DE4013742A1 - Abtastkopf - Google Patents
AbtastkopfInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abtastkopf für ein Gerät zum
Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige bekannte Abtastköpfe finden in Meßmaschinen Ver
wendung, in denen Koordinatenantriebe vorgesehen sind, um
eine Relativbewegung zwischen Abtastkopf und Werkstückober
fläche in in der Regel zueinander senkrechten Abtastrich
tungen zu erzeugen. Die Abtastgeschwindigkeit muß dann,
wenn die Werkstückoberfläche steile Konturabschnitte ent
hält, verhältnismäßig gering gewählt werden, damit die Tast
spitze nicht trägheitsbedingt von der Werkstückoberfläche
abhebt bzw. nicht mit dieser hart kollidiert. Aus diesem
Grunde ist ein Einsatz derartiger Meßmaschinen bisher auf
das Ausmessen einzelner Werkstücke beschränkt, ein voll
ständiges Ausmessen von Serienprodukten ist aus Zeitgründen
nicht möglich, obwohl es zur Qualitätssicherung wünschens
wert wäre.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Abtastkopf
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet
werden, daß mit ihm eine Werkstückoberfläche rascher ausge
messen werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Abtast
kopf gemäß Anspruch 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Abtastkopf wird die Tastspitze
unabhängig von der lokalen Oberflächenkontur der Werkstück
oberfläche mit gleichbleibendem Druck in Anlage an der Werk
stückoberfläche gehalten. Das schnelle Nachregeln des Anpreß
druckes auf den jeweils gewünschten Sollwert ermöglicht
es, die Relativgeschwindigkeit zwischen Abtastkopf und Werk
stückoberfläche beträchtlich zu erhöhen, so daß man auch
seriengefertigte Werkstücke in großer Zahl hundertprozentig
vermessen kann. Der apparative Mehraufwand ist verglichen
mit diesem Vorteil gering.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran
sprüchen angegeben.
Gemäß Anspruch 2 wird die auf die Tastspitze einwirkende
Kraft direkt in unmittelbarer Nachbarschaft der Tastspitze
und weitgehend frei von anderen Einflüssen gemessen.
Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 3 hat man eine sichere
Positionierung der Tastspitze in den beiden Abtastrichtungen,
also gegen parallel zur Referenzebene liegenden Kräften,
während zugleich eine gute Beweglichkeit in zur Referenz
ebene senkrechter Richtung gewährleistet ist.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird
erreicht, daß keine Unstetigkeiten in der Kraftübertragungs
strecke von der Tastspitze zum Tastspitzenträger auftreten,
entsprechend auch das Ausgangssignal des Kraftfühlers sich
stetig ändert.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird
erreicht, daß das Messen der auf die Tastspitze einwirken
den momentanen Kraft im wesentlichen entkoppelt von der
Stellungsmessung erfolgt, da Festkörper-Kraftfühler bei
nur kleiner Verformung einen großen Kraftbereich messen
können.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im
Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Signalüber
tragung zwischen dem mit dem Tastspitzenträger bewegten
Kraftfühler und der in der Regel gehäusefesten Elektronik
einheit von Vorteil.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im
Hinblick auf einen mechanisch besonders einfachen Aufbau
von Tastspitze und Tastspitzenträger von Vorteil.
Ein Stellungsgeber, wie er im Anspruch 8 angegeben ist,
zeichnet sich durch eine besonders hohe Grenzfrequenz
aus. Dies ermöglicht ein besonders rasches Abtasten der
Werkstückoberfläche. Auch ist ein solcher Stellungsgeber
insbesondere dann von Vorteil, wenn sein Ausgangssignal
zugleich zur Ableitung der auf die Tastspitze einwirkenden
Kraft verwendet wird, wie im Anspruch 7 vorgeschlagen.
Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 9 kann man auch solche
Kraftfühler verwenden, deren getriebenes Eingangsglied bei
der Kraftmessung eine nicht mehr vernachlässigbare Lage
änderung erfährt, und man kann auch solche Werkstückober
flächen ausmessen, bei denen das Material unter der Ein
wirkung der Tastspitze eine ins Gewicht fallende lokale
Verformung erleidet. In beiden Fällen wird bei dem Abtast
kopf gemäß Anspruch 9 der Arbeitsweg des Kraftfühlers und die
Eindringtiefe der Tastspitze automatisch bei der Stellungs
messung mit berücksichtigt.
