DE69020494T2

DE69020494T2 - Metrologie.

Info

Publication number: DE69020494T2
Application number: DE69020494T
Authority: DE
Inventors: Iain Kenneth Baxter
Original assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Current assignee: Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2010-11-03
Also published as: JPH03180711A; EP0426492A3; CN1025887C; US5209131A; CN1051786A; EP0426492A2; DE69020494D1; EP0426492B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde, und spezieller betrifft sie eine Meßsonde, die auf Änderungen in einem Werkstück entlang mehrerer Achsen ansprechen kann.
Eine Ausführungsform schafft eine mehrachsige, kontinuierliche Meßsonde zur Verwendung bei der Meßwerterfassung, spezieller bei Formmessungen, die auf dreidimensionale Änderungen in einem Werkstück anspricht und in Verbindung mit einer Meßvorrichtung mit einer Einrichtung zum Verschieben der Sonde vorliegt, so daß die hergeleiteten Daten als Funktion sowohl der Sondensignale als auch der Verschiebesignale erhalten werden: siehe Europäisches Patent Nr. 240 151 A.
Kontinuierliche Sonden für Formmessungen unterscheiden sich von Triggersonden. Kontinuierliche Sonden messen die Form eines Werkstücks durch kontinuierlichen Kontakt zu diesem. Die Messung erfolgt als Reihe von Messungen, von denen jede für eine vorgegebene Oberfläche eines Werkstücks, wobei die Sonde zwischen derartigen Messungen wegen der dreidimensionalen Kontur des Werkstücks neu positioniert werden muß. Derartige Sonden sind leicht von Triggersonden unterscheidbar, die intermittierenden Kontakt ausüben, um Koordinatenmeßwerte zu erhalten. Ferner verfügen Triggersonden über eine Ruheposition, die mechanisch festgelegt ist, wobei die Ruheposition eine Position mit festgelegtem Wert definiert, von der ausgehend alle Verschiebungen auftreten und die immer wiederholbar einstellbar sein muß: eine Verschiebung des Neßgriffel triggert ein Ausgangssignal, das die Koordinaten angibt, für die der Kontakt erfolgte, anstelle von Ausgangs- Signalen, die selbst ein Maß für die Sondenverschiebung sind.
Der Fachmann auf dem Gebiet der Meßwerterfassung beachtet, daß Meßsonden in einem definierten Verschiebungsbereich arbeiten und daß ihre Genauigkeit für den Betrieb innerhalb dieses Bereichs bemessen ist. Aus dem GB-Patent Nr. 1 499 003 ist es bekannt, Sonden zu verwenden, bei denen für eine Meßgriffelverstellung in den Achsen X, Y & Z durch getrennte Sätze elastischer Aufhängungsteile gesorgt ist, d. h. drei rechtwinklige Sätze von Blattfedern, wobei die Ruheposition des Meßgriffels der entspannte Zustand jedes Federnsatzes ist. Diese Sonden werden wegen ihrer Größe Beschränkungen hinsichtlich ihres Vermögens auferlegt, komplexe Werkstücke zu erfassen, da die Trägheitskraft ihrer beweglichen Teile Beschränkungen für die Pate auferlegt, mit der Daten erfaßt werden können.
Die Rate, mit der Daten erfaßt werden können, steht direkt mit dem Frequenzansprechverhalten der Sonde in Beziehung. Das Frequenzansprechverhalten ist ein Parameter, der mit der Geschwindigkeit in Beziehung steht, mit der die Sondenspitze Schwankungen der Kontur folgen kann - wenn das Frequenz ansprechverhalten unzureichend ist, kann die Sondenspitze den Kontakt mit dem Werkstück verlieren, was bei kontinuierlichen Formmessungen vermieden werden muß. Zum Beispiel wird bei der Messung von Rundheit ein Werkstück auf einem Drehtisch gedreht - die maximale Drehzahl wird hauptsächlich durch das Frequenzansprechverhalten der Meßsonde bestimmt. Eine Sonde mit höherem Frequenzansprechverhalten erlaubt die Verwendung eines größeren Bereichs von Drehzahlen und sie erleichtert es, daß die Sonde Konturschwankungen bei derartigen Drehzahlen folgen kann. Eine höhere Drehzahl erhöht so die Erfassungsrate für Daten (die Datenerfassungsrate) und die Produktivität einer für die Untersuchung von Werkstücken verwendeten Maschine: angemessenes Frequenzansprechverhalt erhöht die Vorteile von mehrachsigen Sonden gegenüber Einzelachsensonden, da die letzteren mehrere Neuausrichtungen erfordern, um alle Meßdaten zu vervollständigen.
Das Frequenzansprechverhalten einer Sonde wird durch die Trägheitskraft der beweglichen Teile der Sonde und durch die Meßsteifigkeit des Meßgriffels beeinflußt. Eine hohe Trägheitskraft verringert das Frequenzansprechverhalten, während hohe Meßsteifigkeit dieselbe erhöht. Demgemäß kann gutes Frequenzansprechverhalten bei einer Sonde mit hoher Trägheit nur dann erzielt werden, wenn für hohe Meßsteifigkeit gesorgt wird. Jedoch führt hohe Meßsteifigkeit zu hoher Kraft, die von der Meßgriffelspitze an das Werkstück angelegt wird, und wenn diese Kraft zu hoch ist, verschlechtert sich die unter Verwendung der Sonde erzielbare Meßgenauigkeit.
Das GB-Patent 2 004 656 zeigt einen anderen Aufbau einer Meßsonde, die in mehreren Achsen verschoben werden kann, wobei der Meßgriffels mittels eines elastischen Teils bezogen auf ein Gehäuse angebracht ist, an dem er an einer Grenze desselben befestigt ist, wobei die Bezugsposition durch das elastische Teil festgelegt wird, das eine Montageplatte für den Meßgriffel in Eingriff mit dem Gehäuse drückt, von welcher Position aus sie durch die Griffelauslenkung um mehrere verschiedene Schwenkpunkte ausgelenkt wird. Diese Anordnung unterliegt ebenfalls den vorstehend genannten Nachteilen, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit und der Wiederholbarkeit der Ergebnisse (wegen der mechanischen Schwankungen, die von dem mehr als einen Schwenkpunkt herrühren) und des Frequenzansprechverhaltens.
GB 2 112 139 zeigt eine Anordnung von Kabeln und Federn, die auf verschiedene Teile einschließlich eines Meßgriffels einwirken. Keine der Federn scheint gegenbelastet zu sein, und es erscheint nichts unternommen zu sein, um zu verhindern, daß alle Federn gleichzeitig schließen. Alle Teile scheinen sich frei verwinden zu können, und es existiert kein Hinweis, wie eine Bewegung der Meßgriffelspitze zu Meßausgangssignalen führen kann.
EP-A-0 297 449 schlägt in ihren Figuren 5 bis 9 eine Anordnung vor, bei der sich zwei parallele Stäbe gemeinsam mit dem Meßgriffel bewegen und sie zwischen den Enden zweier Hebel festgehalten werden. Eine Verstellung des Meßgriffels drückt einen Stab gegen einen Hebel, wodurch die Tendenz besteht, daß der Stab verbogen wird. Die Stäbe werden durch die Hebel in der Ruheposition des Meßgriffels so vorbelastet, daß in dieser Position jeder Stab eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den jeweils zugehörigen Hebel ausübt, wodurch von den Stäben keine Nettokraft auf den Meßgriffel ausgeübt wird.
GB-A-2 215 843 schlägt eine Anordnung vor, bei der drei elastische Bänder um die Sondenachse herum angeordnet sind, die sich parallel zur Sondenachse erstrecken, wobei ein Ende jedes Bands mit dem Sondenkörper befestigt ist und das andere Ende mit einer Scheibe befestigt ist, die den Meßgriffel trägt. Anschläge am Körper drücken in einem Teil der Länge jedes Bands gegen dasselbe, so daß in der Ruheposition des Meßgriffels jedes Band gekrümmt ist, um dadurch eine Kraft im Band hervorzurufen. In der Ruheposition des Meßgriffels existiert in jedem Band dieselbe Kraft. Jeder Anschlag ist mit einem piezoelektrischen Wandler versehen, der ein Signal abhängig vom Ausmaß der Biegung des zugehörigen Bands erstellt.
Die Erfindung versucht, diese Nachteile zu überwinden, und, insbesondere bei Ausführungsformen, eine Sonde zu schaffen, die die Eigenschaften verbesserter Genauigkeit und Wiederholbarkeit der erhaltenen Ergebnisse sowie erhöhtes Frequenzansprechverhalten aufweist. Ferner anerkennen die Ausführungsformen der Erfindung, hinsichtlich Formmessungen, wie sie bei einem Rundheit-Meßinstrument ausgeführt werden, den Wunsch, daß die Steifheit der Sonde in axialer Richtung des Meßgriffels (Z-Richtung) höherrangig ist als die Steifheit der Sonde hinsichtlich Bewegungen des Meßgriffels in X- und Y-Richtung. Diese Meßsteifigkeit steht mit der Meßkraft in Beziehung, die auf den Meßgriffel ausgeübt wird, um eine Auslenkung zu erzielen.
Eine Ausführungsform sorgt ferner für eine Verstellung des Meßgriffels im Gebrauch, ohne daß sich die Wiederholbarkeit von Ergebnissen verschlechtert.
Gemäß der Erfindung ist eine Sonde geschaffen, wie sie in Anspruch 1 oder Anspruch 14 dargelegt ist. Die restlichen Ansprüche legen wahlfreie Merkmale dar.
Es kann dafür gesorgt sein, daß mindestens eine der Rückstellkräfte einstellbar ist.
Unter einer elastischen Kraft wird eine Kraft verstanden, deren Stärke mit der Verstellung in der gegen die Kraft gerichteten Richtung ansteigt, z. B. die Kraft, wie sie typischerweise von einer Feder ausgeübt wird. Da sich die Stärke der Kraft mit der Verstellung ändert, kann sie in Gegenwirkung gegen eine oder mehrere andere Kräfte dazu verwendet werden, eine Gleichgewichtsposition festzulegen. Es ist zu beachten daß die Gegenkraft oder -kräfte nicht notwendigerweise elastisch sein müssen, obwohl sie in der Praxis typischerweise elastisch sein werden. Wenn eine elastische Kraft einer konstanten Kraft gegenüberwirkt, tritt Gleichgewicht an derjenigen Position auf, an der die Stärke der elastischen Kraft der konstanten Kraft gleich ist.
Eine Ausführungsform schafft eine mehraxiale Sonde mit freier Beweglichkeit innerhalb ihres Meßbereichs in der XY- Ebene und entlang der Z-Achse. Die Ruheposition liegt nominal am Schnittpunkt der X- und der Y-Achse (theoretisch der Mitte des X-Y-Bereichs in der XY-Ebene) und am Ende des Auswärtshubs entlang der Z-Achse. Nach einer Auslenkung des Meßgriffels in irgendeiner Richtung kehrt er zur ungefähren Ruheposition zurück: in der Praxis liegt diese ungefähre Ruheposition innerhalb von 10 um bezogen auf das theoretische Zentrum. Diese Differenz zwischen einer Ruheposition und der vorigen Ruheposition führt zu keinem Meßfehler, da die genaue Ruheposition des Griffels immer durch Sensorlesesignale bekannt ist.
Die Meßgriffelbewegung bei einer solchen Sonde ist nicht auf eine bloße Translationsbewegung in X-, Y- oder Z-Richtung beschränkt, sondern z. B. kann sie einem gebogenen Wert in der XY-Ebene folgen.
In dieser Beschreibung wird die Bewegung eines Sondenmeßgriffels als "bogenförmig" bezeichnet, wenn auf eine Bewegung Bezug zu nehmen ist, bei der der Meßgriffelverkippt. Die Bewegung kann, was jedoch nicht erforderlich ist, ein einziges, konstantes Zentrum für die Verkippunghaben, so daß sich die Meßgriffelspitze auf der Oberfläche einer Kugel bewegt. In seiner Ruheposition erstreckt sich der Meßgriffel normalerweise in Z-Richtung. Wegen des Verkippens des Meßgriffels wird eine gekrümmte Bewegung in X- und/oder Y-Richtung typischerweise von einer Z-Auslenkung begleitet. Demgemäß bedeuten Bezugnahmen in dieser Beschreibung hinsichtlich der Bewegung und Position der Meßgriffelspitze in der XY- Ebene und der X-, Y- oder X-Y-Richtung nicht, daß der Wert von Z für die Meßgriffelspitze notwendigerweise konstant bleibt, sondern dies bezieht sich auf die Bewegung und Position der Projektion der Meßgriffelspitze auf die XY-Ebene auf Kräfte in X- und/oder Y-Richtung hin, beim Fehlen jeder in Z-Richtung angelegten Kraft. Eine X-Y-Richtung ist eine beliebige Richtung in der XY-Ebene.
Bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen verfügt die Sonde über eine Meßgriffelhalterung, an der ein Meßgriffel gehaltert ist oder gehaltert werden kann, und die Kräfte wirken in erster Linie auf die Meßgriffelhalterung. Jedoch sind Anordnungen möglich, bei denen die Kräfte direkt auf den Meßgriffel einwirken.
Typischerweise wird die Membranfeder durch ein erstes elastisches Teil gebildet, und sie wirkt in einer ersten Richtung auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung ein, und ein zweites elastisches Teil wirkt in einer zweiten Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist, auf die Meßgriffelhalterung ein. Es kann auch ein weiteres elastisches Teil vorhanden sein, oder mehrere derselben, die jeweils in der der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung wirken.
Alternativ kann die Sonde ein elastisches Teil mit einem ersten Teil, der die Membranfeder bildet und in einer ersten Richtung auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt, und einem zweiten Teil aufweisen, der in einer zweiten Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist, auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt.
Vorzugsweise wird die Membranfeder in der Ruheposition des Griffels oder der Meßgriffelhalterung auf konische Form vorbelastet. Diese Vorbelastung stabilisiert die Membran und verbessert ihre Funktionsfähigkeit, wenn sie als Schwenklager für eine bogenförmige Bewegung des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung verwendet wird.
Eine Richtung wird als einer anderen entgegengesetzt angesehen, wenn sie eine Komponente aufweist, die antiparallel zu anderen ist, d. h. eine Komponente parallel zur einen, jedoch in umgekehrter Richtung. Elastische Glieder oder Teile wirken einander entgegen, wenn sie nicht beide gleichzeitig entspannt werden können.
Geeignete Sensoren, wie sie im Stand der Technik wohlbekannt sind, können vorhanden sein, um Sensorsignale zu erzeugen, die von der Bewegung der Meßgriffelanordnung bezogen auf das Gehäuse abhängen. Derartige Sensoren werden hier beispielsmäßig als induktive Wandler angegeben, jedoch können andere kapazitive oder optische Sensoren verwendet werden.
Vorzugsweise sind die Wandler so ausgebildet, daß sie Signale abhängig von der Bewegung der Meßgriffelanordnung bezogen auf das Gehäuse erzeugen, wobei Verbindungseinrichtungen so angeordnet sind, daß sie die Bewegung eines beweglichen Elements jedes Wandlers auf eine im wesentlichen lineare Bewegung in bezug auf eine Bewegung der Meßgriffelanordnung begrenzen.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren induktive Wandler und das verstellbare Element ist ein Ankerträger.
Der Meßgriffel kann eine Positionierplatte beinhalten, die so ausgebildet ist, daß sie magnetisch und auslenkbar auf einer Montageplatte montiert ist. Die Positionierplatte und die Montageplatte können über Abstandselemente auf einer derselben ausgerichtet sein, die in Sitzen an der anderen ruhen. Die Abstandselemente können kugelige Elemente (z. B. Lagerkugeln) sein, und die Sitze können eine Nut oder ein Sitz sein, der durch Sitzelemente wie Wälzlager mit Zwischenraum gebildet wird. Die Abstandselemente können unter gleichwinkliger Beabstandung angeordnet sein.
