DE60037293T2 - Fühlerprobe mit Vorrichtung für konstanten Druck - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Konstantdruck-Mechanismus für eine Sonde für ein Kontaktmessinstrument.
  • Eine Sonde (Messteil) wird, wie weit verbreitet bekannt ist, auf eine Soll- bzw. Zielfläche aufgrund der Kraft einer Schraubenfeder während einer Messung mit einem Messinstrument, wie beispielsweise einer Messuhr, gedrückt. Allerdings ändert sich, wenn die Sonde nur durch die Schraubenfeder gedrückt wird, die Vorspannkraft der Schraubenfeder entsprechend dem Auslenkungsgrad der Schraubenfeder, was eine Änderung in der Kontaktkraft entsprechend einer Bewegung der Sonde zur Folge hat.
  • Der Kontaktdruck der Sonde, der auf die Zielfläche aufgebracht wird, ändert sich, genauer gesagt, auch dann entsprechend dazu, wenn sich die Vorspannkraft der Schraubenfeder entsprechend der Bewegung der Sonde ändert, so dass die Zielfläche selbst deformiert werden kann oder sich der Haltezustand des Werkstücks durch eine Gegenkraft entsprechend dazu ändert, so dass man folglich nicht in der Lage ist, ein korrektes Messergebnis mit einer Reproduzierbarkeit zu erhalten.
  • Im Hinblick auf das vorstehende Problem hat der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung einen Konstantdruck-Mechanismus, um die Sonde unter einer ungefähr konstanten Kraft unabhängig des Bewegungsbetrags davon, in der Japanischen Patentanmeldung No. Hei 10-82788 ( Japanische Patentoffenlegung No. Hei 11-257904 ) und der Japanischen Patentanmeldung No. Hei 10-315469 vorgeschlagen.
  • Allerdings kann, entsprechend dem vorstehenden Konstantdruck-Mechanismus, obwohl der Messdruck der Sonde ungefähr konstant unabhängig des Bewegungsbetrags der Sonde beibehalten werden kann, die gesamte Dimension des Mechanismus wesentlich groß dann werden, wenn der Bewegungsweg der Sonde groß ist, und das Gewicht des Mechanismus kann erhöht werden. Deshalb wird der vorstehende Konstantdruck-Mechanismus nicht geeignet für eine Sonde mit einem großen Messweg verwendet.
  • Aus der DE 34 44 956 ist ein Messinstrument bekannt, das eine Messsonde für Präzisionslängenmessungen besitzt. Die Sonde ist über den Draht mit einer kreisförmigen Riemenscheibe verbunden. Die kreisförmige Riemenscheibe ist fest an einer weiteren Riemenscheibe verbunden. Diese weitere Riemenscheibe ist mit einem weiteren Draht verbunden. Der weitere Draht ist mit einer Schraubenfeder verbunden und die Schraubenfeder ist mit einem Gehäuse des Messinstruments verbunden. Darin wird ein Radius der weiteren Riemenscheibe proportional zu der Erhöhung der Federkraft verringert, so dass, zusammen mit dem vollständigen Messweg, die Bewegung konstant verbleibt.
  • Weiterhin offenbart die US 4,685,648 eine Vorrichtung, um ein Gewicht auszugleichen, zum Beispiel eines bewegbaren Elements eines optischen Präzisionsinstruments, wie beispielsweise eines Mikroskops. Der Ausgleichsmechanismus weist mindestens eine unregelmäßig geformte Riemenscheibe auf.
  • Weiterhin offenbart die FR 2 435 242 ein Spirometer mit einer mittels Feder ausbalancierten, floatierenden Glas- bzw. Vakuumglocke, wobei die Glocke durch einen Draht mit einer kreisförmigen Riemenscheibe verbunden ist. Die kreisförmige Riemenscheibe ist über einen Stift mit einer Spiral-Riemenscheibe verbunden. Die Spiral-Riemenscheibe ist mit einer weiteren Riemenscheibe verbunden. Die weitere Riemenscheibe ist als ein Segment eines Kreises geformt und ist mit einer zusätzlichen, kreisförmigen Riemenscheibe verbunden. Die zusätzliche, kreisförmige Riemenscheibe ist mit einer Schraubenfeder verbunden, wobei die Schraubenfeder an einem Rahmen an einem Punkt befestigt ist.