Dabei kann man bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 10 unter
schiedlicher Härte auszumessender Werkstückoberflächen auf
einfache Weise durch Auswahl einer entsprechenden Kraft/Weg-Kenn
linie für den Kraftfühler-Arbeitsweg bzw. die Tast
spitzen-Eindringtiefe automatisch Rechnung tragen.
Bildet man den Stellmotor des Abtastkopfes gemäß Anspruch
11 aus, so hat der Stellmotor sehr einfachen mechanischen
Aufbau, arbeitet darüber hinaus reibungsfrei und läßt sich
besonders einfach und mit preiswerten Komponenten fein an
steuern.
Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 12 kann man die Andrück
kraft der Tastspitze an vorgegebenen Stellen oder in regel
mäßigen zeitlichen Abständen erhöhen, um an ausgewählten
Punkten die Härte des Werkstückes über die zusätzliche Ein
dringtiefe der Tastspitze zu ermitteln.
Ein Abtastkopf, wie er im Anspruch 13 angegeben ist, läßt
sich gleich gut in positiver und negativer Abtastrichtung
einsetzen. Er braucht somit zum Abtasten einer weiteren
Linie nicht in die Nullstellung in der Abtastrichtung
zurückgefahren werden, wodurch man eine erhebliche Zeit
ersparnis erhält.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen taktilen
Abtastkopf einer Oberflächenmeßmaschine in Ver
bindung mit einer zugehörigen Betriebselektronik;
und
Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, in welcher
ein mechanisch einfacher aufgebauter Abtastkopf
wiedergegeben ist.
In der Zeichnung ist ein taktiler Abtastkopf zum genauen
Ausmessen der Mikro-Oberflächenkontur einer Werkstückober
fläche 10 insgesamt mit 12 bezeichnet.
Der Abtastkopf 12 hat ein Gehäuse 14 mit im wesentlichen
U-förmigem Querschnitt. Die Schenkel des Gehäuses 14 tragen
einen Lagerstift 16, auf welchem ein zweiarmiger Tastspit
zen-Trägerhebel 18 verschwenkbar gelagert ist.
Der geradlinige Trägerhebel 18 hat einen Stützarm 20 und
einen mit diesem fluchtenden Antriebsarm 22. An einem mitt
leren Nabenabschnitt 24 des Trägerhebels 18 ist eine Blatt
feder 26 durch Schrauben 28 befestigt, derart, daß sie sich
parallel unter dem Stützarm 20 erstreckt. Das freie Ende
der Blattfeder 26 trägt nach unten weisend eine Tastspitze
30, die mit der Werkstückoberfläche 10 zusammenarbeitet.
Die Oberseite der Blattfeder 26 drückt über ein Isolier
plättchen 32 gegen einen Kraftfühler 34, der in der Praxis
ein induktiver, kapazitiver, optischer oder piezoelektrischer
Kraftfühler sein kann. Die oben liegende Stirnfläche des
Kraftfühlers 34 ist über ein weiteres Isolierplättchen 36
an der Unterseite des Stützarmes 20 abgestützt.
Über eine geschwungene, leicht biegbare Leitung 38 ist der
Kraftfühler 34 mit einer gehäusefesten Leitung 40 verbunden.
Die Länge der biegbaren Leitung 38 ist so bemessen, daß
sie auch dann, wenn die Tastspitze 30 im unteren Endpunkt
ihres Arbeitshubes steht, noch aus der neutralen Achse aus
geflext ist (in der Zeichnung ist der Trägerhebel 18 in der
Mitte des Arbeitshubes dargestellt).
Am Antriebsarm 22 des Trägerhebels 18 greift eine Zugfeder
42 an, deren zweites Ende am Gehäuse 14 festgelegt ist.
Der Antriebsarm 22 trägt ferner bei seinem in der Zeichnung
rechts gelegenen Ende einen Permanentmagneten 44, der mit
einer gegenüber liegenden gehäusefesten Magnetspule 46 zu
sammenarbeitet.
In einem mittleren Abschnitt ist auf den Antriebsarm 22
eine Kontaktplatte 48 aufgeschweißt, die mit dem balligen
Ende des federnd in Auswärtsrichtung vorgespannten Eingangs
gliedes eines Stellungsgebers 50 zusammenarbeitet, der z. B.
ein Differentialtransformator sein kann.