Bei einem bevorzugten Verfahren zum Anbringen des Meßgriffels an der Sonde für Formmessungen wird der Meßgriffel durch eine anziehende Kraft an der Meßgriffelhalterung gehalten, und der Meßgriffel und die Meßgriffelhalterung verfügen über miteinander in Berührung stehende Präzisionspositionierflächen, die unter dem Einfluß der anziehenden Kraft aufeinander einwirken, um den Meßgriffel in eine vorgegebene Position bezogen auf die Meßgriffelhalterung zu ziehen.
Im allgemeinen benötigen Meßvorrichtungen eine Kalibrierung oder ziehen Nutzen aus einer solchen, um genaue Meßausgangssignale zu liefern. Es besteht die Tendenz, daß dies speziell ein Erfordernis für Sonden mit bogenförmiger Auslenkung ist, jedoch können auch andere Vorrichtungen als Sonden sowie Vorrichtungen mit nicht bogenförmiger Auslenkung ebenfalls Kalibrierung benötigen.
Es ist bekannt, Koordinatenmeßvorrichtungen unter Verwendung einer Maschinenprüflehre zu kalibrieren, wie sie von Renishaw plc geliefert wird und wie sie im wesentlichen in Figur 10 von British Standard 6808 Teil 3, 1989 veranschaulicht ist. Diese Lehre verfügt über einen Sockel mit einem Ständer, an dessen Ende ein Ende eines Arms angebracht ist, der winkelmäßig frei verstellbar ist, jedoch längenmäßig festgelegt ist. Eine Berührungstriggersonde wird an einer zu kalibrierenden Koordinatenmeßvorrichtung angebracht und in einen Meßgriffel eingepaßt, der in einer Gabel am freien Ende des Arms der Lehre läuft. Die Koordinatenmeßvorrichtung wird so betrieben, daß die Sonde (und damit der Arm der Lehre) auf verschiedene Winkel um die Spitze des Ständers der Lehre herum bewegt wird, und sie sich bei jedem Winkel der Spitze des Ständers nähert, um eine Berührungstriggerablesung vorzunehmen. Die Fixierung des Arms der Lehre in Längenrichtung bedeutet, daß alle Punkte, wie sie von der Meßgriffelspitze an der Grenze ihrer Einwärtsbewegung erreicht werden können, auf einer gemeinsamen Kugel liegen, deren Radius durch die Länge des Lehrenarms festgelegt ist, wobei das Zentrum im Schwenkpunkt an der Oberseite des Lehrenständers liegt. Die Skalenablesungen der Koordinatenmeßvorrichtung für jeden dieser Punkte können verglichen werden, um bei ihrem Betrieb maßanalytische Fehler abzuschätzen.
Jedoch wird dieses Verfahren nur zum Kalibrieren einer Koordinatenmeßvorrichtung verwendet. Insoweit die Sonde als Teil der Koordinatenmeßvorrichtung gesehen werden kann, rühren alle Signale, die im Kalibrierprozeß miteinander verglichen werden, aus der Maschine her und keines kommt von einerunabhängigen Kalibriervorrichtung her. Insoweit die Sondeals getrennt von der Koordinatenmeßvorrichtung gesehen wird, kalibriert das Verfahren die Vorrichtung und die Sonde, wobei das Verfahren annimmt, daß die Sonde selbst genau und wohlkalibriert ist. Das Verfahren ist nur hinsichtlich der Verwendung einer Berührungstriggersonde offenbart.
In WO 88/06714 ist eine Kalibrieranordnung für eine Maschine offenbart, bei der eine Relativbewegung zwischen zwei Teilen der Maschine auftritt, um ein Maschinenwerkzeug oder eine Berührungstriggersonde bezogen auf ein Werkstück zu positionieren. Die Maschine beinhaltet eine Einrichtung zum Verstellen des Werkzeugs oder der Sonde, und sie beinhaltet Skalen zum Messen der Verstellung entlang dreier Achsen. In der Kalibrieranordnung wird die wahre Position des Werkzeugs oder der Sonde dadurch gemessen, daß ein Laserstrahl an ihr reflektiert wird. Die Skalen werden dadurch kalibriert, daß das Werkstück oder die Sonde entlang der Linie des Laserstrahls zum Laser hin oder von diesem weg bewegt wird und die Skalenposition-Ausgangssignale mit der wahren Werkzeugoder Sondenposition, wie vom Laserstrahl gemessen, verglichen werden. Kalibrierungsfeher können in einer Fehlerkarte abgespeichert werden. Der Laserstrahl kann entlang der Richtung der X-Achse oder der Richtung der Y-Achse oder entlang einer Diagonale ausgerichtet werden. Bei dieser Kalibrieranordnung sind die Meßachsen durch die Skalen definiert und können nicht durch den Kalibriervorgang festgelegt werden. Ebenso besteht kein Vorschlag, die Kalibrieranordnung bei einer Vorrichtung zu verwenden, bei der keine eigenen Achsen definiert sind. Außerdem ist es erforderlich, das Lasersystem zwischen Kalibrierverstellungen zu verstellen, da die Verstellung entlang der Linie des Laserstrahls erfolgen muß. Daher können die Verstellungen des Werkstücks oder der Sonde nicht genau in bezug auf eine gemeinsame Bezugsposition kalibriert werden, wie sie durch die Kalibriervorrichtung festgelegt wird.
Für genaue Messungen mit Sonden, die einen derartigen Aufbau haben, daß der Meßgriffel in X- und Y-Richtung achsenversetzt sein kann, werden die besten Ergebnisse unter Umständen nicht dann erzielt, wenn die Sonde einfach dadurch kalibriert ist, daß die Meßgriffelspitze entlang eines Pfads, der der X-Achse folgt, wenn Meßsignale für die X-Koordinate kalibriert werden sollen, und entlang der Y-Achse, für Meßsignale, die die Y-Koordinate kalibrieren, verstellt wird. Daher sollte der Kalibriervorgang die zweidimensionale Bewegung der Meßgriffelspitze während des Kalibriervorgangs berücksichtigen, so daß sowohl die X- als auch die Y-Koordinate jeweils für jede position der Meßgriffelspitze in der XY-Ebene kalibriert werden können. Ein derartiger Kalibriervorgang ergibt einen größeren oder einen kleineren Wert, abhängig von Nichtlinearitäten des Sondenausgangssignals.
Vorzugsweise wird der Meßgriffel unter Verwendung eines Verfahrens kalibriert, das die folgenden Schritte umfaßt:
a) Erfassen einer Reihe von Sondendaten von der Sonde an mehreren Meßgriffelpositionen;
b) Erfassen einer entsprechenden Reihe von Positionsdaten für die mehreren Positionen unabhängig von der Sonde und
c) Vergleichen der Sondendaten und der Positionsdaten, um Kalibrierparameter für die Korrektur der Sondendaten für korrigierte Sondenpositionsdaten zu erhalten;
dadurch gekennzeichnet, daß
- zu den mehreren Positionen ein erster und ein zweiter Punkt gehören, die eine Linie festlegen, sowie ein dritter, gegenüber der Linie versetzter Punkt, und daß die Positionsdaten, wie sie jeweils für den ersten, zweiten und dritten Punkt erhalten werden, die Position der Sonde bezogen auf einen gemeinsamen Bezugspunkt festlegen.
Vorzugsweise gehört zu den mehreren Positionen ein vierter Punkt, der von jeder der Linien versetzt ist, wie sie durch den ersten und zweiten Punkt, den ersten und dritten Punkt bzw. den zweiten und dritten Punkt gebildet werden, wobei der Positionsdatenwert, wie er für den vierten Punkt erhalten wird, die Position der Sonde bezogen auf den gemeinsamen Bezugspunkt definiert.
So kann die Kalibrierung die Sondendaten für mehrere Punkte berücksichtigen, die nicht alle auf derselben geraden Linie liegen, und die Sondenposition für alle diese Punkte kann auf einen gemeinsamen Bezugspunkt bezogen werden, wodurch eine Kalibrierung bezogen auf einen gemeinsamen Bezugspunkt möglich ist. Vorzugsweise bewegt sich die Sonde entlang eines gekrümmten Wegs durch die Positionen.
Vorzugsweise definieren die korrigierten Daten für die Meßgriffelposition die Position des Meßgriffels in bezug auf eine Bezugsachse in einer XY-Ebene, wobei die Richtung der Bezugsachse in der Ebene durch die Positionsdaten unabhängig von irgendeiner Bezugsachse in der XY-Ebene für die Sondendaten bestimmt wird.
Vorzugsweise erzeugen die Kalibrierparameter Parameter für eine oder mehrere Umsetzfunktionen zum Umsetzen von. Sondendaten in die genannten korrigierten Meßgriffel-Positionsdaten.
Zu den Funktionen kann ein Polinom oder mehrere gehören, für die die Kalibrierparameter die Koeffizienten bilden. Die Polynome können Terme zweiter oder höherer Ordnung hinsichtlich der Sondendaten beinhalten. Die Koeffizienten können schrittweise bestimmt werden, wobei Werte nur für einige Koeffizienten bestimmt werden, wobei andere konstant gehalten werden.
Bei einem Beispiel für das Verfahren erfolgt die Kalibrierung dadurch, daß die Sonde an einer Formmeßvorrichtung mit einem Werkstückdrehtisch angeordnet wird und eine Reihe von Wandlersignalen von den Verarbeitungswandlern ausgegeben wird, um Werte für Kalibrierparameter in Kalibrierfunktionen zu erstellen. Diese Kalibrierung ist speziell auf die XY- Meßebene der Sonde gerichtet. Wenn die Sonde hauptsächlich für Formmessung verwendet wird, ist es im allgemeinen die Auslenkung der Meßgriffelspitze in der XY (zweidimensional)- Ebene, die normalerweise von größter Wichtigkeit ist.
Vorzugsweise gehören zum Kalibrieren der Sonde die folgenden Schritte: Anordnen der Sonde in einer vorgegebenen Position bezogen auf die Auslenkeinrichtung zum Auslenken des Meßgriffels (innerhalb des Arbeitsbereichs desselben) entlang einem vorgegebenen Weg, Betätigen der Auslenkeinrichtung zum Auslenken des Meßgriffels entlang dem vorgegebenen Weg, Sammeln der Sensorausgangssignale jedes Sensors als Sensordaten für jeweils eine Reihe diskreter Meßpositionen des Meßgriffels, Sammeln von Positionsdaten, die die Meßposition des Meßgriffels für jede der genannten diskreten Meßpositionen ergeben, Ausführen einer Korrelation zwischen den Sensordaten und den Positionsdaten, um Kalibrierparameter für die Korrektur der Meßsignale zu erhalten, und Abspeichern der Kalibrierparameter auf solche Weise, daß die Sensorausgangssignale bei anschließenden Meßvorgängen verarbeitet werden, um korrigierte Meßsignale zu erzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Auslenkeinrichtung so betätigt, daß sie den Meßgriffel in diskreten Schritten entlang dem vorgegebenen Weg auslenkt, wobei diskrete Meßpositionen durch die diskreten Schritte festgelegt werden.
Bei einer Alternative kann die Auslenkeinrichtung so betätigt werden, daß sie den Meßgriffel entlang dem vorgegebenen Weg auslenkt, und die diskreten Meßpositionen können durch die Orte definiert sein, an denen Sensordaten erfaßt werden. Bei einer Ausführungsform, bei der der Meßgriffel entlang einer Reihe konzentrischer Kreise ausgelenkt wird, kann die Bewegung der Auslenkeinrichtung entlang eines Kreiswegs kontinuierlich sein, und die Sensordaten können an diskreten Stellen entlang dem Weg gesammelt werden, wobei eine Diskontinuität der Meßgriffelbewegung auftritt, wenn der Drehradius auf den nächsten Kreisweg in der Reihe konzentrischer Kreise eingestellt wird.
Durch Ausbilden des Meßgriffels in solcher Weise, daß ein Kreis um den Drehmittelpunkt des Drehtischs einer Formmeßvorrichtung (wie beim bevorzugten Ausführungsbeispiel) beschrieben wird, kann die Position des Meßgriffels bezogen auf den Drehmittelpunkt genau bestimmt werden. Es ist zu beachten, daß der Drehradius R und der Drehwinkel θ die Berechnung von X,Y-Koordinaten für jede gegebene Meßposition ermöglichen. Es ist zu beachten, daß X = R sin θ und Y = R cos θ gelten.
Demgemäß werden Sensorausgangssignale für eine vorgegebene Reihe von Bewegungen des Meßgriffels erhalten (und diese werden in Dimensionssignale umgesetzt), und diese Sensorausgangssignale werden mathmatisch mit den X,Y-Koordinaten verglichen, wie sie aus den gemessenen Positionsdaten für den Drehradius R und den Drehwinkel θ berechnet wurden. Unter Verwendung bekannter Techniken ist es möglich, die Sensorausgangssignale von analogen Signalen in digitale Signale umzusetzen und diese digitalen Signale so zu skalieren, daß sie einem vorgegebenen Meßbereich entsprechen. Zum Beispiel kann ein Sensorausgangssignal über einen Bereich der Betriebsbewegung der Sondengriffelspitze, das einer radialen Auslenkung von ± 2 mm entspricht so skaliert werden, daß es ± 10.000 Bits eines digitalen Ausgangssignals entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel werden Algorithmen angegeben, bei denen eine Anzahl von Kalibrierparametern vorliegt. Diese müssen vorhanden sein, damit die (skalierten und digitalisierten) Sensorausgangssignale so verarbeitet werden können, daß sich Signale für eine Dimensionsmessung ergeben. Die Korrekturen berücksichtigen die tatsächliche Bewegung der Meßgriffelspitze in der XY-Ebene sowie Charakteristiken der Sonde und der Sensoren, die andernfalls die Meßsignale verzerren könnten.
Die Werte der X,Y-Koordinaten werden aus Ausdrücken berechnet, in denen Konstanten (Parameter) durch Korrelation von Sondendaten und (gemessen) Positionsdaten bestimmt werden. Dies gilt unabhängig von der Anzahl von Sondensensoren.
Es sei angenommen, daß eine Sonde über mehrere Sensoren mit Sensorausgangssignalen t&sub1;...tn verfügt. Im Korrelationsschritt werden Werte für die X,Y-Koordinaten für jede Meßposition aus den Positionsdaten hergeleitet, und sie werden dazu verwendet, Kalibrierparameter für die Ausdrücke X = f&sub1; (t&sub1;...tn) und Y = f&sub2; (t&sub1;...tn) herzuleiten, wobei die Funktionen f&sub1; und f&sub2; die Kalibrierparameter beinhalten.
Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel für die Sonde verfügt diese über Sensoren, die einer Achse zugeordnet sind, die als X-Achse der Sonde bezeichnet ist, mit Sensorausgangssignalen X&sub1;, X&sub2;, und Sensoren, die einer Achse zugeordnet sind, die als Y-Achse der Sonde bezeichnet ist, mit Sensorausgangssignalen Y&sub1;, Y&sub2;. In diesem Fall werden die Werte für die X,Y-Koordinaten für jede Meßposition aus diesen Positionsdaten hergeleitet, und sie werden dazu verwendet, Kalibrierparameter für die Ausdrücke X = f&sub1; (X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2;) und Y f&sub2; (Y&sub1;, Y&sub2;, X&sub1;, X&sub2;) herzuleiten, wobei die Funktionen f&sub1;, f&sub2; die Kalibrierparameter beinhalten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel verfügt die Sonde über drei gleichwinklig angeordnete Sensoren mit Ausgangssignalen t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;. In diesem Fall werden die Werte für die X,Y- Koordinaten für jede Meßposition aus Positionsdaten hergeleitet, und sie werden dazu verwendet, Kalibrierparameter für die Ausdrücke X = f&sub1; (t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;) und Y = f&sub2; (t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;) herzuleiten, wobei die Funktion f&sub1;, f&sub2; die Kalibrierparameter beinhalten.
