tasteinrichtungen spielt die Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Wartungsarmut und leichte Handhabbarkeit eine wichtige Rolle. Dem Anwender ist also nicht zuzumuten, die Tastein­ richtung beim Austausch kalibrieren zu müssen. Die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen bei der Her­ stellung von Tastern haben aber zur Folge, daß jeder Taster unterschiedliche individuelle Eigenschaften besitzt.

Diese mechanisch bedingten individuellen Eigen­ schaften lassen sich jedoch elektronisch mittels der Auswerteschaltung ausgleichen, so daß die Kombi­ nation aus Taster und Auswerteschaltung, also die Tasteinrichtung, als einheitlich kalibrierte Meßein­ heit realisierbar ist und vom Anwender ohne weiteres ausgetauscht werden kann.

Bei den durch Fertigungstoleranzen hervorgerufenen Eigenschaften von Biegestababtastern handelt es sich im wesentlichen um Abweichungen in x- und y-Richtung als auch um Orthogonalitätsabweichun­ gen. Die Verstärkungsabweichungen bestehen darin, daß gleiche Auslenkungen in der x- und y-Richtung unter­ schiedliche Beträge der Ausgangsgrößen der Taster hervorbringen.

Die Orthogonalitätsabweichungen zeigen sich darin, daß exakt senkrecht zueinander vorgenommene, in x- und y-Richtung weisende Auslenkungen nicht nur Ausgangsgrößen entsprechend ihrer Koordinatenrich­ tungen hervorbringen, sondern auch die Ausgangs­ größen der anderen Koordinatenrichtung beeinflussen. Die Koordinatenachsen der Ausgangsgrößen stehen also nicht senkrecht, sondern in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel aufeinander.

Um eine Kalibrierung der Tasteinrichtung ohne Kennt­ nis einzelner Tasterparameter vornehmen zu können, ist in einem Aufsatz des Erfinders: H. Janocha, Rechnerunterstütztes Tastsystem, Feinwerktechnik und Meßtechnik 93 (1985), Seite 417, 418 bereits vorgeschlagen worden, eine Über-Alles-Kalibrierung vorzunehmen und in einer Tabelle die Zuordnung der Wegaufnehmersignale zu den Koordinaten des Tasters zu speichern. Die Korrektur systematischer Orthogonalitäts- und Verstärkungsabweichungen kann dann mittels eines Mikrorechners vorgenommen werden.

Bei diesem Vorschlag gehört also ein Mikrorechner mit zur Auswerteschaltung, damit eine kalibrierte Meßeinrichtung realisierbar ist. Eine solche Lösung ist aber für den praktischen Einsatz ungeeignet, denn Mikrorechner sind beim derzeitigen Stand der Technik noch nicht als platzsparende, billige inte­ grierte Schaltung verfügbar, sondern bilden ein eigenständiges Gerät. Bei der Realisierung einer solchen Lösung würde daher der Mikrorechner bei Austausch des Tasters nicht mit ausgetauscht sondern vielmehr umprogrammiert werden.

Dies ist aber für den Anwender nachteilig, da die sofortige Einsatzbereitschaft der Tasteinrichtung nach Austausch des Tasters nicht sicher gewährleistet ist.

Aus der DE-OS 34 04 047 ist ein Joystick (Steuerstab) für die Umsetzung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale bekannt, bei welchem eine störsichere Übertragung von mechanischen Betätigungen des Steuerstabes in elektrische Signale und eine optimale Ausnutzung aller Bewegungsmöglichkeiten ermöglicht ist. Der Steuerstab ist zu diesem Zweck so ausgebildet, daß er ein flexibles Teilstück aufweist, das an einem Ende fest montiert ist und über sein anderes Ende in mindestens eine Bewegungsrichtung verbiegbar ist. Am flexiblen Teilstück ist mindestens ein kraft- bzw. bewegungsempfindlicher Sensor derart angebracht, daß bei einer Bewegung in der mindestens einen Bewegungsrichtung eine Beeinflussung des Sensors erreichbar ist. In dieser Druckschrift ist eine Orthogonalitätskorrektur nicht angesprochen und aufgrund der speziellen Anwendung auch nicht erforderlich.