  • Weiterhin offenbart die US 5,037,059 einen Aufhängungsmechanismus, um ein Objekt von einer Decke aufzuhängen, insbesondere um eine Röntgenröhre und eine Röntgendiagnostik-Vorrichtung zu halten, die über einem Patienten aufgehängt wird. Dieser Aufhängungsmechanismus ist mit einem Ausgleichsmechanismus versehen, bei dem das Objekt durch linke und rechte Drähte aufgehängt ist, die durch so genannte „com pulleys" aufgewickelt werden. Darin besitzt die Com-Riemenscheibe eine spiralförmige Nut. Das Drehmoment, das durch die Schraubenfedern aufgebracht wird, die auf die Com-Riemen scheibe einwirken, ändert sich, wenn sich die Welle dreht, allerdings verschiebt die Riemenscheibe mit einer Änderung der Radien die Änderung in dem Drehmoment so, dass das aufgehängte Objekt unter einer konstanten Rate angehoben werden kann.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde mit einer kleinen Außendimension und geringem Gewicht und einen solchen, der dazu geeignet ist, die Sonde unter einem annähernd konstanten Druck gerade dann zu drücken, wenn der Bewegungsweg der Sonde groß ist, zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Konstantdruck-Mechanismus, der die Merkmale des Anspruchs 1 besitzt, gelöst.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist in dem abhängigen Anspruch angegeben.
  • Ein Zählermechanismus kann vorzugsweise mit einem inneren Ende der Sonde verbunden sein. Demzufolge kann der Zählermechanismus ein Zählerritzel, das mit einer Sonde verzahnt ist, sein, so dass durch einen Drehcodierer, usw., gezählt wird.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen davon in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 zeigt einen Vorderaufriss eines Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde;
  • 2 zeigt eine Darstellung eines Prinzips des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde;
  • 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines primären Abschnitts des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde;
  • 4 zeigt eine Darstellung einer Spiralkurve des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde;
  • 5 zeigt einen Vorderaufriss eines Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde.
  • 6(a) zeigt einen Vorderaufriss eines primären Abschnitts eines Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde.
  • 6(b) zeigt einen rechtsseitigen Aufriss eines primären Bereichs des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde.
  • 6(c) zeigt einen hinteren Aufriss eines primären Bereichs eines Konstantdruck-Mechanismus.
  • 7(a) zeigt einen hinteren Aufriss eines primären Bereichs eines Konstantdruck-Mechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 7(b) zeigt einen linksseitigen Aufriss eines primären Bereichs des Konstantdruck-Mechanismus gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 7(c) zeigt einen vorderen Aufriss eines primären Bereichs des Konstantdruck-Mechanismus gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 8(a) zeigt einen hinteren Aufriss eines primären Bereichs eines Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 8(b) zeigt einen linksseitigen Aufriss eines primären Bereichs des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde gemäß der zweiten Ausführungsform; und
  • 8(c) zeigt einen vorderen Aufriss eines primären Bereichs des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde gemäß der zweiten Ausführungsform.
  • Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt einen vergrößerten vorderen Aufriss des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde.
  • Eine Sonde 2A, die einen Spitzen-Kontaktbereich 2a besitzt, um einer Zielfläche (nicht dargestellt) zu folgen, ist gleitend in einer Richtung eines Pfeils A relativ zu einem Gehäuse 3A (stationärer Bereich des Instruments) aufgehängt, wie dies in 1 dargestellt ist.
  • Eine kreisförmige Riemenscheibe 5A und eine spiralförmige Riemenscheibe 6A, die durch eine zentrale Achse 4A verbunden sind, sind drehbar an einem unteren Ende des Gehäuses 3A als der stationäre Bereich des Instruments gehalten, und ein Ende von Drähten 7A und 8A ist jeweils an der kreisförmigen Riemenscheibe 5A und der spiralförmigen Riemenscheibe 6A befestigt.
  • Genauer gesagt ist eine Schraubenfeder 10A, die ein befestigtes Ende besitzt, das an einem Eingriffsstift 9A an einer oberen Seite des Gehäuses 3A befestigt ist, an einer Innenseite des Gehäuses 3A befestigt. Ein freies Ende der Schraubenfeder 10A ist mit einem Ende des Drahts 7A befestigt, wobei das andere Ende an der kreisförmigen Riemenscheibe 5A befestigt ist, während er ungefähr parallel zu einer Länge der Sonde 2A verläuft. Eine Drehkraft in einer Richtung wird auf die kreisförmige Riemenscheibe 5A durch eine deformierende Spannung der Schraubenfeder 10A aufgebracht.