In jedem Fall können die Funktionen f&sub1;, f&sub2; entweder als Produkt aus einem ersten Meßausdruck und einem zweiten Kompensationsausdruck, wie von den Sensorausgangssignalen hergeleitet, berechnet werden, wobei der erste Meßausdruck auf die Meßachse bezogen ist und der zweite Kompensationsausdruck der Achse zugeordnet ist, die rechtwinklig zur Meßachse steht, um Schwankungen in den Meßdaten zu kompensieren, die durch eine nicht axiale Bewegung der Sonde bedingt sind.
Bei einer Sonde mit Sensorausgangssignalen X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2; kann der Meßausdruck für die X-Koordinate durch (A&sub1; X&sub1;+A&sub2; X&sub2;+B&sub1; X&sub1;²+B&sub2; X&sub2;²+C1) definiert werden, wobei A&sub1;, A&sub2;, B&sub1;, B&sub2; und C&sub1; Kalibrierparameter sind, und dieser kann mit dem Kompensationsausdruck multipliziert werden, der als (D&sub1; Y&sub1;+D&sub2; Y&sub2;+E&sub1; Y&sub1;²+E&sub2; Y&sub2;²+G&sub1;) ausgedrückt werden kann, wobei D&sub1;, D&sub2;, E&sub1;, E&sub2; und G&sub1; Kalibrierparameter sind. Ähnliche Ausdrücke für die Y-Koordinate werden nachfolgend angegeben.
Bei einer Sonde mit Sensorausgangssignalen t&sub1; bis t&sub3; kann für die X-Koordinate der Meßausdruck durch (A&sub1;t&sub2; + A&sub2;t&sub3; + B&sub1;t&sub2;² + B&sub2;t&sub3;² + C&sub1;) definiert werden, in dem A&sub1;, A&sub2;, B&sub1;, B&sub2; und C&sub1; Kalibrierparameter sind, und dieser kann mit einem Kompensationsausdruck multipliziert werden, der durch (D&sub1;t&sub1; + D&sub2;t&sub3; + E&sub1;t&sub1;² + E&sub2;t&sub3;² + G&sub1;) wiedergegeben ist, wobei D&sub1;, D&sub2;, E&sub1;, E&sub2; und G&sub1; Kalibrierparameter sind. Für die Y-Koordinate sind die jeweiligen Ausdrücke (A&sub3; t&sub1; + A&sub4; t&sub3; + B&sub3; t&sub1;² + B&sub4; t&sub3;² + C&sub2;), wobei A&sub3;, A&sub4;, B&sub3;, B&sub4; und C&sub2; Kalibrierparameter sind, und (D&sub3; t&sub2; + D&sub4; t&sub3; + E&sub3; t&sub2;² + E&sub4; t&sub3;² + G&sub2;), wobei D&sub3;, D&sub4;, E&sub3;, E&sub4; und G&sub2; Kalibrierparameter sind.
Wie vorstehend genannt, wird ein Positionsdatenwert aus den Ausdrücken X = R (sin θ) und Y = R (cos θ) hergeleitet, wobei R der genannte Radialabstand der Meßgriffelspitze von der Drehachse ist und θ die winkelmäßige Auslenkung ist. Die Korrelation kann Einstellfehler der Sondenposition bezogen auf die Drehachse kompensieren. Derartige Fehlerkönnen durch die Kalibrierparameter C&sub1;, C&sub2; berücksichtigt werden, die eine Exzentrizitätstoleranz für die Sonde, nämlich dR&sub1;, dR&sub2; als Versätze hinsichtlich des radialen Abstands R und dθ&sub1;, dθ&sub2; als Versätze hinsichtlich der winkelmäßigen Auslenkung θ repräsentieren. Durch Bestimmen der Werte von dR&sub1;, dR&sub2; und dθ&sub1; und dθ&sub2; in den Ausdrücken X = (R + dR&sub1;) sin θ + dθ&sub1;) und Y = (R + dR&sub2;) cos (θ + dθ&sub2;) wird Kompensation herbeigeführt.
Grund für zwei Versatzparameter dR&sub1;, dR&sub2; ist der, daß zwei Korrelationen ausgeführt werden, nämlich jeweils eine für die X- und Y-Achse: Der Vergleich der zwei Werte dR&sub1;, dR&sub2; ermöglicht die Vornahme einer weiteren Prüfung hinsichtlich der Kalibriergenauigkeit (wie für das bevorzugte Ausführungsbeispiel weiter beschrieben).
Eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren der Sonde kann eine Verstelleinrichtung zum Verstellen einer Meßgriffelspitze der Sonde in der XY-Ebene zum Liefern von Positionssignalen abhängig von der Position, in die die Meßgriffelspitze verstellt ist, eine Montageeinrichtung zum montieren der Sonde relativ zur Verstelleinrichtung sowie eine Einrichtung zum Empfangen der Positionssignale und von Signalen von der Sonde aufweisen, woraus Kalibrierdaten zum Kalibrieren der Signale von der Sonde abhängig von den positionssignalen bestimmt werden, wobei die Verstelleinrichtung so betätigbar ist, daß sie die Meßgriffelspitze durchmehrere Punkte auf der XY-Ebene bewegt, wozu ein erster und ein zweiter Punkt, die eine gerade Linie festlegen, und ein dritter Punkt gehören, der gegenüber der geraden Linie versetzt ist, wobei ein Positionssignal in bezug auf jeden Punkt unter dem ersten, zweiten und dritten Punkt erzeugt wird, das die Position der Meßgriffelspitze bezogen auf eine gemeinsame Bezugsposition anzeigt.
Die Kalibriervorrichtung kann folgendes aufweisen: eine Einrichtung zum Anordnen der Sonde in einer vorgegebenen Position bezogen auf die Auslenkeinrichtung zum Auslenken des Meßgriffels entlang einem vorgegebenen Weg, wobei die Auslenkeinrichtung so betriebbar ist, daß sie den Meßgriffel entlang dem vorgegebenen Weg auslenkt; eine Einrichtung zum Ausgeben der Sensorausgangssignale jedes Sensors der Sonde für jede Position unter einer Reihe diskreter Meßpositionen des Meßgriffels als Sensordatenwert; eine Einrichtung zum Ausgeben von Positionsdaten, die die Meßposition des Meßgriffels für jede der Meßpositionen angeben; eine Einrichtung zum Ausführen einer Korrelation zwischen den Sensordaten und den Positionsdaten, um Kalibrierparameter für die Korrektur der Meßsignale zu erhalten; und eine Einrichtung zum Abspeichern der Kalibrierparameter auf solche Weise, daß die Sensorausgangssignale bei anschließenden Meßvorgängen so bearbeitet werden, daß korrigierte Meßsignale erzeugt werden. Die Anordnungseinrichtung kann durch den Sondentragarm einer Formmeßvorrichtung gebildet sein. Die Auslenkeinrichtung kann durch einen Werkstück-Drehtisch der Formmeßvorrichtung gebildet sein. Führungseinrichtungen können am Drehtisch vorhanden sein, und sie können für Kontakt mit einer Meßgriffelspitze eines Sondenmeßgriffels ausgebildet sein. Die Anordnung ist dergestalt, daß die Meßgriffelspitze bei Drehung des Drehtischs entlang einem vorgegebenenweg ausgelenkt wird. Die Positionsdaten für die Meßpositionen werden dann durch den Drehradius R der Meßgriffelspitze und deren Winkelauslenkung θ bestimmt.
Bei einer Ausführungsform sind die Führungseinrichtung einem Gleitblock dergestalt zugeordnet, daß die Führungseinrichtungen so auslenkbar sind, daß der Drehradius R verändert wird. In diesem Fall werden inkrementmäßige Änderungen des Drehradius R durch Einfügen von Gleitblöcken festgelegt.
Alternativ kann der Drehtisch eine Zentriereinrichtung aufweisen, die ihm für eine Verstellung entlang seiner X- und Y-Achsen zugeordnet ist.
Ein Winkelcodierer kann der Auslenkeinrichtung zugeordnet sein, um Meßsignale für diskrete Winkelauslenkungen zu erzeugen.
Die Anmelder vermarkten selbst eine Formmeßvorrichtung, die unter der Handelsbezeichnung TALYROND 300 bekannt ist, die ein Beispiel für eine solche Maschine ist. Diese Maschine ist mit einem zentrierenden Drehtisch versehen, wobei die Position eines Werkstücks entlang der X- und der Y-Achse des Drehtischs mit Inkrementen von 1,0 Mikrometer (um) verschoben werden kann. Eine derartige Maschine ermöglicht es, daß auf dem Werkstücktisch angeordnete Führungseinrichtungen so verstellt werden, daß der Drehradius der Meßgriffelspitze um die Drehachse des Werkstücktischs inkrementiert wird.
Ein Vorteil des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Kalibrierverfahrens ist es, daß der Meßgriffel zu Positionen geführt wird, die um mindestens 180º um die Gleichgewichtsposition des Meßgriffels herum beabstandet sind, ohne daß die Kalibriervorrichtung den Kontakt mit dem Meßgriffel verliert.
Es kann eine Führungseinrichtung verwendet werden, um den Meßgriffel während eines Kalibriervorgangs aufzunehmen und zu führen, wobei der Meßgriffel durch mehrere Positionen bewegt wird, die gegenüber seiner Ruheposition versetzt sind, wobei die Führungseinrichtung ein Paar Anschläge aufweist, die relativ zueinander so angeordnet sind, daß beide Anschläge gleichzeitig mit dem Meßgriffel in Kontakt stehen und ihn lokalisieren, wenn er gegen sie gedrückt wird, wobei die Führungseinrichtung im Gebrauch so positioniert ist, daß die Anschläge zueinander in einer Richtung quer zur Richtung ausgerichtet sind, in der der Meßgriffel gegenüber seiner Ruheposition ausgelegt wird, so daß die Kraft, die versucht, den Meßgriffel in seine Ruheposition zurückzudrücken, den Meßgriffel gegen die Anschläge drückt.
Die Ausführungsbeispiele offenbaren auch eine Meßgriffelanordnung mit einem wegnehmbar gehalterten Meßgriffel, was den Austausch eines Meßgriffels ohne erforderliche Neukalibrierung erleichtert. Ausführungsformen der Erfindung werden nun, nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine, im wesentlichen geschnittene, Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Meßsonde zeigt, die ein Gehäuse und eine Meßgriffelanordnung beinhaltet;
Figur 2 eine perspektivische Explosionsansicht der Sonde von Figur 1 mit entferntem Meßgriffel zeigt;
Figur 2A die Form der Bandfedern in den Figuren 1 und 2 zeigt;
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Figur 1 zeigt;
Figuren 4 und 5 Draufsichten auf abtrennbare Teile der Meßgriffelanordnung sind;
Figur 6 eine schematische Ansicht einer Modifizierung der Sonde von Figur 1 ist;
Figur 7 eine schematische Ansicht einer anderen Modifizierung der Sonde von Figur 1 ist;
Figur 8 eine, im wesentlichen geschnittene, Vorderansicht einer Meßsonde gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, ebenfalls mit einem Gehäuse und einer Meßgriffelanordnung, zeigt;
Figur 9 eine perspektivische Explosionsansicht der Sonde von Figur 8 mit entferntem Meßgriffel zeigt;
Figur 10 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Figur 8 zeigt;
Figur 11 eine vergrößerte, teilweise geschnittene, Ansicht eines Teils der Sonde von Figur 8 zeigt;
Figuren 12 und 13 Draufsichten auf abtrennbare Teile der Meßgriffelanordnung von Figur 8 zeigen;
Figuren 14 und 14 Längsschnitte durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen;
Figur 16 eine Endansicht auf Höhe der Linie XVI-XVI in Figur zeigt;
Figur 17 eine Kombination aus einer Membran und einer Vorbelastungsfeder zeigt;
Figur 18 schematisch zeigt, wie die Kombinationsfeder von Figur 17 verwendet werden kann;
Figur 19 perspektivisch einen Teil einer Kalibriervorrichtung mit einer eingefügten Draufsicht auf eine Führungseinrichtung zur Verwendung mit der Kalibriervorrichtung zeigt; und
Figur 20 ein Blockdiagramm einer Datenverarbeitungseinrichtung zeigt, die der Meßvorrichtung von Figur 19 zugeordnet ist.
In den Figuren 1 bis 5 der Zeichnungen ist eine Meßsonde 10 für Form- oder Abmessungsmessungen in Verbindung mit einer Meßvorrichtung dargestellt. Die Sonde 10 weist ein Gehäuse und eine Meßgriffel-Halterung oder -Anordnung 30 mit einer elastischen Membranfeder 40 auf, durch die ein Meßgriffel 50 am Gehäuse 20 für Bewegung in den zueinander rechtwinklig stehenden Richtungen X, Y und Z angebracht ist. Diese Meßgriffelbewegung ist nicht translativ, sondern bogenförmig in der XY-Ebene, was heißt, daß die XY-Bewegung der Meßgriffelspitze durch Verkippen des Meßgriffels erzielt wird.
Vier WandLer 60 (von denen nur zwei in Figur 1 dargestellt sind), die am Gehäuse 20 angebracht sind, und vier Verbindungen 70 verbinden die Meßgriffelanordnung 30 mit den Wandlern 60, so daß diese Wandler 60 elektrische Signale abhängig von der Bewegung der Meßgriffelanordnung 30 in bezug auf das Gehäuse 20 erzeugen. Die Meßgriffelanordnung 30 ermöglicht es, daß der Meßgriffel 50 so an der Membran 40 angebracht werden kann, daß jede Bewegung des Meßgriffels 50 an die Wandler 60 übertragen wird (was erläutert wird).
Die Meßgriffelanordnung 30 umfaßt einen Montagering 32 und eine Montageplatte 34, die die Membran 40 an ihrem Umfang festklemmt. Die Membran 40 ist zentrisch am Gehäuse 20 befestigt. Wie es aus Figur 2 erkennbar ist, verfügt der Montagering 32 über eine Umfangswand 32A und eine untere, sich radial erstreckende Seite 32B. Die Montageplatte 34 verfügt über einen oberen Teil 34A zum Anklemmen der Membran 40 an die Seite 32B des Montagerings 32 und einen Teil 32B mit verringertem Durchmesser mit einer Umfangswand 34C, an der vier Einstellklemmen 36 angebracht sind. An der Unterseite 34D der Montageplatte sind ein Magnet 38 und Kugelelemente (z. B. Lagerkugeln) 39 zum Positionieren des Meßgriffels 50 vorhanden. Der Meßgriffel 50 umfaßt eine Positionierplatte 32, von der der Meßgriffelschaft 54 aus sich zur Meßgriffelspitze 56 nach unten erstreckt, die zu Meßzwecken ein Werkstück berührt.
Wie es aus den Figuren 4 und 5 erkennbar ist, sind die Lagerkugeln 39 der Montageplatte 34 zu Positioniernuten 58 an der Positionierplatte 52 des Meßgriffels 50 ausgerichtet. Der Meßgriffel 50 ist von der Meßgriffelanordnung 30 abnehmbar, und er wird, wenn er positioniert ist, durch den Magnet 38 festgehalten. Die Lagerkugeln 39, die an der Montageplatte 34 angebracht sind, sind so bemessen, daß ein Luftspalt zwischen dem Magnet 38 und der Oberseite der Meßgriffel- Positionierplatte 52 besteht. Die Anordnung ist dergestalt, daß sich der Meßgriffel 50 dann, wenn er auf eine übermäßige Kraft oder ein Hindernis in XY-Richtung trifft, selbst von der Montageplatte 34 ablösen kann: dies tritt auf, wenn der Montagering 32 am Gehäuse 20 anschlägt, das einen Anschlag zum Begrenzen der Verkippung (und auch einer nach oben gerichteten Axialbewegung) der Meßgriffelanordnung 30 bildet. Diese Anordnung gewährleistet, daß jeder Meßgriffel seine eingepaßte Position wieder genau einnimmt, wenn er entfernt wurde und wieder angesetzt wird, wodurch eine Neukalibrierung vermieden ist.
Es ist zu beachten, daß die Lagerkugeln 39 und die Positioniernuten 58 unter gleichen Winkeln von 120º voneinander beabstandet sind.
Aus Figur 2 ist erkennbar, daß der Montagering 32, die Membran 40 und die Montageplatte 34 jeweils mit Anordnungsausnehmungen 32E, 34E und 40E versehen sind, die jeweils für den Anschluß über nicht dargestellte Verbinder dienen.