Das auf der Leitung 40 stehende Ausgangssignal des Kraft
fühlers 34 wird über einen Verstärker 52 auf einen Kenn
linienkreis 54 gegeben, der das Eingangssignal gemäß einer
einprogrammierten Kennlinie modifiziert, insbesondere Nicht
linearitäten in der Kraftfühler-Kennlinie kompensiert. Das
linearisierte Kraftsignal wird auf den einen Eingang eines
Differenzverstärkers 56 gegeben, dessen zweiter Eingang
ein der Soll-Andrückkraft für die Tastspitze 30 zugeord
netes Sollwertsignal erhält, welches beispielsweise an zwei
einstellbaren Widerständen 58, 60 vorgegeben werden kann.
Der Widerstand 60 ist von einem steuerbaren Schalter 62
überbrückt, um das Sollwertsignal zwischen einem niederen
Normalwert (Schalter 62 geschlossen) und einem hohen Härte-
Prüfwert (Schalter 62 vorübergehend offen) umschalten zu
können. Diese Umschaltung erfolgt über ein ODER-Glied 64
entweder zeitgesteuert durch einen freilaufenden Taktgeber
66, der über eine externe Steuerleitung 68 ein- und aus
geschaltet werden kann, oder direkt durch externe Steuer
signale, die auf einer Leitung 70 von einer in der Zeichnung
nicht wiedergegebenen zentralen Steuerung der Meßmaschine
her bei vorprogrammierten Punkten der Werkstückoberfläche
oder in Abhängigkeit vom Erfülltsein bestimmter Auswahlkri
terien, die auf die schon gewonnenen Meßergebnisse angewandt
werden, bereitgestellt werden. Das Ausgangssignal des ODER-
Gliedes 64 wird auf einer Ausgangsleitung 71 bereitgestellt,
um die den Abtastkopf 12 oder das Werkstück bewegenden
Koordinatenantriebe solange anzuhalten, wie der zur Härte
prüfung vorübergehend erzeugte höhere Taktspitzen-Anpreßdruck
aufrecht erhalten wird.
Das am Ausgang des Differenzverstärkers 56 erhaltene Fehler
signal gelangt auf den Eingang eines Leistungsverstärkers
72, der auf die Magnetspule 46 arbeitet.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 wird ferner auf einen
zweiten Kennlinienkreis 74 gegegeben, der eine Mehrzahl
von Kraft/Weg-Kennlinien enthält, von denen jeweils eine
über eine Wähleinheit 76 aktivierbar ist. Die in dem Kenn
linienkreis 74 einprogrammierten Kennlinien geben jeweils
an, welche Verformung der Kraftfühler 34 erfährt und wie
tief die Tastspitze bei der jeweiligen Andrückkraft in den
jenigen Werkstoff eindringt, aus welchem die gerade ausge
messene Werkstückoberfläche 10 besteht. Für diese beiden
Verformungswege, die als Fehleranteile im Ausgangssignal
des Stellungsgebers 50 enthalten sind, stellt der Kenn
linienkreis 74 ein Korrektursignal bereit, welches in einem
Summierkreis 78 zum Ausgangssignal des Stellungsgebers 50
hinzuaddiert wird. Das korrigierte Stellungssignal wird
auf einer Leitung 80 an die zentrale Steuereinheit der Meß
maschine zur weiteren Auswertung abgegeben.
Der oben beschriebene Abtastkopf arbeitet in einer Meß
maschine folgendermaßen:
Die Werkstückoberfläche 10 wird durch in der Zeichnung nicht wiedergegebene Grob-Verstelleinrichtungen der Meßmaschine so verfahren, daß die Werkstückoberfläche 10 im Mittel mit einer Referenzfläche 82 zusammenfällt. Das Abtasten der Werkstückoberfläche 10 erfolgt (unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung wiedergegebene xyz-Koordinatensystem) in x-Richtung, wobei der Abtastkopf nach jeder x-Abtastung um eine kleine Strecke in y-Richtung verschoben wird.
Die Werkstückoberfläche 10 wird durch in der Zeichnung nicht wiedergegebene Grob-Verstelleinrichtungen der Meßmaschine so verfahren, daß die Werkstückoberfläche 10 im Mittel mit einer Referenzfläche 82 zusammenfällt. Das Abtasten der Werkstückoberfläche 10 erfolgt (unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung wiedergegebene xyz-Koordinatensystem) in x-Richtung, wobei der Abtastkopf nach jeder x-Abtastung um eine kleine Strecke in y-Richtung verschoben wird.