Ferner ist aus der DE-OS 31 06 031 eine Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antastsystemen bekannt. Diese Einrichtung befaßt sich damit, die Meßkraft am Taster sowohl nach Betrag und nach Richtung programmierbar zu machen und über den Bereich der Tasteauslenkung konstant zu halten. Es soll also diejenige Kraft, mit welcher der Tastkopf gegen das Meßobjekt fährt, auf einem konstanten Wert gehalten werden, um eine Beschädigung des Meßobjektes zu vermeiden. Diese Maßnahme hat mit einer Orthogonalitätskorrektur nichts zu tun.

Schließlich zeigt das DE-GM 72 31 877 einen elektronischen Mehrkoordinatentaster, der drei Meßsysteme für die drei X-, Y- und Z-Richtungen umfaßt. In dem Augenblick, in dem eine Berührung mit dem Meßobjekt stattfindet, übernimmt ein Regelsystem die weitere Bewegung des Mehrkoordinatentasters. Im Prinzip handelt es sich dabei um drei autarke mechanische Meßsysteme, die jeweils induktiv arbeiten und mechanisch über Federn miteinander gekoppelt sind. Auch hier ist eine Orthogonalitätskorrektur nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tasteinrichtung zu schaffen, die als kompakte Einheit einsetzbar und bereits bei der Herstellung komplett kalibrierbar und mit einer Orthogonalitätskorrektur versehbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Tasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund insbesondere der Orthogonalitätsabweichungen bestand in der Fachwelt bisher die Annahme, daß ein sehr komplexer Zusammenhang zwischen den Abweichungen in x- und y-Richtung bei einem toleranzbehafteten Taster bestünden. Folgerichtig waren daher Lösungsvorschläge auf eine gemeinsame Kompensation der Abweichungen in den betreffenden Koordinatenrichtungen gerichtet, wie der eingangs genannte Aufsatz sowie weitere, im Literaturverzeichnis dieses Aufsatzes genannte Veröffentlichungen zeigen.

Entgegen dem Vorurteil der Fachwelt beruht die Er­ findung nun auf der Erkenntnis, daß dieser vermutete komplexe Zusammenhang in Wirklichkeit gar nicht be­ steht, sondern vielmehr die Meßgrößen bei Orthogo­ nalitätsabweichungen linear überlagert sind und durch Kompensation dieser Überlagerung unabhängig verarbeitet werden können.

Die Umsetzung dieser Erkenntnis führt zu einer im Vergleich zum Stand der Technik erheblich einfacheren, auch in analoger Schaltungstechnik realisierbaren Schaltung, die sowohl eine kostengünstige Herstellung der Auswerteschaltung gestattet als auch die Voraus­ setzungen für einen kompakten Aufbau schafft. Da­ bei beschränkt sich die Kalibrierung auf nur wenige Stellglieder, wodurch auch eine besonders hohe und konstante Genauigkeit sowie eine hohe Betriebs­ sicherheit erreicht wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Stellglieder zur Verstärkungseinstellung vom Summierer entkoppelt.

Dadurch lassen sich die Kalibriermaßnahmen seriell statt iterativ durchführen. Eine Automatisierung, die die optimalen Werte genauer, zuverlässiger und schneller erreicht, ist dadurch einfacher durchführbar.

Vorzugsweise sind die Meßverstärker in den x- und y- Kanälen jeweils zweistufig aufgebaut, wobei in der ersten Stufe die Stellglieder zur Verstärkungsein­ stellung angeordnet sind, während die zweite Stufe eines der beiden Kanäle als Summierer dient.

Durch den zweistufigen Aufbau wird einmal die Ver­ stärkungsreserve der Verstärker nicht ausgenutzt, so daß diese im Gegenkopplungsbetrieb zur Stabili­ sierung ausgenutzt werden kann. Außerdem läßt sich eine sehr wirksame Entkoppelung der beiden Stufen herbeiführen, wodurch ohne zusätzlichen Aufwand auch die Entkoppelung der Stellglieder zur Ver­ stärkungseinstellung einerseits, und vom Summierer andererseits eintritt.

Bei einer praktischen Ausgestaltung der Erfindung wird der Teil des anderen Kanalsignals, der dem Summierer gleich oder gegensinnig zugeführt ist, über Stellglieder am Ausgang des Kanals abgegriffen.