Das Gehäuse 20 ist an seinem unteren Ende zum Montieren der Membran 40 und damit der Meßgriffelanordnung 30 ausgebildet. Zu diesem Zweck verfügt es über einen nach unten vorstehenden mittigen Ansatz 20A, der von einer sich radial erstrekkenden Unterseite 20B (die den vorstehend genannten Anschlag bildet) des Hauptgehäusekerns vorsteht, der aus Teilen 20C, D und E besteht. Die Membran 40 ist durch ein Fixierteil 24 mit Betätigungsöffnungen 24A zentrisch am Gehäuseansatz 20A festgeklemmt. Die jeweiligen Abmessungen des Gehäuseansatzes 20A und des Montagerings 32 in axialer Richtung der Sonde sind dergestalt, daß, wie es aus Figur 1 erkennbar ist, ein Spalt zwischen der Oberseite des Montagerings 32 und der Gehäuseseite 20B existiert, der dem Meßbereich der Bewegung der Meßgriffelanordnung 30 entspricht. Wie vorstehend genannt, wirkt die Seite 20B dann, wenn die Meßgriffelanordnung 30 beim Treffen auf ein Hindernis in einer XY-Richtung übermäßig ausgelenkt wird, als Grenzanschlag, und der Meßgriffel 50 löst sich selbst ab. Die Seite 20B wirkt auch als Grenzanschlag für einen Z-Hub nach oben, jedoch löst sich der Meßgriffel 50 in diesem Fall nicht selbst ab.
Das Gehäuse 20 ist ferner so aufgebaut, daß es eine Mittelbohrung 25 für einen Verbindungsstab 26 enthält, an dem das Fixierteil 24 befestigt ist. Der Verbindungsstab 26 erstreckt sich durch das Gehäuse, um dadurch die Teile auszurichten, und er ist durch eine Mutter befestigt. Das Gehäuse 20 ist ferner so aufgebaut, daß es Kammern 27 für die stabilen Verbindungen 70 sowie Kammern 28 für die Wandler 60 bereitstellt. Es ist am besten aus Figur 3 erkennbar, daß der Gehäuseteil 20C mit der Unterseite 20B Kreuzform aufweist, wobei die vier Kammern 27 für die Verbindungen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Kammern 27 für die Verbindungen verfügen über geradlinige Konfiguration mit einer Innenwand 27A, nach außen gerichteten Wänden 27B, Wänden 27C parallel zur Wand 27A und ferner mit nach außen gerichteten Wänden 27D, die sich bis zum Umfang des Gehäuses erstrecken, wo sich die Kammer 27 nach außen aus der Sonde öffnet. Die Kammern 27 sind durch Ausnehmungen in jedem der Gehäuseteile 20C, D und E ausgebildet, die miteinander zusammenhängen. Diese drei Gehäuseteile 20C, D und E klemmen zwischen sich ein Paar plattenförmiger Federn oder Bänder 80A, 80B fest, die so geformt sind, wie es in Figur 2A dargestellt ist.
Das unterste Band 80A ist zentrisch zwischen den Gehäuseteilen 20C und 20D festgeklemmt. Das Band 80A verfügt über einen ringförmigen Teil, der zwischen die axialen Endseiten dieser Gehäuseteile 20C, D eingeklemmt ist, und über sich nach außen und radial erstreckende Schenkel 20C (Figur 3) mit einer Form, die Blattfedern sehr ähnlich ist, und mit Stanzresten 80D. Die Stanzreste 80D sind ebenfalls regelmäßig voneinander beabstandet, jedoch in bezug auf die Schenkel 80C versetzt, um zwischen den Gehäuseteilen 20C, D in denjenigen Teilen festgeklemmt zu werden, die sich bis zum Umfang erstrecken, wie aus Figur 3 erkennbar. Das Band 80B ist von ähnlicher Form wie das Band 80A, und es ist zwischen den Endseiten der Gehäuseteile 20D und 20E montiert. Das Paar Bänder 80A, 80B hat einige Funktionen, von denen eine darin besteht, eine Vorspannung in der Ruheposition der Meßgriffelanordnung 30 vorzunehmen, und von denen es eine andere ist, als Führungseinrichtung zum Sicherstellen einer Linearverstellung der (noch zu beschreibenden) Verbindungseinrichtung zwischen der Meßgriffelanordnung 30 und den Wandlern 60 sicherzustellen, wobei es noch eine andere Funktion ist, Drähte 22 unter Zug zu setzen, um dadurch die Membran 40 vorzuspannen.
Die Wandler 60 sind in vier gleichwinklig beabstandeten Bohrungen 20G im Gehäuseteil 20E montiert. Die Wandler 60 verfügen über Wicklungen 60A und Anker 60B, die an Ankerträgern 60C gehalten werden, die sich durch Kanäle 20H im Gehäuseteil 20E so erstrecken, daß sie mit den Kammern 27 für die Verbindungen in Verbindung stehen. Unter Zug gesetzte Drähte 22 erstrecken sich ausgehend von der Montageplatte 34, an die sie mittels der Einstellklemmen 36 geklemmt sind, zu den Ankerträgern 60C, mit denen sie bei 60D (Figur 1) verbunden sind. Stabile Verbindungen 70 klemmen das Paar Bänder 80A, 80B zusammen, und sie sind fest am Ankerträger 60C angebracht. Es ist erkennbar, daß die Verbindungen 70 jeweils vier Teile 70A, B, C und D aufweisen, die durch eine Verbindungseinrichtung (eine Gewindeschraube) 70E (Figur 2) stabil miteinander verbunden sind. Die Teile 70A und B klemmen die Schenkel 80C des Bands 80B und des Teils 70C zusammen, während D die Schenkel 80C des Bandes 80A festklemmt. Das Verbindungsteil 70C trägt die Einrichtung für Verbindung zum Ankerträger 60C. Wie ausgeführt, ist diese Verbindung zwischen dem stabilen Verbindungsteil 70 und dem Ankerträger 60C dahingehend stabil, daß eine Bewegung der Meßgriffelanordnung 30, wie sie durch den unter Zug stehenden Draht 22 auf den Ankerträger 60C übertragen wird, auch auf die stabilen Verbindungsteile 70 und die Bänder 80A, 80B übertragen wird. Es ist zu beachten, daß die Wandler 60 über eine (nicht dargestellte) Verdrahtung verfügen, die sich durch den oberen Teil der Bohrungen 20G erstreckt, so daß die Signale der Wandler durch die Meßvorrichtung verarbeitet werden können.
Der Aufbau dieser Sonde mit ihrer Meßgriffelanordnung 30, die mittels der Membran 40 montiert ist und mittels der unter Zug stehenden Drähte 22 mit den Bändern 80A, 80B verbunden ist, ist dergestalt, daß die Bänder 80A, 80B und die Membran 40 sowie die Drähte 22 in der Ruheposition des Meßgriffels 50 alle vorgespannt sind. In der Zeichnung gemäß Figur 1 sind die Ruhe- (d. h. entspannten) Positionen der Membran 40 und des Paars Bänder 80A, 80B durch Linien B, C bzw. D gekennzeichnet. Unter Verwendung der unter Zug stehenden Drähte 22 (jeweils einer für jeden Wandler und jeden Schenkel 80C) werden die Membran 40 und die Bänder 80A, 80B an ihren Positionen gemäß Figur 1 gehalten, in denen sie vorgespannt sind. Die Ruheposition der Meßgriffelanordnung 30 und damit des Meßgriffels 50 ist diejenige Position, in der die einander gegenüberstehenden elastischen Teile, d. h. die Membran 40 und das Paar Bänder 80A, 80B, eine Gleichgewichtsposition einnehmen. In dieser Position stehen die von den Bändern 80A, 80B ausgeübten elastischen Kräfte und die von der Membran 40 ausgeübten elastischen Kräfte, die einander entgegenwirken, im Gleichgewicht. Dies bedeutet, daß die Ruheposition der Meßgriffelanordnung 30 eine solche ist, bei der diese Meßgriffelanordnung 30 in einer Position elastisch festgehalten wird, aus der sie in jeder Richtung ausgelenkt werden kann.
Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß Verbinder 29 die Gehäuseteile 20C, D und E in Stegbereichen derselben durchsetzen, die die Kammern 27 zusammenziehen, um die Teile in Rotationsausrichtung zusammenzuklemmen. Es ist auch zu beachten, daß die stabilen Verbindungsteile 70 durch Ausrichtstifte 70F, die parallel an jeder Seite der Verbinder 70E vorhanden sind, ausgerichtet gehalten werden.
Es ist zu beachten, daß die unter Zug stehenden Drähte 22 innerhalb der durch den Montagering 32 festgelegten Öffnung und der Öffnungen 40A in der Membran und 34F in der Montageplatte (Figur 2) verlaufen. Die Öffnungen 34F sind durch die Einstellklemmen 36 ausgerichtet, wobei im Zusammenbaustadium die Länge des unter Zug stehenden Drahts 22 so eingestellt werden kann, daß die Bänder 80A, 80B und die Membran 40 vorgespannt werden: dies wird dadurch erzielt, daß ein (nicht dargestellter) Abstandhalterblock in die Kammer 27 für die Verbindungsteile über dem stabilen Verbindungsteil 70 eingesetzt wird und ein weiterer (nicht dargestellter) Abstandhalterblock unter dem stabilen Verbindungsteil 70 eingesetzt wird, der den Montagering 32 in Kontakt damit drückt. Dies gewährleistet, daß die korrekte Länge des unter Zug stehenden Drahts festliegt. Dann werden die Abstandhalterblöcke weggenommen.
Bei der Sonde der Figuren 1 bis 5 hat der Meßgriffel typischerweise eine Länge von 100 mm, und die Maximalauslenkung in den XY-Richtungen beträgt ± 2 mm an der Meßgriffelspitze 56.
Die Meßkraft in Z-Richtung kann wesentlich größer als die Meßkraft in den Richtungen X, Y gemacht werden, was für Formmessungen von Vorteil ist, wie sie an Rundheits-Meßinstrumenten vorgenommen werden.
Die Sonde 10 von Figur 1 weist eine Meßgriffelanordnung 30 auf, die am Umfang der Membran 40 befestigt ist, wobei die Membran 40 zentrisch am Gehäuse 20 befestigt ist, und die unter Zug stehenden Drähte 22 spannen die Bänder 80A, 80B und die Membran 40 vor, um sie dergestalt unter Zug zu setzen, daß sie elastisch so wirken, daß sie in entgegengesetzten Richtungen Zug auf die Meßgriffelanordnung 30 ausüben, wodurch die Ruheposition des Meßgriffels 60 diejenige Position ist, in der die entgegengerichteten Kräfte im Gleichgewicht stehen.
Das letztgenannte Merkmal, daß die einander entgegengerichteten Kräfte in der Ruheposition im Gleichgewicht stehen, damit ein elastisch aufgehängter Meßgriffel 50 vorliegt, führt zu einer Anzahl praxisbezogener Vorteile. Insbesondere zeigt es sich bei Versuchen, daß der Kompromiß zwischen dem Frequenzansprechverhalten einerseits und der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Sondenmessung andererseits gut im Vergleich zum Fall bei aktuellen mehrachsigen Sonden ist.
Dieser vorteilhafte Kompromiß rührt davon her, daß die einander entgegengerichteten Kräfte eine stabile und reproduzierbare Bewegung des Meßgriffels erlauben, die bei einem zweidimensionalen (XY), gebogenen (kippenden) Bewegungsmuster erhalten werden kann. Die Bewegung entlang eines Bogens kann mit kleinen beweglichen Teilen mit geringer Trägheit erzielt werden, was zu verbessertem Freguenzansprechverhalten führt. Die Verwendung einer vorgespannten Membranfeder zum Halten der Meßgriffelhalterung ist in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft.
Modifikationen der Sonde von Figur 1, die denselben Kriterien genügen, sind schematisch in den Figuren 6, 7 dargestellt, in denen gleiche Teile gleiche Bezugssymbole aufweisen.
Bei der Modifikation von Figur 6 sind die Bänder 80A, 80B, zusammen mit dem Ankerträger 60C, sowie die Meßgriffelanordnung 30 nicht über einen unter Zug stehenden Draht 22 miteinander verbunden, sondern stattdessen über stabile Verbindungen 22A (vier derselben sind gleichmäßig voneinander beabstandet, wie dies für die unter Zug stehenden Drähte 22 gilt), wobei die Verbindungen B, C auf kugelförmige Elemente (z. B. Lagerkugeln) 220 einwirken, die ihrerseits fest in einer Umfangsnut 34G in der Montageplatte 34 sitzen. Die Verbindung 22C verfügt über eine Radialnut 22E zum Lagern einer Lagerkugel 220. Die Radial- und Umfangsnuten 22E und 34G gewährleisten eine genaue und automatische Positionierung der Lagerkugeln 22D. Die Membran 40 ist wiederum zentrisch in bezug auf das Gehäuse 20 montiert und an ihrem Umfang durch den Montagering 32 und die Montageplatte 34 an der Meßgriffelanordnung 30 festgeklemmt. Um dieser Form einer stabilen Verbindung gerecht zu werden, verfügt die Membran 40 über Öffnungen 40B, durch die sich die Lagerkugeln 22D frei erstrecken können, ohne am aktiven Teil der Membran 40 anzugreifen. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt über die vorstehend genannte elastische Aufhängung der Meßgriffelanordnung 30, wobei jedoch die Bänder 80A, B und die Membran 40 Druckkräfte ausüben.
Die Modifizierung von Figur 7 ist derjenigen der Figur 6 hinsichtlich der stabilen Verbindungen 22A zwischen den Bändern 80A, B und der Meßgriffelanordnung 30 ähnlich. Der Unterschied liegt darin, daß die Membran 40 zentrisch in bezug auf die Meßgriffelanordnung 30 montiert ist, die nun eine modifizierte Montageplatte 34 (ohne Montagering 32) aufweist. Diese Montageplatte 34 verfügt über einen zentrischen Ansatz 34H, an dem die Membran 40 befestigt ist (ähnlich der zentrischen Befestigung der Membran 40 am Gehäuse 20 am Ausführungsbeispiel von Figur 1). Die Verbindung zwischen der Membran 40 und einem herunterhängenden Außenmantel 20M des Gehäuses 20 liegt am Umfang der Membran 40 vor, wie dargestellt. Erneut ist die Ruheposition durch die einander entgegenwirkenden elastischen Einrichtungen bestimmt, nämlich die Membran 40 und die Bänder 80A, B, die bei diesem Ausführungsbeispiel Druckkräfte ausüben. Sowohl in Figur 6 als auch in Figur 7 sind erneut die spannungsfreien Positionen der Bänder 80A und 80B sowie der Membran 40 durch Linien B, C und D veranschaulicht.
Bei einer anderen, nicht dargestellten Anordnung sind die Membran 40 und die Bänder 80A, 80B so miteinander verbunden, wie es in Figur 7 dargestellt ist, jedoch erstreckt sich die Membran 40 nach unten und nach außen, so wie in Figur 6. Bei dieser Anordnung ist die Ruheposition der Membran 40, um für eine Kraft in der korrekten Richtung ausgehend von derselben zu sorgen, nicht planar, sondern konisch, mit einem steileren Konuswinkel, als es dem Winkel entspricht, den sie unter der Einwirkung der Bänder 80A, 80B einnimmt.
Aus dem Vorstehenden ist es deutlich, daß eine elastische Aufhängung des Meßgriffels auf eine Anzahl verschiedener Arten, abweichend von den veranschaulichten, erfolgen kann, und zwar unter Verwendung von Zug- oder Druckkräften, die eine Form der Aufhängung des Meßgriffels aufrechterhalten, bei der die Meßgriffel-Ruheposition durch einander entgegenwirkende elastische Vorspanneinrichtungen bestimmt wird. Auf ähnliche Weise besteht für die Art der Montage der Membran am Gehäuse sowie der Membran an der Meßgriffelanordnung eine umkehrbare Wahl dahingehend, welches Teil eine zentrale Montage und welches seine Umfangsmontage verwendet. Es ist ersichtlich, daß die Vorteile der Ausführungsform von Figur 1 durch derartige modifizierte Ausführungsformen erzielt werden können.
Die Figuren 8 bis 13 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sonde für Form- oder Abmessungsmessungen in mehreren Achsen zur Verwendung mit einer Meßvorrichtung, bei der die Sondensignale und Vorrichtungssignale verwendet werden, um Formmeßdaten zur Verwendung beim Ausmessen von Werkstücken zu erstellen. Diese Sonde 110 weist folgendes auf: ein Gehäuse 120; eine Meßgriffelanordnung 130; eine elastische Membran 140, durch die die Meßgriffelanordnung 130 (einschließlich eines Meßgriffels 150) am Gehäuse 120 so befestigt ist, daß Bewegung in den Richtungen X, Y und Z möglich ist; drei Wandler 160 (in Figur 10 dargestellt), die im Gehäuse 120 untergebracht sind und direkt mit der Meßgriffelanordnung 130 verbunden sind, so daß diese Wandler 160 elektrische Signale erzeugen, die von der Bewegung der Meßgriffelanordnung 150 bezogen auf das Gehäuse 120 abhängen.