Beim Hinwegbewegen der Tastspitze 30 über Erhebungen 84
der Werkstückoberfläche 10 erzeugt der Kraftfühler 34 im
ansteigenden Oberflächenabschnitt zunächst ein vergrößertes
Ausgangssignal. Dieses führt über den Differenzverstärker
56 zu einer sofortigen Verminderung der magnetischen Zusatz
kraft, welche der durch den Permanentmagneten 44 und die
Magnetspule 46 gebildete magnetische Stellmotor zusätzlich
zur Kraft der Zugfeder 42 auf den Antriebsarm 22 des Träger
hebels 18 ausübt. Läuft die Tastspitze 30 dagegen über einen
abfallenden Oberflächenabschnitt, so verkleinert sich das
Ausgangssignal des Kraftfühlers 34, und die Magnetspule
46 wird entsprechend mit größerem Strom beaufschlagt, so
daß man insgesamt eine größere Tastspitzen-Anpreßkraft
erhält.
Durch die oben beschriebene Regelung ist insgesamt gewähr
leistet, daß die Tastspitze 30 unabhängig von der Mikro
kontur der Werkstückoberfläche unter im wesentlichen kon
stantem Anpreßdruck auf der Werkstückoberfläche läuft. Be
schädigungen der Werkstückoberfläche durch die Tastspitze
sind somit ebenso ausgeschlossen wie ein Abheben der Tast
spitze beim raschen Bewegen derselben über die Werkstück
oberfläche hinweg.
Wünscht man die Härte an einem bestimmten Punkt der Ober
fläche zu messen, so wird nach Anhalten der Koordinaten
antriebe durch Ansteuerung des Schalters 62 die Tastspitzen-
Andrückkraft vorübergehend erhöht, und die an die Leitung
80 angeschlossene zentrale Steuereinheit kann aus der mit
der Erhöhung der Anpreßkraft einhergehenden Signaländerung
die lokale Härte der Werkstückoberfläche bestimmen, wobei
sie auf abgelegte Vergleichswerte oder Kennlinien zurück
greift.
Der oben beschriebene Abtastkopf 12 hat ebenso wie die ihm
unmittelbar zugeordneten Schaltkreise sehr einfachen Aufbau,
so daß man mit geringem Aufwand eine erhebliche Vergrößerung
der Abtastgeschwindigkeit erhält.
Bei dem in Fig. 2 wiedergegebenen Abtastkopf sind Teile
des Kopfes selbst und der Betriebselektronik, die obenstehend
unter Bezugnahme auf Fig. 1 schon erläutert wurden, wieder
mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Tastspitze 30 ist nun direkt am Stützarm 20 des Träger
hebels 18 angebracht, und zur Bestimmung der auf die Tast
spitze 30 einwirkenden Kraft wird das Ausgangssignal des
Stellungsgeber 50 in einer Doppeldifferenzierstufe 86
zweimal zeitlich abgeleitet und mit einem z. B. an einem
Widerstand 88 einstellbaren Signal (entsprechend der bewegten
Masse und der Bewegungsübersetzung gewählt bzw. in Eichmes
sungen bestimmt) multipliziert. Das dann am Ausgang der
Doppeldifferenzierstufe 86 bereitgestellte berechnete
Kraftsignal wird auf den Eingang des Verstärkers 52 gegeben
und wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weiterverar
beitet.
Beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemein
sam, daß die Tastspitze 30 rotationssymmetrisch ist, so
daß bezüglich beliebiger Bewegungen in der x-y-Ebene die
gleichen Eingriffsbedingungen mit Erhebungen 84 vorliegen.
Auch die Anordnung und Lagerung des Trägerhebels 18 ist
so gewählt, daß gleiche Bedingungen für beliebige Wahl
der Abtastrichtung in der x-y-Ebene vorliegen, insbesondere
in der Zeichnung von links nach rechts bzw. von rechts
nach links oder von vorn nach hinten bzw. von hinten nach
vorn. Man kann somit am Ende einer Abtastlinie direkt
auf das Ende der nächsten Abtastlinie überwechseln und
von dort zu deren Anfang zurückmessen. Die Tastspitze
30 muß bei den aufeinanderfolgenden Abtastlinien nicht
auf den äquivalenten Ausgangspunkt gestellt werden, sie
kann gleichermaßen geschleppt und geschoben werden.