An diesem Abgriffsort ist die Ausgangsspannung be­ reits entzerrt und von anderen schaltungs- und sensor­ technisch begründeten Symmetrie- und Verstärkungsfehlern befreit. Somit kann ein winkelproportionaler Bruchteil der Ausgangspannung des anderen Kanals dem einen Kanal addiert werden, wodurch die Schief­ winkligkeit des tastereigenen Koordinatensytems be­ seitigt und in ein orthogonales Kennliniennetz überführt werden kann.

Im einzelnen umfaßt jede Stufe des Meßverstärkers symmetrisch zueinander geschaltete Differenzverstärker, wobei das Mittenpotential der ersten Stufe schwimmend zum Bezugspotential liegt und das Mittenpotential der zweiten Stufe auf das Bezugspotential bezogen ist.

Bei diesem Schaltungsaufbau lassen sich in der ersten Stufe besonders rausch- und driftarme Zweifachoperations­ verstärker einsetzen. Der Temperaturgleichlauf in Verbindung mit eng tolerierten Widerständen in dieser Stufe ergibt eine hohe Gleichtaktunterdrückung. Die Eingangsstufe läßt sich bei niedriger Signalver­ stärkung besonders auf diese Eigenschaften hin di­ mensionieren, da noch die zweite Stufe nachgeschaltet ist, die dann die nötige Signalverstärkung bewirkt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die zweiten Stufen jedes Kanals ein Symmetriestell­ glied, vorzugsweise in einem der Rückführungszweige der Differenzverstärker.

Hierdurch lassen sich Unsymmetrien der Ausgangs­ spannungen beseitigen, die auf einer ungleichmäßigen Weg-Spannung-Charakteristik des Tasters in der einen Richtung im Vergleich zur Gegenrichtung beruhen. Auf das Koordinatennetz bezogen bedeutet dies, daß unterschiedliche Abstände der Netzlinien in den verschiedenen Quadranten mit Hilfe der Symmetrie­ stellglieder beseitigt werden können und somit ein in allen Quadranten äquidistantes Koordinatennetz entsteht.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Differenzverstärker der zweiten Stufen als Summierer für Nullabgleichs­ spannungen der Brückenschaltungen aus Dehnungsmeß­ streifen dienen, die ihnen über Stellglieder aus den Speisespannungsquellen für die Dehnungsmeßstreifen zugeführt sind.

Es gelingt durch diese Maßnahme den Spannungsoffset in der Ruhelage des Tasters zu beseitigen, wobei je­ doch die Kompensationsspannungen zu diesem Offset nicht der Verstärkung der gesamten Meßverstärker unterliegen, sondern nur der Verstärkung der zweiten Stufe.

In vorteilhafter Weise werden die erforderlichen Spannungen der Speisespannungsquelle für die Dehnungs­ meßstreifen entnommen, die für eine hohe Meßgenauig­ keit bereits auf die Abgabe einer hochkonstanten Aus­ gangsspannung ausgelegt ist. Zusätzliche Maßnahmen zur Konstanthaltung der Kompensationsspannungen für den Nullabgleich sind daher nicht nötig.

Bei einer praktischen Ausgestaltung der Erfindung bildet die Anordnung aus Dehnungsmeßstreifen für jede Koordinatenrichtung eine Brückenschaltung, von der jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen mechanisch neben­ einander auf gegenüberliegenden Applikationsflächen des Taststiftes angeordnet sind. Die mechanisch neben­ einander liegenden Dehnungsmeßstreifen sind in elek­ trisch gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet.

Es ergeben sich bei dieser Anordnung zwei Vollbrücken mit aktiven Dehnungsmeßstreifen, wobei jede Vollbrücke für eine Koordinatenrichtung vorgesehen ist. Durch die Vollbrücken wird eine Vervierfachung der Emp­ findlichkeit im Vergleich zu einfachen Dehnungsmeß­ streifen erreicht. Außerdem werden Linearitätsab­ weichungen vermindert und es besteht die Möglich­ keit, Temperatureinflüsse zu eliminieren.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Taster zusammen mit der Aus­ werteschaltung eine integrale Einheit mit nominierbaren, mechanischen und elektrischen Schnittstellen bildet. Damit gelingt es, die Tasteinrichtung werkseitig vollständig zu kalibrieren, so daß der Anwender ohne signalkorri­ gierende Eingriffe einen blinden Austausch vornehmen kann. Die Einsatzbereitschaft der Tastvorrichtung ist also sofort nach dem Austausch gegeben.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Tasteinrichtung ist die Auswerteschaltung nahe dem Einspannort des einseitig eingespannten Taststiftes, vorzugsweise konzentrisch zur Stiftachse, angeordnet.