Innerhalb der Meßgriffelanordnung 130 ist der Meßgriffel 150 lösbar mit einer Montageplatte 134 verbunden. Die Membran 140 ist am Umfang zwischen einem Montagering 132 und der Montageplatte 134 eingeklemmt. Die Montageplatte verfügt über eine Umfangswand 134A (siehe Figur 11), die von einer unteren Platte 134B hochsteht und die ein mittleres Teil 134C hält. An drei am Umfang gleich beabstandeten Stellen trägt die Umfangswand 134a integral ausgebildete Ansätze 134D (Figur 8), die Verbindungsteile 134E aufnehmen, die ihrerseits mit einem Gewinde im Montagering 132 aufgenommen sind, um die Montageplatte 134 und den Montagering 132 miteinander zu koppeln, um die Membran 140 festzuklemmen. Die Ansätze 134D erstrecken sich in axialer Richtung ausgehend vom mittleren Teil 134C bis zur Oberseite der Umfangswand 134A. Das mittlere Teil 134C verfügt über Öffnungen 134F, die es ermöglichen, daß es sich relativ zu Hülsen 160G bewegen kann, in denen die Wandler 160 untergebracht sind: jede Hülse 160G steht von einem Einsatz 120H herunter und verfügt über einen Innenbereich, an dem die Wandlerwicklung 160A befestigt ist. Diese Öffnungen 134F sind unter gleichen Winkeln voneinander beabstandet. Das mittlere Teil 134C trägt an seiner Unterseite einen Magnet 134H, der den Meßgriffel 150 lösbar hält. Das mittlere Teil 134C ist ferner mit Kontaktelementen (z. B. Lagerwalzen) 134J versehen, die fest in Positioniernuten 134K (Figur 2) angeordnet sind, die unter gleichen Winkeln voneinander beabstandet angeordnet sind und sich radial erstrecken. Der Meßgriffel 150 weist eine Positionierplatte 150A auf, an der drei unter gleichen Winkeln voneinander beabstandeten Positionierpaare beabstandeter Kugelelemente (z. B. Lagerkugeln) 150B fest angebracht sind. Der Abstand (Figur 13) zwischen den Lagerkugeln 150B eines Paars Lagerkugeln ist dergestalt, daß die Lagerkugeln mit den Lagerwalzen 134J der Montageplatte 134 in Eingriff stehen, um den Meßgriffel 150 radial und axial zur Montageplatte 134 auszurichten. Die Lagerkugeln 150B sind relativ zur Positionierplatte 150A fixiert. Der Meßgriffel weist ferner einen Schaft 150C und eine Meßgriffelspitze 150D auf.
Die untere Platte 134B der Montageplatte 134 verfügt über eine zentrische, kreisförmige Aussparung 134L (Figur 9) mit einer sich axial erstreckenden Kante 134M, die eine Öffnung zum Aufnehmen der Positionierplatte 150A des Meßgriffels 150 festlegt Weitere Ausnehmungen 134N, die sich axial erstrekkende Kanten 134P festlegen, stehen mit der kreisförmigen Ausnehmung 134L so in Verbindung, daß im Material der unteren Platte 134B Ausbuchtungen 134Q ausgebildet sind. Die Ausbuchtungen 134Q tragen an ihren radial inneren Enden die Kanten 134M. Die Ausbuchtungen 134Q sind mit den Ausnehmungen 134F für die Wandler ausgerichtet, und diese Ausbuchtungen 134Q sind mit Axialbohrungen 134R zum Montieren des Wandlerankerträgers 160C versehen (was weiter beschrieben wird).
Der Montagering 132 verfügt über eine sich am Umfang erstreckende Außenwand 132A und über drei winkelmäßig gleich beabstandete (in Figur 9 veranschaulichte) Aufnahmeteile 132B von solcher Form, daß, durch eine jeweilige Bohrung 132C, Schüsselform zum Aufnehmen eines Endes einer jeweiligen Druckfeder 180 vorliegt. Zu den Bohrungen 132E führende Ausnehmungen 132D sind so ausgebildet, daß sie die Verbinder 134E mit Gewinde aufnehmen, die die Montageplatte 134E und den Montagering 132 miteinander koppeln und dadurch die Membran 140 festklemmen. Die Membran 140 verfügt über Zusammenbauöffnungen 140M für den Durchtritt der Verbinderteile 134E sowie über Wandleröffnungen 140B, durch die eine Bewegung relativ zu den Hülsen 160G ermöglicht ist. Ein Montageteil 124 ist so angeordnet, daß es die Meßgriffelanordnung 130 mit dem Gehäuses 120 verbindet. Es liegt in Form eines Zapfens vor, der durch eine zentrale Öffnung 140C in der Membran 140 geht und der mit einem Gewinde in eine Bohrung 120A (Figur 9) in einem Ansatz 120B eingreift, der sich ausgehend vom Hauptkern 120C des Gehäuses 120 nach unten erstreckt. Der Gehäusehauptkern 120C weist eine Unterseite 120D auf, in der sich Wandlerbohrungen 120E und Positionierbohrungen 120F befinden, die die Druckfedern 180 aufnehmen. Die Wandlerbohrungen 120E nehmen über Gewinde jeweils Wandlereinsätze 120H auf, die Kanäle für eine Verdrahtung bilden, die den Wandlern 160 zugeordnet ist, damit die Ausgänge der Wandler 160 mit der Datenerfassungsausrüstung verbunden werden können. Die Wandlerhülsen 160G sind fest in Ausnehmungen in den Einsätzen 120H angebracht, und sie halten Wandlerwicklungen 160A. Die Wandler selbst bestehen aus einer Wicklung 160A und einem Anker 160B, wobei jeder Anker von einem Ankerträger 160C gehalten wird. Der Ankerträger 160C ist an der jeweiligen Bohrung 134R direkt und fest mit der Montageplatte 134 verbunden.
Der Hauptkern 120C des Gehäuses weist ferner einen hochstehenden Ansatz 120J auf, mit einer Mittelbohrung 120K zum Aufnehmen eines (nicht dargestellten) Verbinderteils zum Verbinden des Sondengehäuses mit einer Meßvorrichtung. Das Gehäuse weist ferner eine obere Platte 120L auf, die das Innere des Gehäuses abdichtet und einen herunterstehenden Saum 120M zum Einführen in einen den Hauptkern umgebenden Außenmantel 120N aufweist. Eine Bohrung 120T verbindet die obere Platte über ein Gewinde mit dem vorstehend genannten Verbinderteil. Der Außenmantel 120N ist im wesentlichen zylindrisch, verfügt jedoch über einen radial nach innen gerichteten Flansch 120R auf der Höhe, auf der die Meßgriffelpositionierung 150A angeordnet ist (siehe Figur 8). Der Gehäusemantelflansch 120R trägt eine ringförmige Scheibe 120S, die die untere Seite des Gehäusemantels vervollständigt.
Diese Sonde 110 hat mit den früheren Ausführungsbeispielen die Eigenschaft gemeinsam, daß die Meßgriffelanordnung 130, und damit der Meßgriffel 150, auf solche Weise angebracht ist, daß die Ruheposition des Meßgriffels, die die Position ist, in die er zurückkehrt, wenn er von jedem Kontakt freigegeben ist, durch die Gleichgewichtsposition der Montageanordnung bestimmt ist, und zwar gemäß dem Gleichgewicht der einander entgegenwirkenden Kräfte der Membran 140 und der Druckfedern 180. Das Zusammendrücken der Federn 180 kann durch die einstellbaren Zapfen 160G eingestellt werden. Die Membran, die im ungespannten Zustand mit der Ebene B (Figur 8) ausgerichtet wäre, ist dadurch vorgespannt, daß sie in ihrer Mitte durch das Montageteil 124B in der Ebene B festgeklemmt ist und an ihrem Umfang zwischen der Montageplatte 134 und dem Montagering 132 auf andere Höhe festgeklemmt ist. Dank ihrer Auslenkung wirkt sie daher so, daß sie eine Kraft erzeugt, die der durch die Druckfedern 180 erzeugten Kraft entgegenwirkt, um dadurch die Gleichgewichtsposition der aufgehängten Montageanordnung 130 zu bestimmen, die die Ruheposition des Meßgriffels 150 bestimmt. Die Bewegung des Ankerträgers 160C auf eine beliebige Auslenkung des Meßgriffels 150 hin ist nicht vollständig linear hinsichtlich des Wandlers 160. Nichtlinearitätskomponenten können durch die Kalibrierung kompensiert werden. Die Ausgangssignale der drei Wandler werden so kalibriert, daß Messungen für X, Y und Z erhalten werden. Die Verwendung dreier Wandler anstatt vieren ermöglicht eine Verringerung der Anzahl elektronischer Kanäle, die die Wandlersignale durchlaufen müssen, was daher eine Verkleinerung der zugeordneten Elektronik erleichtert.
Wie beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 verfügt dieses Ausführungsbeispiel über einen Meßgriffel 150, der durch die Positioniereinrichtung (in den Figuren 12 und 13 dargestellt) lösbar mit der Montageplatte 134 verbunden ist, an der er durch den Magnet 134H gehalten wird, von welcher Position aus er jedoch auslenkbar oder austauschbar ist. Dieses Merkmal ermöglicht es, daß der Meßgriffel ausgelenkt wird, wenn er unbeabsichtigt in einer XY-Richtung auf ein Werkstück trifft, was bewirkt, daß der Montagering 132 in Berührung mit dem Gehäuse 120 kommt, wodurch der Meßgriffel 150 frei wird. Die Gehäuseseite 120D und der Gehäuseflansch 120R bilden Grenzanschläge für die Bewegung der Meßgriffelanordnung 130. Dies erleichtert auch einen Austausch des Meßgriffels 150 bei Wiederholbarkeit der Ergebnisse, wenn Meßgriffel neu angebracht werden.
Wie das erste Ausführungsbeispiel hat auch dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß dann, wenn es bei Formmessungen verwendet wird, die Meßkraft in Z- oder axialer Richtung größer als die in der Y-Ebene erforderliche Meßkraft ist. Es zeigt sich, daß dieses Ausführungsbeispiel bei der Verwendung zu Formmessungen an Rundheit-Meßinstrumenten besonders geeignet ist.
Merkmale, die diese Sonde 110 von der Sonde 10 der Figuren 1 bis 5 unterscheiden, sind die, daß der Ort der Wandler 160 und die Konstruktion der Meßgriffelanordnung (insbesondere der Montageplatte 134 und Montagerings 132) die Anzahl beweglicher Teile verringern und der Schwerpunkt dieser beweglichen Teile dichter an die Ruheposition der Meßgriffelanordnung verschoben ist. Es ermöglicht auch einen vergrößerten Hub in Z-Richtung, da die Membran 140 nach unten vorgespannt ist, was zu verbessertem Schutz gegen Beschädigungen durch übermäßigen Hub sorgt.
Beide Ausführungsbeispiele sorgen für eine kompakte Konstruktion, die die Verwendung einer Sonde 110 erleichtert, wenn diese komplexen Werkstückkonturen folgen soll, und sie sorgen auch für einen guten Kompromiß zwischen Genauigkeit und Wiederholbarkeit einerseits und gutem Frequenzansprechverhalten andererseits.
Ein weiteres Merkmal ist in die Sonden 10, 110 der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 5 sowie 8 bis 13 eingebaut, nämlich eine Maßnahme zum Dämpfen der Meßgriffelbewegung. Beim ersten Ausführungsbeispiel kann eine Dämpfungseinrichtung 27F dadurch in der Meßgriffelanordnung angebracht werden, daß eine viskose Substanz zwischen die Verbindung 70 und die angrenzenden Verbindungskammerwände 27D gebracht wird, wie in Figur 3 dargestellt.
Auf ähnliche Weise kann beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Dämpfungseinrichtung 132F dadurch in der Meßgriffelanordnung angebracht werden, daß eine viskose Substanz zwischen den Montagering 132 und die Hülse 160G (für die Wandlerwicklung 160A) gebracht wird, wie in den Figuren 8, 10 dargestellt. Beispielsweise bestehen die Dämpfungseinrichtungen 27F und 132F aus einer Füllung einer viskosen Substanz wie Siliconfett.
Versuche haben gezeigt, daß das Hinzufügen einer Dämpfungseinrichtung 27F, 132F zur Sonde deren Verwendbarkeit an Meßinstrumenten verbessert. Eine Dämpfungseinrichtung sorgt für die folgenden Vorteile:
i) sie verringert stark unerwünschte Meßgriffelbewegung und -schwingung während eines lnstrumentendurchlaufs, wenn sich der Meßgriffel außer Kontakt mit einem Werkstück befindet;
ii) sie verringert Meßgriffelschwingung-Auswirkungen, wenn eine Oberfläche abgetastet wird;
iii) sie ermöglicht eine Rückkehr des Meßgriffels in eine stabile Ruheposition innerhalb einer kürzeren Zeitspanne nach einer Meßgriffelauslenkung.
Alternative Dämpfungseinrichtungen können auf eine Anzahl verschiedener Arten als durch das Anbringen einer viskosen Substanz vorhanden sein. Außerdem können verschiedene Sondenanwendungen verschiedene Dämpfungsraten erfordern. Z. B. kann eine Sonde, die mit einem Rundheit-Meßinstrument verwendet wird, eine geringere Dämpfungsrate erfordern als dann, wenn eine solche Sonde bei einer Koordinaten-Meßvorrichtung verwendet wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 14, 15 und 16 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel kombiniert eine der bevorzugten Merkmale des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels.
Beim dritten Ausführungsbeispiel existieren vier Wandler 200, wie am besten aus Figur 16 erkennbar. Dies ermöglicht es, die Wandler in direkt einander gegenüberstehenden Paaren anzuordnen, was eine größere Unempfindlichkeit gegen Auswirkungen differenzmäßiger Ausdehnung innerhalb der Sonde ergibt. Wenn vier Wandlersignale verfügbar sind, können mathematische Kalibrier- und Meßfunktionen verwendet werden, bei denen die Signale einander gegenüberstehender Paare von Wandlern im wesentlichen abgezogen werden, um eine Meßgriffelauslenkung herzuleiten. Auf diese Weise wird jede Drift der Ausgangssignale, die allen Wandlern gemeinsam ist, herausgehoben, was die Meßstabilität verbessert. Figur 15 ist ein Schnitt durch die Sonde entlang der Linie XV-XV in Figur 16, und sie zeigt demgemäß zwei Wandler 200 im Schnitt. Figur 14 ist ein Schnitt durch die Sonde entlang der Linie XIV-XIV in Figur 16, und sie zeigt demgemäß keinen der Wandler 200.
Die Sonde weist einen Hauptkörper 202 mit einem zylindrischen Mantel 204 sowie eine bewegliche Meßgriffelhalterung auf, die im wesentlichen aus einer Montageplatte 206 und einem Montagerlng 208 besteht, die den Umfang der Membranfeder 210 zwischen sich einklemmt. Die Montageplatte 206 und der Montagering 208 werden durch Schrauben 212 zusammengehalten.
Anstatt durch die Druckfedern wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 8 wird die Vorbelastung der Membran 210 durch eine ebene Vorbelastungsfeder 214 erzielt, die Drähte 216 spannt, die sich durch den Montagering 208 erstrecken, und an ihm durch eine zweckdienliche Maßnahme, wie Löten, befestigt sind. Die Drähte 216 laufen durch jeweilige Spielraumlöcher in der Membran 210. Die Drähte 216 erstrecken sich durch den Montagering 208 und in Löcher 218 im Hauptkörper 202, und in den Löchern 218 kann ein viskoses Material angeordnet sein, um die Bewegung des Meßgriffels zu dämpfen.