Claims (13)
1. Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikro
oberflächenkontur von Werkstücken, mit einem Gehäuse
(14), mit einem am Gehäuse (14) beweglich gelagerten (16)
starren Tastspitzenträger (18), der eine feine Tastspitze
(30) trägt, mit Mitteln (42 bis 46) zum elastischen Vor
spannen der Tastspitze (30) gegen die Werkstückoberfläche
(10) und mit einem mit dem Tastspitzenträger (18) zusammen
arbeitenden Stellungsgeber (50), dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kraftfühler (34; 50, 86, 88) vorgesehen ist, der
die auf die Tastspitze (30) einwirkende Kraft mißt; und daß
unter den Vorspannmitteln ein auf den Tastspitzenträger (18)
arbeitender steuerbarer Stellmotor (44, 46) ist, dessen
Abtriebskraft auf konstantes Ausgangssignal des Kraftfühlers
(34; 50, 86, 88) eingeregelt (56 bis 60) wird.
2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tastspitze (30) auf dem Tastspitzenträger
(18) senkrecht zur Referenzfläche (82) verlagerbar ist
und über den Kraftfühler (34) am Tastspitzenträger (18)
abgestützt ist.
3. Abtastkopf nach Anspruch 2, wobei der Tastspitzen
träger ein im wesentlichen parallel zur Werkstückober
fläche (10) verlaufender Trägerhebel (18) ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tastspitze (30) auf einer parallel
unter dem Trägerhebel (18) verlaufenden Blattfeder (26)
angeordnet ist.
4. Abtastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kraftfühler (34) unter elastischer Vorspannung
zwischen der Tastspitze (30) und dem Trägerhebel (18) sitzt.
5. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (34) ein Festkörper-
Fühlelement umfaßt.
6. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (34) über eine
Leitung (38) geringer Biegesteifigkeit, die auch bei voll
ausgefahrenem Tastspitzenträger (18) aus der neutralen
Faser vorausgelenkt ist, mit einer gehäusefesten Leitung
(40) verbunden ist.
7. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kraftfühler (50, 86, 88) einen, vorzugsweise
den mit dem Tastspitzenträger (80) zusammenarbeitenden
Stellungsgeber (50) und eine an diesen angeschlossene
Doppeldifferenzierstufe (86) aufweist.
8. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stellungsgeber (50) ein unter
Verwendung des Halleffektes arbeitender Stellungsgeber
ist.
9. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn
zeichnet durch einen mit dem Ausgangssignal des Kraft
fühlers (34; 50, 86, 88) beaufschlagten Kraft/Weg-Kenn
linienkreis (74) und durch einen Summierer (78), der mit
dem Ausgangssignal des letzteren und dem Ausgangssignal des
mit dem Tastspitzenträger (18) zusammenarbeitenden Stellungs
gebers (50) beaufschlagt ist.
10. Abtastkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kraft/Weg-Kennlinienkreis (74) austauschbar
ist oder eine Mehrzahl unterschiedliche Kraft/Weg-Kenn
linien enthält, von denen jeweils eine durch eine Wähl
einheit (76) aktivierbar ist.
11. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stellmotor einen mit dem Tast
spitzenträger (18) verbundenen Permanentmagneten (44) und
eine vom Gehäuse (14) getragene Magnetspule (46) aufweist.
12. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn
zeichnet durch einen Sollwert-Schaltkreis (62 bis 66),
der das Sollwertsignal für den Stellmotor-Regelkreis (56
bis 60) zwischen verschiedenen Werten umschaltet.
13. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tastspitze (30) symmetrisch
zu ihrer senkrecht auf der Abtastrichtung stehenden Mittel
ebene ist, vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, und
ihre Anbringung am Tastspitzenträger (18) sowie die An
bringung und Lagerung (16) des Tastspitzenträgers (18) am
Gehäuse (14) so gewählt sind, daß die Relativbewegung
zwischen Tastspitze (30) und Werkstückoberfläche (10) in
positiver und negativer Abtastrichtung unter gleichen
Bedingungen erfolgt.
Priority Applications (4)
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