Hierdurch wird die Tastkugel des Taststiftes von allen Seiten frei zugänglich, wodurch die Tasteinrichtung auch zur Erfassung von Geometrien und Formkonturen bei sehr komplizierten Werkstücken oder Maschinen­ elementen mit tief eindringenden Ausnehmungen oder Bohrungen verwendbar ist. Eine vorzeitige Begrenzung der Eindringtiefe mit der Gefahr einer Beschädigung der Werkstückoberfläche oder der Tastvorrichtung besteht daher nicht.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der weiteren Beschreibung und der Zeichnung, die das Grundprinzip sowie ein Ausführungsbeispiel erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines für die Erfindung geeigneten Tasters,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Taster,

Fig. 3 eine erste als Vollbrücke aus­ gebildete Brückenschaltung mit Dehnungsmeßstreifen für die y-Richtung,

Fig. 4 eine entsprechende Darstellung gemäß Fig. 3, jedoch für die x-Richtung,

Fig. 5 ein schiefwinkliges, tasterbe­ zogenes Koordinatensystem der Ausgangssignale,

Fig. 6 ein Schaltungsprinzip zur Orthogonalitätskorrektur und

Fig. 7 ein vollständiges Schaltbild einer Auswerteschaltung für die erfindungsgemäße Tastvor­ richtung.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Tasters 10, der im einzelnen aus einem Taststift 14 und einer Tastkugel 12 besteht. Der Taststift 14 ist am oberen Ende fest eingespannt und als Biegestab ausgebildet. Unterhalb der Einspannstelle ist er in seinem Quer­ schnitt quadratisch ausgebildet, um die eindeutige Zuordnung zwischen x- und y-Richtung zu ermöglichen und definierte Applikationsflächen für die Dehnungs­ meßstreifen zu erzeugen.

Der im Querschnitt quadratische Bereich weist vier Applikationsflächen 56, 58, 60 und 62 auf, die zu benachbarten Applikationsflächen im rechten Winkel stehen.

Auf den Applikationsflächen sind jeweils zwei Dehnungs­ meßstreifen nebeneinander angeordnet. Die Dehnungs­ meßstreifen dienen dazu, Längenänderungen auf der Oberfläche der Applikationsflächen in Widerstands­ änderungen umzuwandeln und bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung entsprechende Ausgangssig­ nale abzugeben.

In Fig. 2, die einen Querschnitt durch den Taststift 14 am Ort der Applikationsflächen zeigt, ist die exakte Anordnung der Dehnungsmeßstreifen erkennbar. So befinden sich die Dehungsmeßstreifen RX1 und RX3 auf der Applikationsfläche 56, auf der gegenüberliegenden Applikationsfläche 58 sind die Dehnungsmeßstreifen RX2 und RX4 angeordnet. Für die y-Achse sind auf der Applikationsfläche 60 die Dehnungsmeßstreifen RY1 und RY3 vorgesehen und auf der gegenüberliegenden Appli­ kationsfläche 62 die Dehnungsmeßstreifen RY2 und RY4.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie die Dehnungsmeßstreifen für die Koordinatenrichtungen x und y elektrisch zu Vollbrücken zusammengeschaltet sind. Dabei wird erkennbar, daß die mechanisch nebeneinander auf der selben Applikationsfläche angeordneten Dehnungsmeß­ streifen in der Brücke in gegenüberliegenden Brücken­ zweigen angeordnet sind.

Die in Fig. 3 dargestellte Brücke für die y-Achse wird an den Knotenpunkten der Dehnungsmeßstreifen RY1 und RY4 bzw. RY2 und RY3 mit einer aus einer Speisespannungsquelle stammenden Eingangsspannung U_e versorgt. Bei Verstimmung des Brückengleichge­ wichts ist zwischen den Knotenpunkten der Dehnungs­ meßstreifen RY1 und RY2 einerseits und RY3 und RY4 andererseits eine Ausgangsspannung U_a abgreifbar, die ein Maß für die Verstimmung der Brücke und damit für die Dehnung der Oberflächen der Applikations­ flächen bildet.