Die Vorbelastungsfeder 214 verfügt über vier sich radial erstreckende Schenkel ausgehend von einem zentralen Steg (siehe Figur 16). Sowohl die Membranfeder 210 als auch die Vorgelastungsfeder 214 sind in ihren Zentren durch die Wirkung einer Klemmschraube 220, die mittels einer Mutter 222 am Ende des Hauptkörpers 202 befestigt ist, am Hauptkörper 202 festgeklemmt. Die Mitte der Vorbelastungsfeder 214 liegt unter der Mitte der Membran 210 und ist von dieser durch einen Abstandhalter 224 beabstandet. Sowohl die Membran 210 als auch die Vorbelastungsfeder 214 sind im unbelasteten Zustand eben. Demgemäß hat die Membran 210 dann, wenn sie auf die in den Figuren 14 und 15 dargestellte Weise gespannt wird, die Neigung, die Meßgriffelhalterung nach oben zu bewegen, zum Hauptkörper 202 hin, während die Vorbelastungsfeder 214 über den Zug in den Drähten 216 auf die Meßgriffelhalterung einwirkt, wobei sie versucht, diese nach unten, vom Hauptkörper 202 weg, zu drücken.
Die korrekten Vorbelastungskräfte können durch geeignete Bearbeitung eingestellt werden, wenn die Drähte 216 am Montagering 208 befestigt werden. Dies erübrigt das Erfordernis einer Vorbelastung-Einstelleinrichtung, wie sie beim Ausführungsbeispiel der Figuren 8 und 9 vorhanden ist. Da die Drähte 216 sowohl mit der Vorbelastungsfeder 214 als auch dem Montagering 208 fest verbunden sind und sie unter Zug stehen, sorgt die Vorbelastungsanordnung dieses Ausführungsbeispiels für bessere Stabilität, und sie verhindert eine mögliche Querbewegung der Druckfedern 180, wie bei der Anordnung der Figuren 8 und 9, wo mindestens ein Ende jeder Feder bewegungsfrei sein muß, damit diie Vorbelastungseinstellung ausgeführt werden kann.
Wie in Figur 15 dargestellt, sind vier Wandlerwicklungen 200 an Hülsen 226 im Hauptkörper 202 angebracht. Die Hülsen 226 stehen bis über die Unterseite des Hauptkörpers 202 vor, und sie durchdringen Spielraumlöcher in der Membranfeder 210. Wie es aus Figur 16 erkennbar ist, sind die vier Wandlerwicklungen 200 und die Hülsen 226 um 45 gegenüber den vier Armen der Vorbelastungsfeder 214 versetzt. Die Anordnung der Hülsen 226, der Wandler 200 und der Spielraumlöcher in der Membran 210 ist ähnlich wie bei der Anordnung der entsprechenden Teile beim Ausführungsbeispiel der Figuren 8 und 9. Anker 228 für jeden Wandler sind durch jeweilige Stäbe 230 stabil an der Rückseite der Montageplatte 206 angebracht.
Eine flexible, ringförmige Dichtung 231 ist zwischen der Montageplatte 206 der beweglichen Meßgriffelhalterung und der Öffnung des zylindrischen Mantels 204 vorhanden, um den Eintritt von Fremdsubstanzen zu verhindern.
Der Meßgriffel ist in den Figuren 14 und 15 nicht dargestellt. Er ist durch eine solche Anordnung an der Montageplatte 206 befestigt, die im wesentlichen mit der übereinstimmt, wie sie in den Figuren 12 und 13 dargestellt ist, mit der Ausnahme daß, wie in den Figuren 14 und 15 dargestellt, Präzisionskugeln 232 auf der Montageplatte 206 angebracht sind. Wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen wird der Meßgriffel durch die anziehende Kraft eines Magnets 234 an ihrer Position gehalten.
Es sind verschiedene Modifizierungen des Ausführungsbeispiels der Figuren 14 bis 16 möglich. Zum Beispiel kann sowohl die Anzahl der Wandler als auch die Anzahl aktiver Schenkel der Vorbelastungsfeder 214 verändert werden, obwohl die Vorbelastungsfeder 214 normalerweise mindestens drei aktive Schenkel aufweisen muß, um in angemessener Weise die Gleichgewichts-Ruheposition des Meßgriffels festzulegen.
Normalerweise sind die Schenkel gleich beabstandet, um für gleichmäßige Meßkraftcharakteristik zu sorgen. Die Verwendung freier Enden der Drähte 216, die sich durch den Montagering 208 erstrecken, als Dämpfungseinrichtung ist zweckdienlich und wirtschaftlich, jedoch können andere Dämpfungsanordnungen verwendet werden.
Die Anordnung aus der Membranfeder 210 und der Vorbelastungsfeder 214, wie in den Figuren 14 bis 16 dargestellt, wurde ausgewählt, um die Sonde kompakt zu machen. Andere Anordnungen sind möglich, wie:
i) Festklemmen der Meßgriffelhalterung an der Mitte der Membranfeder 210 und Anklemmen am Hauptkörper 202 an ihrem Umfang;
ii) Ausbilden der Vorbelastungsfeder 214 in solcher Weise, daß radiale Schenkel am radialen Außenende des Hauptkörpers 202 festgeklemmt sind und sie sich radial nach innen zur Mitte erstrecken;
iii) Anordnen der Vorbelastungsfeder 214 in solcher Weise, daß sie die Membran 210 nach oben statt nach unten drückt;
iv) Ersetzen der Vorbelastungsfeder 214 durch axial ausgerichtete Zugfedern, die mit den Drähten 216 verbunden sind und von einem Teil des Hauptgehäuses 202 oder des zylindrischen Mantels 204 gehalten werden;
v) Kombinieren der Funktionen der Membranfeder 210 und der Vorbelastungsfeder 214 in einer einzigen Komponente.
Eine mögliche Anordnung zum Kombinieren der Funktionen der Membran und der Vorbelastungsfeder in einer Komponente ist in den Figuren 17 und 28 dargestellt. Figur 17 zeigt die Form einer kombinierten Feder 236. Diese verfügt im wesentlichen über die Form der Membranfeder 210 des Ausführungsbeispiels der Figuren 14 bis 16, mit Ausnahme, daß die sich radial erstreckenden Arme 238 in ihr durch U-förmige Ausschnitte gebildet werden. Figur 18 ist eine schematische Seitenansicht einer Anordnung zum Verwenden der kombinierten Feder 236 von Figur 17. Die Mitte der Feder 236 ist über eine Klemmschraube 220 mit dem Hauptkörper 202 verbunden, und die Arme 238 sind mit den Drähten 216 verbunden, und sie sorgen für die Funktion dr Vorbelastungsfeder 214 in den Figuren 14 bis 16. Der Rest der Kombinationsfeder 236 erzeugt die Funktion der Membranfeder 210, und sie ist an ihrem Umfang zwischen der Montageplatte 206 und dem Montagering 208 eingeklemmt.
Bei allen veranschaulichten Ausführungsbeispielen hat mindestens eine der Federn die Form einer Membran.
Wie es dem Fachmann erkennbar ist, sind weitere Abänderungen möglich. Eine Anordnung kann geschaffen sein, bei der z. B. einige der elastischen Einrichtungen gespannte Schraubenfedern sind.
Angesichts der hier erfolgten Offenbarung, gemäß der das Ausführungsbeispiel der Figuren 8 bis 13 die Anzahl der Sensoren/Wandler von vier auf drei verringert, ist es dem Fachmann erkennbar, daß das Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 so modifiziert werden kann, daß drei Sensoren/Wandler vorhanden sind.
Die Membran bei den Ausführungsbeispielen ist vor dem Zusammenbau scheibenförmig und eben (unbelastet), so daß sie dann, wenn sie vorbelastet wird, eine konusähnliche Form einnimmt. Modifizierungen sind möglich, bei denen die Membran mit nichtplanarer (konischer) Form vorgeformt ist und dann so vorbelastet wird, daß sie eine andere Form, z. B. mit einem weniger steilen Konuswinkel, einnimmt.
Bei jedem der Ausführungsbeispiele liegt die Membran (40, 140, 210) in Form einer kreisförmigen Scheibe mit gleichmäßiger Dicke vor, die aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung besteht, die vollständig gehärtet wurde. In jedem Fall ist die Membran so geformt, daß sie in ihrer Mitte eine Verbindung mit dem Hauptgehäuse und an ihrem Rand eine Verbindung mit der Meßgriffelanordnung ermöglicht (wie angegeben, könnten diese umgekehrt sein).
Innerhalb des Umfangs der kreisförmigen Membran ist für andere mechanische Eigenschaften der Sonde gesorgt. Beim ersten Ausführungsbeispiel, wie in Figur 2 dargestellt, verfügt die Membran 40 über Öffnungen 40A für den Hindurchtritt von Drähten 22 unter Zug, die die Verbindungseinrichtung 70 mit der Montageplatte 34 verbinden, und Öffnungen 40E für Zusammenbauzwecke. Beim zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Figur 9 dargestellt, verfügt die Membran 140 über weitere Öffnungen 140b für das Hindurchtreten der die Wandlerwicklungen 160a tragenden Hülsen 134G, was zusätzlich zu den Öffnungen 140M für Zusammenbauzwecke der Fall ist. Die Dicke der Membran beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beträgt 0,003 Zoll (ungefähr 0,08 mm) bzw. 0,005 Zoll (ungefähr 0,13 mm). Die Dicke ist so gewählt, daß bei vorgegebenen erforderlichen Membranabmessungen und der Länge des Meßgriffelarms sowie der Charakteristik des anderen Teils des Sondenmechanismus die korrekte Meßsteifigkeit in den XY- Richtungen an der Meßgriffelspitze erzielt wird. Eine typische Meßsteifigkeit in den XY-Richtungen für beide Sonden beträgt 100 mn pro mm Auslenkung, wenn ein Meßgriffel von 100 mm verwendet wird. Über den relativ kleinen verwendeten Bewegungsbereich bleibt diese Steifigkeit unabhängig von der Auslenkung der Richtung im wesentlichen konstant.
Beim ersten Ausführungsbeispiel (Figur 2) wird die Meßsteifigkeit in Richtung der Z-Achse stark durch die Dicke und die Konstruktion der Membran selbst bestimmt. Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 9) ist die Meßsteifigkeit in Richtung der Z-Achse hauptsächlich eine Funktion des Vorbelastungssystems, d. h. der Art der Druckfedern und ihrer Anordnung
Wenn die Sonde bei einem Rundheit-Meßinstrument verwendet wird, ist die Meßsteifigkeit in Z-Richtung vorzugsweise eine Größenordnung bevorzugter zwei Größenordnungen, größer als die Meßsteifigkeit in den XY-Richtungen.
Die Eigenschaften von Beryllium-Kupfer, die es für die Membran besonders geeignet machen, sind u. a. die folgenden:
i) dieses Material erlaubt höhere Auslenkungen innerhalb seiner Elastizitätsgrenze als andere vergleichbare Materialien;
ii) es verfügt über hohe Beständigkeit, d. h., daß es seine elastischen Eigenschaften über eine lange konzipierte Lebensdauer aufrechterhält;
iii) es zeigt praktisch keine elastische Hysterese.
Bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen der Sonde verfügen deren bewegliche Teile über relativ kleine Masse, und die Masse liegt überwiegend kurz beabstandet vom Zentrum der Bogenbewegung des Meßgriffels. Dies führt zu einer relativ kleinen Trägheit der beweglichen Teile hinsichtlich einer Bewegung der Meßgriffelspitze, was es ermöglicht, gutes Frequenzansprechverhalten ohne übermäßige Meßkräfte zu erzielen. Zum Beispiel wird beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 eine Eigenfrequenz von ungefähr 50 Hz bei einer Meßkraft (XY) von 0,01 N bei einer Auslenkung von 1 mm an der Spitze eines Meßgriffels von 100 mm erzielt.
Die Verwendung einander entgegengerichteter Rückstellkräfte zum Festlegen einer Gleichgewichtsruheposition für den Meßgriffel verbessert die Wiederholbarkeit und Stabilität der Meßgriffelbewegung, was dazu beiträgt, eine genaue Messung durch die Sonde zu ermöglichen. Dies ist besonders wertvoll hinsichtlich des Haltens des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung durch eine Membran, die zu konischer Form vorbelastet ist, wie es in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Die Membran sorgt für eine einfache, leichte und billige Weise zum Halten des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung, sie sorgt für einen Schwenkpunkt für eine bogenförmige Bewegung des Meßgriffels und sie sorgt für einiges der Meßsteifigkeit. Die Vorbelastung der Membran stabilisiert ihre Funktion als Schwenkpunkt, und aus diesem Grund ist der Betriebsbereich der Sonde vorzugsweise so festgelegt, daß die Membran innerhalb des Betriebsbereichs nicht durch ihre unbelastete Position läuft. Diese Begrenzung des Betriebsbereichs kann sich in der Konstruktion der Sonde widerspiegeln. Zum Beipsiel können die Sensoren aus ihrem Bereich heraus laufen, bevor die Membran ihre jnbelastete Position erreicht.
Ein anderes wertvolles Merkmal der veranschaulichten Ausführungsbeispiele ist es, daß alle Verbindungen zwischen dem Meßgriffel und dem Sondenkörper flexibel sind. Durch Vermeiden von Gleitkontakten und aufeinandertreffenden Flächen (mit Ausnahme eines kontinuierlichen Anschlags an flexiblen Verbindern) ist die Wiederholbarkeit der Meßgriffelbewegung verbessert. Jedoch besteht die Tendenz, daß die bogenförmige (kippende) Bewegung des Meßgriffels, im Gegensatz zu der Translationsbewegung wie bei einigen bekannten Vorrichtungen, eine Kalibrierung für die Sonde wichtig macht, um genaue Ergebnisse zu erzielen.
Es erfolgt nun Hinwendung zu den Figuren 19 und 20, um eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Meßsonde 10 (wie derjenigen, die unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 beschrieben wurde) zum Ausgeben korrigierter Meßsignale für die X- und die Y-Achse, die Auslenkungen der Sonde in Richtung der X- bzw. Y-Achse repräsentieren, zu beschreiben. Wie in Figur 1 angezeigt, verfügt eine Meßsonde 10 über einen Meßgriffel 50, der so in bezug auf ein Sondengehäuse 20 montiert ist, daß eine zweidimensionale Auslenkung des Meßgriffels 50 möglich ist. Sensoren 60 sprechen auf die Meßgriffelbewegung an, um Sensorsignale auszugeben, die in Beziehung mit dieser Meßgriffelauslenkung stehen. Die hier beschriebene Kalibrierung ermöglicht die Ausgabe korrigierter Meßsignale, die aus diesen Sensorsignalen hergeleitet sind.
Gemäß Figur 19 beginnt die Kalibrierung der Sonde 10 mit dem Anordnen derselben in einer vorgegebenen Position bezogen auf eine Drehtischeinrichtung 250, um die Meßgriffelspitze 56 (innerhalb ihres Betriebsbereichs) entlang einem vorgegebenen Kreisweg auszulenken. Die Z-Achse der Sonde 10 ist durch einen Sondentragarm 252 einer Meßvorrichtung, an der die Sonde 10 montiert ist, zur Drehachse 254 der Drehtischeinrichtung 250 ausgerichtet.
Die Drehtischausrichtung 250 trägt eine Gleitblockanordnung 256, auf der eine Führungseinrichtung 258 dergestalt angebracht ist, daß die Radialposition der Führungseinrichtung 258 inkremental in bezug auf die Achse 254 verstellt werden kann. Die Führungseinrichtung 258 steht mit der Meßgriffelspitze 56 der Sonde 10 in Kontakt. Eine Radialverstellung der Führungseinrichtung 258 bewirkt, daß die Meßgriffelspitze 56 radial in bezug auf die Drehachse 254 ausgelenkt wird. Wenn die Drehtischeinrichtung 250 gedreht wird, nimmt sie die Führungseinrichtung 258, und damit die Meßgriffelspitze 56, auf einem Kreisweg mit.
Um die Sonde 10 zu kalibrieren, wird die Drehtischeinrichtung 250 so gedreht, daß die Meßgriffelspitze 56 in diskreten Schritten entsprechend einer vorgegebenen Winkelbewegung θ des Drehtischs 250 entlang einem Kreisweg ausgelenkt wird. Die Meßvorrichtung sammelt die Sensorausgangssignale jedes Sensors 60 (Figur 1) für jede Reihe von Meßpositionen des Meßgriffels 50 als Sensordaten. Die Meßpositionen werden durch die diskreten Schritte der Drehtischeinrichtung 250 bestimmt.