  • Ein Ende des Drahts 8A, dessen anderes Ende an der spiralförmigen Riemenscheibe 6A befestigt ist, ist in einen Eingriffsstift 11A an dem inneren Ende der Sonde 2A eingehängt, während es ungefähr parallel zu der Sonde 2A verläuft. Demzufolge wird die deformierende Spannung der Schraubenfeder 10A auf die Sonde 2A über den Draht 7A, die kreisförmige Riemenscheibe 5A, die spiralförmige Riemenscheibe 9A und den Draht 8A übertragen, so dass immer eine konstante, nach unten gerichtete Protrusionskraft auf die Sonde 2A aufgebracht wird.
  • Die Schraubenfeder 10A, der Draht 7A und die kreisförmige Riemenscheibe 5A bilden einen Drehkraft-Drückmechanismus 15.
  • Ein Zahnstangenelement 12A als eine Verlängerung der Sonde 2A ist an einem inneren Ende der Sonde 2A befestigt und ein Zählerritzel 13A, das drehbar in dem Gehäuse 3A gehalten ist, steht mit dem Zahnstangenelement 12A in Eingriff. Dementsprechend wird eine Längsverschiebung der Sonde 2A entlang der Zielfläche in einen Drehwinkel des Zählerritzels 13A über das Zahnstangenelement 12A und das Zählerritzel 13A umgewandelt. Der Drehwinkel des Zählerritzels 13A wird elektrisch zu einem Konvertierer (nicht dargestellt) umgewandelt, so dass die Verschiebung der Sonde 2A genau gemessen wird.
  • Die Zahnstange 12A, das Zählerritzel 13A und der Wandler bilden den Zählermechanismus.
  • 2 zeigt eine Darstellung des Prinzips des Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde. in 2 und 3 ist „Fm" die Messkraft der Sonde 2A, „R" ist der Radius der kreisförmigen Riemenscheibe 5A und „K" ist die Fehlerkonstante (Steifigkeit) der Schraubenfeder 10A, wobei die jeweiligen Positionen der kreisförmigen Riemenscheibe 5A, der spiralförmigen Riemenscheibe 6A und der Sonde 2A Ausgangspositionen dann sind, wenn sich die Drähte 7A und 8A vertikal spannen und sich die Schraubenfeder 10A bei ihrer natürlichen Länge befindet. Wenn die Variablen jeweils sind:
    Deformierungsspannung ;fs
    Ausdehnung der Schraubenfeder 10A ;X
    Drehwinkel der kreisförmigen Riemenscheibe 5A und der spiralförmigen Riemenscheibe 6A ;θ (Radian)
    Abstand von der zentralen Achse 4A der spiralförmigen Riemenscheibe 6A zu dem Draht 8A ;h
    gelten die nachfolgenden Gleichungen: X = R·θ (erste Gleichung) Fs = K·X (zweite Gleichung)
  • Weiterhin gilt, wenn die zueinander entgegengesetzten Drehmomente, die auf die kreisförmige Riemenscheibe 5A und die spiralförmige Riemenscheibe 6A aufgebracht sind, gleich sind, die nachfolgende Gleichung: Fm·h = fs·R;die geändert werden kann als: h = (R/Fm)·fs (dritte Gleichung)
  • Wenn die dritte Gleichung durch die erste und die zweite Gleichung substituiert wird, kann die nachfolgende Beziehung aufgestellt werden. h = (K·R2/Fm)·θ (vierte Gleichung)
  • Mit anderen Worten kann eine Spirale, die die vierte Gleichung erfüllt, die deformierende Spannung fs der Schraubenfeder 10A in eine konstante Messkraft Fm umwandeln.
  • 4 stellt eine Spirale der spiralförmigen Riemenscheibe 6A dar. Wenn die Spirale durch Polarkoordinaten dargestellt wird, wobei der Radius „r" ist und der Winkel „ϕ" ist, kann die Beziehung zwischen „r" und „ϕ" wie folgt angegeben werden: r = f(ϕ) (fünfte Gleichung)
  • Hierbei liegt, wenn der Punkt, wo sich der Draht 8A um die spiralförmige Riemenscheibe 6A herum legt, die spiralförmige Kurve berührt, auf einer horizontalen Linie einen vorgegebenen Abstand („M") von der Mitte der spiralförmigen Riemenscheibe 6A entfernt, d.h. die zentrale Achse 4A: r2 – h2 = M2 die modifiziert werden kann zu:
    Figure 00070001
  • Weiterhin gilt die nachfolgende Beziehung h = M·tanα (siebte Gleichung) ϕ = θ – α (achte Gleichung)
  • Im Vergleich zu der vierten Gleichung und der siebten Gleichung gilt, wenn M = K·R2/Fm α = tan–1θdann die vierte Gleichung, so dass die spiralförmige Kurve die vorliegende Aufgabe erfüllt.