Entsprechendes gilt für die in Fig. 4 dargestellte Vollbrücke für Bewegungen in Richtung der x-Achse. Hier liegt eine Eingangsspannung U_e einer Speise­ spannungquelle an den Knotenpunkten der Dehnungs­ meßstreifen RX1 und RX4 einerseits und RX2 und RX3 andererseits an. Die Ausgangsspannung U_a ist an den Knotenpunkten der Dehnungsmeßstreifen RX1 und RX2 einerseits und RX3 und RX4 andererseits abgreifbar.

Fig. 5 zeigt ein schiefwinkliges tasterbezogenes Ko­ ordinatensystem. Bedingt durch Fertigungstoleranzen kann es vorkommen, daß die nicht ideal-symmetrische Applikation der Dehnungsmeßstreifen sowie auch die gegenseitigen Winkel der Applikationsflächen des Taststiftes 14 von der Senkrechten abweichen und so­ mit eine Durchbiegung des Taststiftes 14 in der y- Richtung hier zusätzlich eine Durchbiegung in x-Rich­ tung vortäuscht. Es ergibt sich hierdurch ein Ver­ drehwinkel beta der Koordinatenachsen, wobei die schiefwinkligen Koordinatenachsen hier mit x′ und y′ bezeichnet sind. Würde man das Koordinatensystem zu ei­ nem Koordinatennetz ergänzen, so ergäben sich äqui­ distante Kennlinien mit konstantem Verdrehwinkel beta (β).

Wie die Zeichnung erkennen läßt, kann der Fehler in x-Richtung ausgedrückt werden durch eine Größe y′ mal tangens beta. Dies ergibt für kleine Winkel beta angenähert die Ausdrücke x = x′ + y′ mal beta und y = y′.

Die Umwandlung des schiefwinkligen Koordinatensystems in ein orthogonales gelingt also, indem ein Teil der Größe der anderen Koordinatenrichtung der einen Koordinatenrichtung zugeschlagen wird. Schaltungs­ technisch läßt sich diese Umrechnung mit einer Grundschaltung realisieren, wie sie in Fig. 6 darge­ stellt ist.

Die Schaltung in Fig. 6 bildet eine Vorrichtung zur Orthogonalitätskorrektur 28 und besteht aus einem im x-Kanal K_x angeordneten Summierer 30, dessen einem Eingang 32 das eigene Kanalsignal U_x′ und dessen anderem Eingang 34 ein Teil des anderen Kanalsignals U_y′ gleich oder gegensinnig zugeführt ist. Das Stell­ glied, das einen Teil des anderen Kanalsignals U_y′ zuführt, ist in Anlehnung an den Verdrehwinkel beta mit U_β bezeichnet.

Fig. 7 zeigt ein vollständiges Schaltbild der Auswerte­ schaltung 16.

Die Schaltungselemente sind der besseren Übersichtlich­ keit zu Baugruppen zusammengefaßt, die durch gestrichelte Umrandungen erkennbar sind. Mit 18 und 20 sind Speise­ spannungsquellen für eine positive und eine negative Speisespannung der Dehnungsmeßstreifen RX1...4 und RY1...4 bezeichnet. Die Speisespannungsquellen werden von einer hochgenauen Referenzspannungsquelle 66 ver­ sorgt, die einen Differenzverstärker 68 mit zu einer Brücke verschalteten Widerständen R12, R13, R16 und einer Präzisionszenerdiode D1 umfaßt. Zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Vollbrücken aus den Dehnungs­ meßstreifen RY1 bis RY4 und RX1 bis RX4 dient ein Meßverstärker 22 für den x-Kanal K_x und ein Meßver­ stärker 24 für den y-Kanal K_y. Die Meßverstärker 22 und 24 sind jeweils zweistufig aufgebaut, wobei im x-Kanal K_x die erste Stufe mit 32 und die zweite Stufe mit 36 bezeichnet ist und im y-Kanal K_y die erste Stufe mit 34 und die zweite Stufe mit 38.

Die ersten Stufen 32 und 34 umfassen Vorrichtungen zur Verstärkungskorrektur 26, welche durch die Stell­ glieder P7 und P8 gebildet sind. Die zweite Stufe 36 im x-Kanal K_x dient als Summierer 30 der Vor­ richtung zur Orthogonalitätskorrektur 28. Dem Sum­ mierer 30 wird ein Teil des Signals des Kanals K_y, welches an dessen Ausgang abgegriffen wird, über Stellglieder P9 und P10 für eine gleichsinnige bzw. gegensinnige Korrektur zugeführt.