Für jede der Meßpositionen wird auch ein Positionsdatenwert gesammelt, der die Meßposition des Meßgriffels 50 angibt. Dieser Positionsdatenwert wird unabhängig von den Sondenausgangssignalen erfaßt. Er kann durch den Drehradius R der Sondenmeßspitze 56 und die diskrete Winkelverstellung θ ausgedrückt werden, und er kann aus der Position des Drehtischs 250 (z. B. durch einen Winkelcodierer) und der Führungseinrichtung 258 bestimmt werden.
Wie vorstehend beschrieben, wurden die diskreten Meßpositionen, bei denen Sonden-(Sensor-)daten und Positionsdaten gesammelt wurden, durch diskrete Winkelbewegungen der Drehtischeinrichtung 250 bestimmt. Es ist zu beachten, daß die Winkelbewegung der Drehtischeinrichtung 250 kontinuierlich sein könnte (für einen vorgegebenen Kreisweg) und daß die Meßpositionen als diskrete Orte bestimmt sein könnten, an denen die Sensorsignale und die Winkelcodierersignale erfaßt werden.
Eine Datenverarbeitungseinrichtung 400 (siehe Figur 20) führt dann eine Korrelation zwischen den Sensordaten und den Positionsdaten aus, um Kalibrierparameter für die Korrektur der Meßsignale zu erhalten. Die Datenverarbeitungseinrichtung 400 speichert dann die Kalibrierparameter auf solche Weise ab, daß die Sensorausgangssignale während anschließender Meßvorgänge so verarbeitet werden, daß korrigierte Meß- Signale erzeugt werden.
In diesem Zusammenhang werden Positionsdaten dadurch hergeleitet, daß die Radialverstellung (R) der Führungseinrichtung 258 und die Winkelverstellung G der Drehtischeinrichtung 250 gemessen werden: die X,Y-Koordinaten der Meßposition sind durch die Gleichungen X = R sin θ und Y = R cos θ gegeben.
Um ausreichend viele Daten für die Kalibrierung zu erhalten, wird die Führungseinrichtung 258 durch den Drehtisch 250 so gedreht, daß sie in Folge durch eine erste Reihe von Meßpositionen (R, θ) läuft, die jeweils unter einem ersten radialen Abstand P entfernt von der Drehachse 254 liegen. Dann wird die Führungseinrichtung 258 radial verstellt und durch eine zweite Reihe von Meßpositionen gedreht, usw. für eine Reihe radialer Verstellungen.
Die Radialverstellung der Führungseinrichtung 258 wird innerhalb eines Bereichs radialer Positionen ausgeführt. Ein Ende desselben ist durch die radial innere Position der Führungseinrichtung 258 festgelegt, die ausreichend weit von der Drehachse 254 entfernt ist, daß die Führungseinrichtung 258 die Meßgriffelspitze 56 entlang eines Drehwegs auslenken kann, während konstanter Kontakt mit ihr aufrechterhalten wird. Wenn der Radius R zu klein ist, kann die Führungseinrichtung 258 an einigen Winkelpositionen den Kontakt mit der Meßgriffelspitze 56 verlieren. Die andere Grenze ist eine radial außen liegende Position, die sich nicht über einen vorgegebenen Meßbereich der Sonde 50 hinaus erstreckt; beispielsweise ist für die Sonde 10 der Bereich durch einen Drehradius von 2 mm bei einer Meßgriffellänge von 100 mm festgelegt. Die Winkelverstellungen sind durch Winkelverstellungen von jeweils 300 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel beginnen die Radialverstellungen der Führungseinrichtungen 258 am radial inneren Ende und schreiten aufeinanderfolgend in der Richtung zum radial äußeren Ende des Sondenmeßbereichs fort.
Eine Sonde kann einen vorgegebenen Meßbereich aufweisen, wie er durch einen Radius von X mm definiert ist. In diesem Zusammenhang kann die Führungseinrichtung durch aufeinanderfolgende Schritte von X/N mm, wobei N eine ganze Zahl größer als 2 ist, die kleiner als eine aus praxisbezogenen Gründen gewählte beliebige Zahl, z. B. 7, ist, aufeinanderfolgend radial nach außen verstellt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel war N zu 4 gewählt, d. h., daß aufeinanderfolgende Schritte um 0,5 mm voneinander getrennt waren.
Die Korrelation durch die Datenverarbeitungseinrichtung 400 kann für Sonden mit mehreren Sensoren ausgeführt werden. Wenn eine Sonde mehrere Sensoren mit Sensorausgangssignalen t&sub1;...tn aufweist, werden die Werte für die X,Y-Koordinaten für jede Meßposition aus Positionsdaten hergeleitet und dazu verwendet, Kalibrierparameter für Ausdrücke X = f&sub1; (t&sub1;...tn) und Y = f&sub2; (t&sub1;...tn) herzuleiten, wobei die Funktionen f&sub1;, f&sub2; die Kalibrierparameter enthalten.
Die Sonde 10 verfügt über Sensoren 60, die in einer Richtung beabstandet sind, mit Sensorausgangssignalen X&sub1;, X&sub2;, und über Sensoren, die in einer Querrichtung beabstandet sind, mit Sensorausgangssignalen Y&sub1;, Y&sub2;. Die Werte für die X,Y- Koordinaten für jede Meßposition werden aus den Positionsdaten hergeleitet und beim Korrelationsschritt dazu verwendet, Kalibrierparameter für die Ausdrücke x = f&sub1; (X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2;) und Y = f&sub2; (Y&sub1;, Y&sub2;, X&sub1;, X&sub2;) herzuleiten, die die Kalibrierparameter enthalten.
Für die X,Y-Koordinaten werden die Ausdrücke f&sub1;, f&sub2; jeweils als Produkt aus einem ersten Meßausdruck und einem zweiten Kompensationsausdruck, hergeleitet aus den Ausgangssignalen der Sensoren, berechnet, wobei der erste Meßausdruck auf die Meßachse bezogen ist und der zweite Kompensationsausdruck auf eine Achse rechtwinklig zur Meßachse bezogen ist, um Schwankungen der Sensordaten zu kompensieren.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Meßausdruck für die Messung der X-Koordinate durch (A&sub1; X&sub1;,+A&sub2; X&sub2;+B&sub1; X&sub1;²+B&sub2; X&sub2;²+ C&sub1;) definiert, wobei A&sub1;, A&sub2;, B&sub1;, B&sub2; und C&sub1; Kalibrierparameter sind, und es erfolgt Multiplikation mit dem Kompensationsausdruck, der als (D&sub1; Y&sub1;+D&sub2; Y&sub2;+E&sub1; Y&sub1;²+E&sub2; Y&sub2;²+G1) ausgedrückt ist, wobei D&sub2;, D&sub2;, E&sub1;, E&sub2; und G&sub2; Kalibrierparameter sind. Auf ähnlich Weise ist der Meßausdruck für die Messung der Y-Koordinate durch (A&sub3; Y&sub1;+A&sub4; Y&sub2;+B&sub3; Y²+B&sub4; Y&sub2;²+C2) definiert, wobei A&sub2;, A&sub4;, B&sub3;, B&sub4; und C&sub2; Kalibrierparameter sind, und es erfolgt Multiplikation mit einem Kompensationsausdruck, der als (D&sub3; X&sub1;+D&sub4; X&sub2;+E&sub3; X&sub1;²+E&sub4; E+G&sub2;) ausgedrückt ist, wobei D&sub3;, D&sub4;, E&sub3;, E&sub4; und G&sub2; Kalibrierparameter sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kompensiert die Korrelation die Positionsdaten auch hinsichtlich Einstellfehler betreffend die Position der Sonde 50 bezogen auf die Drehachse 254. Wie vorstehend genannt, werden diese Fehler durch die Kalibrierparameter C&sub1; und C&sub2; für die Exzentrizität und dR&sub1;, dR&sub2; hinsichtlich des radialen Abstands sowie dθ&sub1;, dθ&sub2; hinsichtlich der Winkelverstellung θ ausgedrückt. Durch Bestimmen der Werte von dR&sub1;, dR&sub2; und dθ&sub1;, dθ&sub2; in den Ausdrücken X = (R + dR&sub1;) sin(θ + dθ&sub1;) und Y = (R + dR&sub1;) cos(θ + dθ&sub2;) werden auch Einstellfehler kompensiert.
Eine Erläuterung für diese Versatzparameter ist die folgende. Erstens ist die Meßgriffelspitze in der Praxis dann, wenn die Sondenruheposition mit der Drehachse 154 der Drehtischeinrichtung 250 ausgerichtet ist, exzentrisch in bezug auf die Drehachse angeordnet: die Kalibrierparameter C&sub1;, C&sub2; kompensieren dies innerhalb der Funktionen f&sub1; und f&sub2;. Genauer gesagt, wird die Exzentrizität durch die Produkte C&sub1; G&sub1; und C&sub2; G&sub2; berücksichtigt, da der Meßausdruck mit dem Kompensationsausdruck multipliziert wird. Jedoch haben G&sub1; und G&sub2; Werte nahe Eins, da sie andernfalls die Verstärkung- des Meßausdrucks ändern würden, weswegen es die Werte von C&sub1; und C&sub2; sind, die für die tatsächliche Exzentrizitätskompensation sorgen.
Zweitens ist es (wegen dieser Exzentrizität) erforderlich, einen kleinen radialen Versatz in bezug auf die Nennruheposition einzuführen, um die Führungseinrichtung verdrehen zu können, während konstanter Kontakt zur Meßgriffelspitze aufrechterhalten wird. Dieser Versatz führt zu einem Drehradius dR der Meßgriffelspitze bei der Anfangsbewegung des Drehtischs. Da kein Bezugspunkt existiert, von dem ausgehend gearbeitet werden kann (d. h. keine absolute Ruheposition), werden Messungen ausgehend von diesem anfänglichen radialen Versatz ausgeführt, d. h., daß ein Wert R mit diesem radialen Versatz als Null genommen wird. Zu Korrelationszwecken ist es erforderlich, alle Daten zu analysieren, um dR zu bestimmen. Dies ermöglicht es, der Kalibrierung die Positionsdaten auf wahre Polarkoordinaten einzustellen, die sich auf die Ruheposition des Meßgriffels beziehen. In der Praxis ist es zweckdienlich, da zwei getrennte Korrelationen ausgeführt werden, eine für jede Achse, zwei Parameter für dR, zu verwenden, nämlich dR&sub1; und dR&sub2;&sub1; die unabhängig voneinander bestimmt werden. Durch Vergleichen der Werte von dR&sub1; und dR&sub2; ergibt sich ein Hinweis auf die Gültigkeit oder Qualität der speziellen Kalibrierung, da tatsächlich nur eine Abweichung, dR, unabhängig von der Achse vorliegt. Bei einer Kalibrierung guter Qualität für diese Sonde unterscheiden sich die hergeleiteten Werte von dR&sub1; und dR&sub2; typischerweise um nicht mehr als 0,5 Mikrometer (um).
Drittens existiert der Winkelversatz dθ. Dieser rührt davon her, daß die Orte der Sondensensoren dergestalt sein können, daß diese nicht mit den X,Y-Koordinatenachsen ausgerichtet sind, die der Drehtischeinrichtung zugeordnet sind (wie z. B. durch einen Codierer definiert, der θ mißt). Demgemäß kann ein Winkelversatz zwischen den Richtungen existieren, in denen die Sondensensoren X&sub1; und X&sub2; sowie Y&sub1; und Y&sub2; voneinander beabstandet sind, und den fiktiven X- und Y-Achsen des Drehtischs/Codierers (und damit den Positionsdaten) bestehen. Außerdem können die Richtung, in der die Sondensensoren X&sub1; und X&sub2; voneinander beabstandet sind, und die Richtung, in der die Sondensensoren Y&sub1; und Y&sub2; voneinander beabstandet sind, nicht genau 90º voneinander weg liegen. Durch Bestimmen der Versatzparameter dθ&sub1;, dθ&sub2; für die X- bzw. Y- Achse vermeidet die Korrelation Fehler dieser Art. Die Differenz zwischen den Versatzparametern dθ&sub1;, dθ&sub2; bezieht sich auf die Positionen der Wandler bezogen auf eine Beabstandung von 90º.
Die Parameter dR&sub1;, dR&sub2;, dθ&sub1;, dθ&sub2; für den radialen und winkelmäßigen Versatz erscheinen nicht in den Ausdrücken für X und Y. Diese Parameter werden vom Kalibriervorgang verwendet, jedoch werden ihre Werte nicht mehr benötigt, wenn die Parameter A&sub1; bis G&sub2; einmal hergeleitet und abgespeichert sind.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Kalibrierparameter für X in einer Reihe von Schritten hergeleitet, und dann werden die Kalibrierparameter für Y in einer getrennten Reihe von Schritten hergeleitet.
Es hat sich als nützlich erwiesen, Berechnungen für einige Kalibrierparameter im Korrelationsschritt (oder den Korrelationsschritten) für X (oder für Y) dadurch auszuführen, daß tatsächliche Positionsdaten und Wandlerdaten manipuliert werden, während andere der Kalibrierparameter konstant gehalten werden. Dann erfolgen anschließende Berechnungen, bei denen die konstant gehaltenen Kalibrierparameter verändert werden, bis alle Kalibrierparameter aus Positions- und Wandlerdaten bestimmt wurden.
Genauer gesagt, ist der Kalibrierablauf der folgende.
Bei jeder Meßpositoin der Sonde werden für die Sensorausgangssignale X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1; und Y&sub2; sowie für die Positionsdaten R und θ Werte erhalten. Demgemäß werden für die i-te Meßposition die Werte X&sub1;(i), X&sub2;(i), Y&sub1;(i), Y&sub2;(i), R(i) und θ(i) erhalten und abgespeichert. Für diese Meßposition sind die wahren Werte von X und Y, die die tatsächliche Position der Sonde festlegen, wie folgt gegeben:
X(i) = [R(i) + dR&sub1;] sin[θ(i) + dθ&sub1;] und
Y(i) = [R(i) + dR&sub2;] cos[θ(i) + dθ&sub2;].
Sowohl der Meßausdruck als auch der Kompensationsausdruck für X und Y ist ein Polynom, dessen Koeffizienten Kalibrierparameter sind. Es sind verschiedene Techniken zum Bestimmen der Werte von Koeffizienten von Polynomen bekannt, um das Polynom an Versuchsdaten anzupassen, und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gauss-Newton-Verfahren bevorzugt. Für weitere Information wird auf Gill P. E., Murray W. und Wrlght M. H. "Practical Optimisation", Academic Press, London, 1981 verwiesen.
Die Anpassungen für die X- und die Y-Achse erfolgen unabhängig voneinander und mit Identischen Verfahren. Daher wird nur das Verfahren für die X-Achse beschrieben. Unter Verwendung der in den Meßpositionen erhaltenen Daten kann der folgende Ausdruck für jeden i-ten Meßpunkt erhalten werden:
Fehler (i) = [R(i) + dR&sub1;] sin[θ(i) + dθ&sub1;] - f&sub1;[X&sub1;(i), X&sub2;(i), Y&sub1;(i), Y&sub2;(i)],
mit f&sub1; (Meßausdruck für X) (Kompensationsausdruck für X.
Dies kann wie folgt umgeschrieben werden:
Fehler (i) = tatsächliche Position (i) - gemessene Position (i).
Bevor die Kalibrierrechnungen beginnen, werden die Kalibrierparameter dR&sub1;, dθ&sub1; sowie A&sub1; bis G&sub1; in der Funktion f&sub1; auf Anfangswerte gesetzt. Wenn eine Sonde, die bereits kalibriert wurde, neu kalibriert wird, kann es hilfreich sein, die Anfangswerte auf die zuvor für die Kalibrierparameter erhaltenen Werte zu setzen. Andernfalls werden Vorgabewerte verwendet. Die Vorgabewerte sind "1" für A&sub1;, A&sub2; sowie G&sub1;, und sie sind Null für alle anderen Parameter.
Selbstverständlich sind die Werte von "Fehler" für die Datenpunkte (i) in diesem Stadium groß, und sie spiegeln unerwünschte Eigenschaften der Sonde wider, die der Kalibriervorgang beseitigen soll. Wenn alle Datenpunkte berücksichtigt werden, kann das "Gauss-Newton"-Verfahren nun ausgeführt werden, um zu versuchen, die Werte für die Kalibrierparameter so zu bestimmen, daß alle Werte von "Fehler" minimiert sind. Jedoch ergeben sich, wenn so vorgegangen wird, im allgemeinen wegen der großen Anzahl zu bestimmender Kalibrierparameter, instabile Ergebnisse. Daher werden die Parameter in den folgenden Stufen bestimmt.