  • Hierbei können die fünfte, die sechste und die achte Gleichung durch die folgenden Formeln dargestellt werden:
    Figure 00070002
    (ϕ = θ – tan–1θ (zehnte Gleichung)
  • Mit anderen Worten ist die Kurve, die durch die neunte und die zehnte Gleichung dargestellt ist, eine spiralförmige Kurve, um die deformierende Spannung der Schraubenfeder 10A in eine konstante Messkraft der Sonde 2A umzuwandeln.
  • 5 zeigt einen vorderseitigen Aufriss eines Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde gemäß 1.
  • Der Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde gemäß 5 ist identisch zu 1 dadurch, dass der Konstantdruck-Mechanismus eine kreisförmige Riemenscheibe 5B und eine spiralförmige Riemenscheibe 6B, drehbar an einem unteren Ende eines Gehäuses 3B gehalten und durch eine zentrale Achse 4B verbunden, besitzt, und dass ein Ende der Drähte 7B und 8B jeweils an der kreisförmigen Riemenscheibe 5B und der spiralförmigen Riemenscheibe 6B befestigt ist.
  • In 5 ist eine Schraubenfeder 10B, die ein befestigtes Ende besitzt, das an dem Eingriffsstift 9B befestigt ist, innerhalb des Gehäuses 3B angeordnet, und ein freies Ende der Schraubenfeder 10B ist mit einem Ende des Drahts 8B verbunden, wobei das andere Ende an der Spirale 6B verbunden ist, während die Schraubenfeder 10B ungefähr parallel zu der Längsrichtung der Sonde 2B verläuft.
  • Weiterhin ist ein Ende des Drahts 7B, wobei das andere Ende an der kreisförmigen Riemenscheibe 5B befestigt ist, an einem Eingriffsstift 11B an einem inneren Ende der Sonde 2B eingehakt, wobei es parallel zu der Sonde 2B verläuft, so dass die deformierende Spannung der Schraubenfeder 10B auf die Sonde 2B über den Draht 8B, die spiralförmige Riemenscheibe 6B und die kreisförmige Riemenscheibe 5B und den Draht 7B übertragen wird.
  • Dementsprechend kann, da die deformierende Spannung der Schraubenfeder 10B auf die Sonde 2B über den Draht 8B, die spiralförmige Riemenscheibe 6B, die kreisförmige Riemenscheibe 5B und den Draht 7B übertragen werden kann, eine konstante Messkraft auf die Sonde 2B unabhängig der Längsverschiebung davon, wie in der ersten Ausführungsform, aufgebracht werden.
  • Die Schraubenfeder 10B, der Draht 8B und die spiralförmige Riemenscheibe 6B bilden den Drehkraft-Drückmechanismus 15.
  • Der Zählermechanismus ist derselbe und die Beschreibung davon wird hier weggelassen.
  • 6(a), (b) und (c) stellen einen Konstantdruck-Mechanismus dar, wobei die vorstehend angegebenen, kreisförmigen Riemenscheiben 5A und 5B zu einer kreisförmigen Riemenscheibe 5C modifiziert sind, mit einem Draht 7C, der um mehr als 360 Grad herum gewickelt ist, und wobei die vorstehend angegebenen spiralförmigen Riemenscheiben 6A und 6B zu einer spiralförmigen Riemenscheibe 6C modifiziert sind, die aus einer Spiralkurve von mehr als 360 Grad zusammengesetzt sind. Ein Draht 8C ist in einer Spiralnut der spiralförmigen Riemenscheibe 6C angeordnet.
  • Entsprechend der vorstehend beschriebenen Anordnung kann die deformierende Spannung der Schraubenfeder (nicht dargestellt; dieselbe wie die Schraubenfedern 10A und 10B) in eine Konstantmesskraft, die auf die Sonden 2A und 2B durch die kreisförmige Riemenscheibe 5C und die spiralförmige Riemenscheibe 6C aufgebracht ist, umgewandelt werden. Weiterhin ist die vorstehende Anordnung für eine große Verschiebung der Sonden 2A und 2B angepasst.
  • In 6 bilden die Schraubenfeder (nicht dargestellt), der Draht 7C und die kreisförmige Riemenscheibe 5C den Drehkraft-Drückmechanismus 15.