Wie die Schaltung der Meßverstärker 22 und 24 erkennen läßt, sind die einzelnen Stufen durch symmetrisch zueinander geschaltete Differenzverstärker 40, 42 in der ersten Stufe 32 und 44, 46 in der zweiten Stufe 36 des x-Kanals K_x sowie 48 und 50 in der ersten Stufe 34 und 52 und 54 in der zweiten Stufe 38 des y-Kanals K_y gebildet. Die Differenzverstärker der ersten Stufen liegen schwimmend zum Bezugspotential, während die Differenzverstärker der zweiten Stufen mit ihrem Mittenpotential auf das Bezugspotential bezogen sind.

In den Rückführungszweigen der Differenzverstärker 44 und 52 befinden sich Symmetriestellglieder P11 und P12, mit denen die Symmetrie der Ausgangsspannungen in positiver und negativer Richtung eingestellt werden kann. Zum Nullabgleich der Brückenschaltungen aus den Dehnungsmeßstreifen RX1 bis RX4 und RY1 bis RY4, also zur Korrektur der Offsetspannungen, dienen Stellglieder P1 und P2 bzw. P3 und P4, die aus den Speisespannungsquellen 18 und 20 entnommene Spannungen den Differenzverstärkern 44 und 46 bzw. 52 und 54 der zweiten Stufen 36 und 38 zuführen.

In der beschriebenen Ausgestaltung bietet die Schaltung also die Möglichkeit, sämtliche Störeinflüsse, die im Zusammenhang mit Fertigungstoleranzen des Tasters 10 sowie der Eigenschaften des Dehnungsmeßstreifen zusammenhängen, zu kompensieren. Dabei ist die Anordnung der Stellglieder so vorgesehen, daß eine gegenseitige Beeinflussung, die einen iterativen Abgleich erforderlich machen würde, vermieden werden. Damit sind also die Voraussetzungen für einen seriellen Abgleich geschaffen, der automatisiert und daher schnell und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Ist die Tastvorrichtung vollständig aufgebaut, d. h. sind die aus den Dehnungsmeßstreifen gebildeten Brücken mit den Speisespannungsquellen und den Meßverstärkern verbunden, so kann die Kalibrierung in folgender Weise durchgeführt werden.

Zunächst wird ein Nullabgleich durchgeführt, damit bei der Auslenkung S_x gleich S_y gleich null, also der Ruhelage des Tasters 10, auch die entsprechenden Ausgangsspannungen am Ausgang der Meßverstärker U_x und U_y Null betragen. Dieser Abgleich wird mit den Stellgliedern P3 und P4 für den x-Kanal K_x und mit den Stellgliedern P1 und P2 für den y-Kanal K_y durchgeführt. Dabei werden den zweiten Stufen der Meßverstärker zwei Konstantspannungen aus den Speisespannungsquellen 18 und 20 zugeführt.

Der nächste Schritt betrifft die Symmetrierung der Ausgangspannungen. Hierbei wird bei maximaler Aus­ lenkung des Tasters 10 beim x-Kanal K_x mit dem Stell­ glied P12 die Spannung U_x2 gleich minus U_x1 eingestellt und eine entsprechende Einstellung für den y-Kanal mit dem Stellglied P11 durchgeführt.

In einem dritten Kalibrierungschritt erfolgt nun die Einstellung der Verstärkung, die an einem Beispiel so vorgenommen wird, daß bei maximaler Auslenkung der Tastkugel 12 in y-Richtung eine Ausgangsspannung U_y von 10 Volt erreicht wird. Dies geschieht für den y-Kanal K_y mit dem Stellglied P8 und für den x-Kanal K_x mit dem Stellglied P7. Abschließend erfolgt nun noch die Orthogonalitätskorrektur durch Rückführen eines Bruchteils der Ausgangsspannung U_y auf den Summierer 30 mittels der Stellglieder P9 und P10.

Da eine Rückwirkung der einzelnen Kalibrierungsschrit­ te aufeinander ausgeschlossen ist, wird die Kalibrie­ rung mit dem letzten Einstellschritt der Orthogonali­ tät abgeschlossen und die Tastvorrichtung ist nunmehr einsatzbereit.