Stufe 1

Halten der Parameter im Kompensationsausdruck auf konstantem Wert und Ausführen einer Anpassung unter Verwendung des "Gauss-Newton"-Verfahrens zum Einstellen von dR&sub1;, dθ&sub1; sowie der Parameter im Meßausdruck, um die Werte von "Fehler" zu minimieren.

Stufe 2

Halten von dR&sub1;, dθ&sub1; sowie der Parameter im Meßausdruck auf konstanten Werten und Verwenden des "Gauss-Newton"-Verfahrens zum Einstellen der Parameter im Kompensationsausdruck, um die Werte von "Fehler" zu minimieren.

Stufe 3

Wiederholen der Stufen 1 und 2, bis die Werte von "Fehler" nicht mehr abnehmen; dann ist die Anpassung vollständig.
Wenn der Prozeß einmal vollständig ist, sind die verbleibenden Werte von "Fehler" die Restabweichungen.
Der Bereich der Restabweichungen kennzeichnet die Qualität (oder Linearität) der fraglichen Achse über den gesamten Bereich einer zweidimensionalen Meßgriffelbewegung. Es ist zu beachten, daß verschiedene graphische Wiedergaben bestehen, die dazu verwendet werden können, die Art der Restabweichungen über den Bereich der Kalibrierdaten zu veranschaulichen.
Restabweichungen spiegeln Eigenschaftender Kalibrierdaten wider, die nicht mathematisch angepaßtwerden können. Die Restabweichungen können durch verschiedene Ursachen bedingt sein wie:
i) Zufällige Umgebungseffekte wie mechanische Schwingungen, elektrische Störsignale, Fremdteilchen an der Meßgriffelspitze oder sich ändernde Temperaturen.
ii) Schwankungen, die von Herstellunterschieden und Unvollkommenheiten der Sonde und/oder der Kalibriereinrichtung herrühren.
iii) Eigenschaften der Konstruktion der Sonde, die durch die Kalibrierfunktionen nicht mathematisch beschrieben werden können.
Restabweichungen aufgrund der Ursache (iii) können dadurch verringert werden, daß die Kalibrierfunktionen verändert werden, z. B. so, daß sie die dritte Ordnung oder höhere Ordnungen von X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2; beinhalten, zu Lasten deutlich erhöhter Rechenarbeit sowohl während der Kalibrierung als auch während des anschließenden Gebrauchs der Sonde.
Es wird erneut auf Figur 19 Bezug genommen, gemäß der die Vorrichtung selbst eine Formmeßvorrichtung (wie die vorstehend genannte Vorrichtung TALYROND 300) sein kann, die ferner die Führungseinrichtung 258 und die Datenverarbeitungseinrichtung 400 (Figur 20) beinhaltet.
Der Gleitblock 256 verfügt über einen Schlitten 260, der über einen von Hand einstellbaren Antrieb mit einer Mikrometereinstelleinrichtung 264, die relativ zu einem Halter 266 verdrehbar ist, um eine Welle 268 in eine Anfangsposition zu verstellen (das vorstehend genannte innere Ende), auf einer Schiene 262 verschiebbar ist. Folgende Positionen auf dem Gleitblock 256 können durch das Einfügen von Blockstreifen 270 (einer ist dargestellt) bestimmt werden, um dadurch den Drehradius der Führungseinrichtung 258 (und damit der Meßgriffelspitze 56) relativ zur Drehachse 254 des Drehtischs 250 zu erhöhen. Die Blockstreifen 270 (die für sich bekannt sind) sind Präzisionsblöcke, wie sie aufeinanderfolgend zum Erhöhen des Radius R z. B. mit Schritten von 500 Mikrometer (wie bereits angegeben) verwendet werden.
Die Meßvorrichtung ist nicht vollständig veranschaulicht: der Sondentragarm 252 ist schematisch zusammen mit dem Drehtisch 250 und einem Winkelcodierer 272 mit zugeordnetem Sensor 274 dargestellt, der es ermöglicht, daß ein Signal in die Datenverarbeitungseinrichtung 400 eingegeben werden kann, das die Winkelinkremente anzeigt, wie sie der Meßtisch 250 zwischen Meßpositionen ausführt.
Die Führungseinrichtung 258, die weiter in der eingesetzten Draufsicht in Figur 19 veranschaulicht ist, weist einen Hauptkörper 276, der so ausgebildet ist, daß er auf dem Drehtisch 250 gehalten wird (z. B. durch den Gleitblock 256), und ein Paar Anschläge 278 auf, die daran durch eine Befestigungseinrichtung 280 angebracht sind. Die Befestigungseinrichtung 280 kann aus einem aushärtenden Kleber bestehen. Die Anschläge 278 können ein Paar Präzisionsnadellager sein. Sie sind so angeordnet und beabstandet, daß sie zwischen sich die Meßgriffelspitze 56 der Sonde 10 aufnehmen, wobei sie mit dieser in kinematischem Kontakt stehen.
Ein Verdrehen des Drehtischs 250 bewegt die Führungseinrichtung 258 auf einer Kreisbahn und verdreht gleichzeitig die Richtung, in der sie zeigt. So hält die Führungseinrichtung 258 die Meßgriffelspitze 56 für alle Werte von G sicher von ihrer Ruheposition weg. Auf diese Weise kann der Meßgriffel 50 während der Kalibrierung über mindestens 180º (und in der Praxis über 360º) um seine Ruheposition bewegt werden, ohne daß er den Kontakt mit der Führungseinrichtung verliert. Dies ist bei manchen bekannten Kalibriersystemen schwierig zu bewerkstelligen, bei denen die Führungseinrichtung die Meßgriffelspitze nicht für alle Winkel sicher hält. Die Bewegung der Führungseinrichtung 258 bewirkt, daß der Meßgriffel 50 während der Kalibrierung Auslenkungen in der X-YEbene erfährt, auf dieselbe Weise, wie er während Meßvorgängen Auslenkungen erfährt (obwohl die Bewegungsmuster verschieden sein können, da die Meßgriffelspitze 56 typischerweise in Gleitkontakt über ein Werkstück läuft, während sie nicht über die Führungseinrichtung 258 läuft)
Es wird nun auf Figur 20 Bezug genommen, in der in einem Blockdiagramm eine Datenverarbeitungseinrichtung 400 veranschaulicht ist, wie sie der Formmeßvorrichtung zugeordnet st. Während der Kalibrierung werden Positionsdaten (R, θ) für jede Meßposition eingegeben. Der Drehwinkel θ wird aus dem Winkelcodierer 401 eingegeben. Der gemessene Drehradius R kann über eine Tastatur 402 eingegeben werden: die anfängliche Eingabe wird mit Null angenommen (wofür eine Kompensation bei der Kalibrierung erfolgt), und anschließende Eingaben sind inkrementale Zuwächse des Radius, wie durch einen Blockstreifen 270 festgelegt. Alternativ können dann, wenn der Drehtisch über einen eigenen Zentriermechanismus für inkrementmäßige X,Y-Positionsänderungen desselben verfügt, inkrementale Änderungen (z. B. 0,5 mm) für den Radius R direkt vom Zentriermechanismus 402' eingegeben werden. Die Sensorsignale X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2; (oder t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, ...) werden für jede Meßposition gelesen, um die Sensordaten 403 herzuleiten. Wie vorstehend genannt, erzeugen die Sensoren 60 analoge Sensorsignale, die zur Verwendung als Eingangssignale 403 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 400 digitalisiert und skaliert werden.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 400 verfügt über einen Eingang von einem Speicher 405 her, der die Sondendaten-Umsetzfunktionen f&sub1; und f&sub2; (in "Ur"-Form ohne Werte für die Kalibrierparameter) für spezielle Sondenkonstruktionen speichert. Die Sondencharakteristik wird über die Tastatur 404 eingegeben. Eine Speichereinrichtung 406 enthält ein Kalibrierprogramm, das die Korrelation zwischen den Positionsdaten und den Sondendaten ausführt, um die Werte der Kalibrierparameter zu berechnen. Die Datenverarbeitungseinrichtung 400 gibt die Kalibrierparameter an einen Speicher 407 aus, der die Kalibrierausdrücke einschließlich ihrer Werte für die Kalibrierparameter zur Verwendung bei Meßvorgängen der Sonde abspeichert. Das Meßprogramm ist in einem Speicher 408 abgespeichert. Wenn die Sonde einmal kalibriert ist, können Meßvorgänge beginnen, und die Datenverarbeitungseinrichtung 400 arbeitet gesteuert durch das im Speicher 408 abgespeicherte Meßprogramm, um korrigierte Meßsignale 409 auszugeben. Diese Signale 409 werden durch das Berechnen der X,Y-Koordinaten aus den Funktionen, Ausdrücken und parameterwerten erhalten, wie sie im Speicher 407 abgespeichert sind, und zwar auf Grundlage von Messungen, wie sie als Sondendaten bei 403 eingegeben werden. Die Speicher 405, 406 und die Speicher 407, 408 sind als übergestrichelte Linien miteinander verbunden dargestellt: dies soll symbolisch darauf hinweisen, daß die Funktionen, Ausdrücke und Parameterwerte, wie sie In 405, 407 abgespeichert sind, in den jeweiligen Programmen in den Speichern 406, 408 abgespeichert sein können. Es ist zu beachten, daß die Datenverarbeitungseinrichtung 400 eine Moduleinheit beinhalten kann, wodurch die Speicher 404 bis 408 austauschbar sind, wenn verschiedene Sonden 50 verwendet werden.
Auf ähnliche Weise ist zu beachten, daß die Kallbrierparameter, möglicherweise zusammen mit dem Meßprogramm, in einem transportierbaren Medium zum Transportieren einer von einem Benutzer verwendeten Meßvorrichtung abgespeichert sein können. Alternativ kann dies dadurch bewerkstelligt werden, daß die Daten von einer zur Kalibrierung verwendeten Meßvorrichtung an eine Meßvorrichtung übertragen werden, die diese Sonde zu Messungen verwendet.

Claims

1. Sonde zum Messen von Werkstücken, die eine Z-Achse in Längsrichtung hat und einen Körper (20; 120; 202) und einen Meßgriffel (50; 150) oder eine Meßgriffelhalterung (30; 130; 206; 208) mit einer Ruheposition bezogen auf den Körper aufweist, wie sie durch das Gleichgewicht zwischen mehreren Rückstellkräften festgelegt wird, wobei sich die Größemindestens einer derselben abhängig von der Auslenkung desmeßgriffels oder der Meßgriffelhalterung ändert;

dadurch gekennzeichnet, daß diese erste Rückstellkraftentweder durch (i) eine Membranfeder (40; 140; 210) oder (ii) durch ein Teil (236) aufgebracht wird, das in einem Teilbereich eine Membranfeder bildet, so daß eine Bewegung des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung in Richtung der Z- Achse das Ausmaß verändert, in dem die Membranfeder konische Form aufweist.

2. Sonde nach Anspruch 1, bei der sich die Größe der mehreren Rückstellkräfte abhängig von einer Auslenkung des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung ändert.

3. Sonde nach Anspruch 2, bei der die Membranfeder mit einem ersten elastischen Teil (40; 140; 210), das in einer ersten Richtung auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt, und einem zweiten elastischen Teil (80A, 80B; 180; 214) versehen ist, das in einer zweiten Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist, auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt.

4. Sonde nach Anspruch 2, bei der die Membranfeder durch einen ersten Teil eines elastischen Teils (236), der in einer ersten Richtung auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt, und einen zweiten Teil (238) des elastischen Teils (236) gebildet wird, der in einer zweiten Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist, auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt.

5. Sonde nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der die erste oder die zweite Richtung im wesentlichen antiparallel sind.

6. Sonde nach Anspruch 3, bei der das zweite elastische Teil (80A; 80B; 214) ein im wesentlichen blattförmiges Teil aufweist.

7. Sonde nach Anspruch 6, bei der das zweite elastische Teil einen Blattfederbereich (80D) oder mehrere aufweist.

8. Sonde nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der das zweite elastische Teil über ein Zugausübungsteil (22; 216) oder mehrere auf den Körper oder den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt.

9. Sonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Membranfeder (40; 140; 210) in einer Ebene im wesentlichen quer zur Z-Achse ausgerichtet ist.

10. Sonde nach Anspruch 9, bei der die Membranfeder (40; 140; 210) in im wesentlichen konische Form gespannt ist, wenn sich der Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung in seiner bzw. ihrer Ruheposition befindet.

11. Sonde nach Anspruch 3, bei der das zweite elastische Teil eine Druckfeder (180) ist.

12. Sonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Meßkraft in Richtung der Z-Achse mindestens eine Größenordnung größer als die Meßkraft in der Ebene quer zur Richtung der Z-Achse ist.

13. Sonde nach Anspruch 3, die ferner ein weiteres elastisches Teil oder mehrere aufweist, von denen jedes in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung auf den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt.

14. Meßsonde mit einer Z-Achse in Längsrichtung und mit:

- einem Körper (20; 120; 202);

- einem Meßgriffel (50; 150) oder eine Meßgriffelhalterung (30; 130; 206, 208);

- einer ersten Rückstelleinrichtung, die den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung in bezug auf den Körper für eine Bewegung durch einen Meßbereich hält und die eine erste Rückstellkraft zwischen dem Körper und dem Meßgriffel oder der Meßgriffelhalterung ausübt;

- einer zweiten Rückstelleinrichtung (80A, 80B; 180; 214; 238), die auf den Körper und den Meßgriffel oder die Meßgriffelhalterung einwirkt und eine zweite rückstellkraft zwischen diesen ausübt, die der ersten Rückstellkraft entgegengesetzt ist; und

- mindestens einem Wandler (60; 160; 200), der ein Ausgangssignal abhängig von der Position oder der Bewegung des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung liefert;

- wobei die erste und die zweite Rückstelleinrichtung die erste und die zweite Rückstellkraft einander entgegenwirkend über den gesamten Meßbereich liefern;

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rückstelleinrichtung eine Membranfeder (40; 140; 210) oder ein Teil (236) enthält, das teilweise eine Membranfeder bildet, so daß die Bewegung des Meßgriffels oder der Meßgriffelhalterung in Richtung der Z-Achse das Ausmaß ändert, im dem die Membranfeder konische Form aufweist.

15. Sonde nach Anspruch 14, bei der alle Verbindungen Zwischen dem Körper und dem Meßgriffel oder der Meßgriffelhalterung flexibel sind.

16. Sonde nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei der die erste und die zweite Rückstelleinrichtung Teile eines gemeinsamen Teils (236) enthalten.