  • Die 7(a), 7(b) und 7(c) stellen jeweils einen hinteren Aufriss, einen Seitenaufriss und einen vorderen Aufriss des Konstantdruck-Mechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform dar. Hierbei wird eine erste Schraubenfeder 14D als der Drehkraft-Drückmechanismus verwendet. Ein freies Ende der Schraubenfeder 14D ist mit einer zentralen Achse 4A, die mit der spiralförmigen Riemenscheibe 6D verbunden ist, verbunden, und das äußere, andere Ende der Schraubenfeder 14D ist an dem stationären Bereich des Instruments befestigt. Die Anordnung eines Endes des Drahts 8D, wobei das andere Ende an der spiralförmigen Riemenscheibe 6D befestigt ist, und der Zählermechanismus sind dieselben, und die Beschreibung wird hier weggelassen.
  • In der ersten Ausführungsform bildet die Schraubenfeder 14D den Drehkraft-Drückmechanismus 15.
  • Die 8(a), 8(b) und 8(c) zeigen jeweils einen hinteren Aufriss, einen Seitenaufriss und einen vorderen Aufriss eines Konstant-Druckmechanismus der zweiten Ausführungsform.
  • In der zweiten Ausführungsform wird eine Schraubenfeder 14E für den Drehkraft-Drückmechanismus verwendet. Die zweite Ausführungsform ist dieselbe wie die erste Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass ein äußeres, freies Ende der Schraubenfeder 14E mit der spiralförmigen Riemenscheibe 6E verbunden ist und das innere, andere Ende der Schraubenfeder 14E mit einem stationären Bereich des Instruments befestigt ist.
  • Die Schraubenfeder 14E bildet, in der zweiten Ausführungsform, den Drehkraft-Drückmechanismus 15.
  • In der ersten und zweiten Ausführungsform kann, da die Schraubenfedern 14D und 14E verwendet werden, die deformierende Spannung der Schraubenfedern 14D und 14E in eine konstante Messkraft, die auf die Sonde durch die spiralförmige Riemenscheibe 6D und 6E aufgebracht wird, umgewandelt werden, so dass sie für eine große Verschiebung der Sonde angepasst sind.
  • Weiterhin kann die kreisförmige Riemenscheibe anstelle der spiralförmigen Riemenscheiben 6D und 6E, um eine im Wesentlichen konstante Messkraft beizubehalten, verwendet werden, wenn die spiralförmigen Federn 14D und 14E als Drehkraft-Drückmechanismus verwendet werden und die Verschiebung der Sonde relativ klein ist.
  • Wenn die Verschiebung innerhalb eines kleinen Bereichs liegt, können Blattfedern, usw., anstelle der Schraubenfeder, um die gesamte Größe des Instruments zu verringern, verwendet werden.
  • Weiterhin kann der Eingriffsstift, obwohl die Feder an dem stationären Bereich des Instruments an einer Position befestigt ist, als ein sich bewegender Mechanismus unter Verwendung einer Spindel, usw., angeordnet werden, und eine Messkraft-Einstelleinrichtung kann durch die bewegbare Befestigungsposition erreicht werden. Alternativ kann die Messkraft-Einstelleinrichtung, in der ähnlichen Art und Weise, dadurch gebildet werden, dass zugelassen wird, dass sich eine Federverbindungsposition auf der Seite der Riemenscheibe bewegen kann.

Claims (2)

  1. Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde (2A, 2B), der die Sonde durch eine elastische Kraft einer Feder (14D, 14E) unidirektional in einer vorgegebenen Richtung drückt, wobei er umfasst: eine erste Rolle (6A, 5B, 6C bis 6E), die durch einen stationären Instrumentenabschnitt (3A, 3B) um eine Mittelachse (4A, 4B) herum drehbar getragen wird; einen Drehkraft-Drückmechanismus (15), der die erste Rolle in einer vorgegebenen Drehrichtung drückt; und einen ersten Draht (8A, 7Bm 8C bis 8E), dessen erstes Ende an der ersten Rolle befestigt ist und dessen zweites Ende mit der Sonde verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkraft-Drückmechanismus (15) eine Spiralfeder (14D, 14E) enthält, deren eines Ende an dem stationären Instrumentenabschnitt befestigt ist und deren anderes Ende mit der ersten Rolle (6D, 6E) verbunden ist
  2. Konstantdruck-Mechanismus einer Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zählermechanismus mit einem inneren Ende der Sonde verbunden ist.
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