Claims (10)

1. Tasteinrichtung zur Erfassung ebener Weg- und Kraftvektoren, bestehend aus einem Taster (10) mit einer Tastkugel (12) und einem einseitig eingespannten, als Biegestab ausgebildeten Taststift (14), der für jede der beiden orthogonalen Koordinatenrichtungen (x, y) eine Anordnung aus Dehnungsmeßstreifen (RX1...4; RY1...4) trägt, sowie aus einer Auswerteschaltung (16) mit Speisespannungsquellen (18, 20) für die Dehnungsmeßstreifen (RX1...4; RY1...4), Meßverstärkern (22, 24) in x- und y-Kanälen (K_x; K_y) für die in den Koordinatenrichtungen (x, y) erfaßten Größen und Vorrichtungen zur Verstärkungs/Maßstabs- (26) und Orthogonalitätskorrektur (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Orthogonalitätskorrektur (28) aus einem in einem der beiden Kanäle (K_x; K_y) ange­ ordneten Summierer (30) besteht, dessen einem Eingang (32) das eigene Kanalsignal (U_x′) und dessen anderem Eingang (34) ein Teil des anderen Kanalsignals (U_y′) gleich- oder gegensinnig zugeführt ist.

2. Tastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verstärkungskorrektur (26) Stellglieder (P7, P8) zur Verstärkungseinstellung in einem Kanal oder in beiden Kanälen (K_x; K_y) umfaßt, und daß die Stellglieder (P7, P8) zur Verstärkungseinstellung vom Summierer (30) entkoppelt sind.

3. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverstärker (22, 24) in den x- und y-Kanälen (K_x; K_y) jeweils zwei­ stufig aufgebaut sind und daß in der ersten Stufe (32, 34) die Stellglieder (P7, P8) zur Verstärkungs­ einstellung angeordnet sind, während die zweite Stufe (36, 38) eines der beiden Kanäle (K_x; K_y) als Sum­ mierer (30) dient.

4. Tastvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des anderen Kanalsignals (K_y), der dem Summierer (30) gleich- oder gegensinnig zugeführt ist, über Stellglieder (P9, P10) am Ausgang des Kanals (K_y) abgegriffen ist.

5. Tastvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe (32, 34; 36, 38) des Meßverstärkers (22, 24) symmetrisch zueinander geschaltete Differenzverstärker (40, 42; 44, 46; 48, 50; 52, 54) umfaßt, wobei das Mittenpotential der ersten Stufen (32, 34) schwimmend zum Bezugspotential liegt und das Mittenpotential der zweiten Stufen (36, 38) auf das Bezugspotential bezogen ist.

6. Tastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Stufen (36, 38) je­ des Kanals (K_x, K_y) ein Symmetriestellglied (P11, P12), vorzugsweise in einem der Rückführungszweige der Differenzverstärker (44; 52), umfaßt.

7. Tastvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärker (44, 46; 52, 54) der zweiten Stufen (36, 38) als Summierer für Nullabgleichsspannungen der Brückenschaltungen aus Dehnungsmeßstreifen (RX1...4; RY 1...4) dienen, die ihnen über Stellglieder (P1, P2; P3, P4) aus den Speisespannungsquellen (18, 20) für die Dehnungsmeßstreifen (RX1...4; RY1...4) zu­ geführt sind.

8. Tastvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Dehnungsmeßstreifen (RX1...4; RY1...4) für jede Koordinatenrichtung (x, y) eine Brückenschaltung bildet, von der jeweils zwei Dehnungs­ meßstreifen (RX1, RX3; RX2, RX4; RY1, RY3; RY2, RY4) mechanisch nebeneinander auf gegenüberliegenden Applikationsflächen (56, 58; 60, 62) des Taststiftes (14) angeordnet sind und die mechanischen nebenein­ ander liegenden Dehnungsmeßstreifen (RX1, RX3; RX2, RX4; RY1, RY3; RY2, RY4) in elektrisch gegenüber­ liegenden Brückenzweigen angeordnet sind.

9. Tastvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (10) zusammen mit der Auswerteschaltung (16) eine integrale Einheit mit nominierbaren, mechanischen und elektrischen Schnittstellen bildet.

10. Tastvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (16) nahe dem Einspannort des einseitig eingespannten Taststiftes (14), vorzugs­ weise konzentrisch zur Stiftachse (64), angeordnet ist.