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Elektrischer Taster und Verfahren zu seiner Herstellung
An elektrische
Taster zur Messung und Aufzeichnung des Oberflächenprofils und von kleinen Längenunterschieden
werden mechanische und elektrische Anforderungen gestellt, die sich nur schwer miteinander
vereinigen lassen. Verstellungen von 1/toooo mm sollen bereits eine große elektrische
Zustandsänderung hervorrufen. Dabei soll der Taster möglichst klein sein, eine geringe
Masse besitzen und ein Abtasten mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Die Kraft,
mit der die Tastspitze die Oberfläche berührt, darf bei Oberflächenmessungen nur
etwa O,I g betragen. Schließlich ist erwünscht, daß der Taster sich einfach und
billig herstellen läßt und keiner schwierigen Einstellung bedarf.
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Ein solcher Taster besteht aus einer Tastspitze, die relativ zur
Oberfläche bewegt wird. Die Tastspitze ist an einem Halter befestigt, der spiel-
und reibungsfrei mit Hilfe von Federlagern an einem Meßgestell angelenkt ist. Dieser
Halter betätigt nun den beweglichen Teil eines elektromechanischen Wandlers, beispielsweilse
eines Ankers zwischen zwei Spulen oder eines Kondensatorbeleges zwischen zwei Kondensatorplatten.
Diese Spulen oder Kondensatorplatten sind am MeßgesteLI angebracht und müssen durch
eine Justiervorrichtung zu dem beweglichen Teil eingestellt werden. Zur Erzielung
einer hohen elektrischen Empfindlichkeit darf der Spalt, in dem sich der bewegliche
Teil des elektromechanischen Wandlers befindet, nur gering sein, wodurch aber andererseits
die Einstellung und Handhabung bei der Messung Isehr erschwert wird. Das ganze System
besitzt auch eine große Masse, so daß nur mit sehr geringer Tastgeschwindigkeit
gemessen werden kann.
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Eine Verringerung der Masse des beweglichen Teiles würde dadurch
erreicht werden können, daß
der Halter, an dem die Tastspitze befestigt
ist, mi mittelbar als elektromechanischer Wandler ausgebildet wird. So kann man
heispielssveise die Tastspitze unmittelbar an der beweglichen Platte des Kondensators
anbringen. Ein solcher Taster hat aber immer noch ziemlich große Abmessungen.
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Sein weiterer Nachteil ist, daß der Plattenabstand, die elektrische
Empfindlichkeit und die Sicherheit gegen Berührung der Kondensatorbelege nicht miteinander
vereinbart werden können. Ein piezoelektrischer Kristall besitzt zwar diese Schwierigkeiten
nicht, dafür kann mit ihm auf Grund seines elektrischen Verhaltens keine einwandfreie
Nullinienaufzeichnung, keine Ermittlung langer Welligkeiten und keine statische
Eichung vorgenommen werden. Piezoelektrische Taster sind sehr empfindlich gegen
äußere Störungen elektrischer Art. Sie sind teilweise sehr inkonstant und bedürfen
wiederholter Nacheichung. Durch die Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden.
Nach der Erfindung sind in die äußersten Zug- bzw. Druckzonen eines die Tastspitze
eines elektrischen Tasters tragenden elastischen Halters dünne Widerstandsdrähte
zugleich als Bewehrung eingebettet, -die bis in den Einspannfestpunkt reichen.
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In den Abb. I bis 3 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt. In Abb. I ist die Tastspitze 2, die über die Oberflächei
gleitet, am vorderen Ende eines einseitig eingespannten elastischen Halters 3 befestigt,
der an dem Meßgestell 5 befestigt ist. Dieses stützt sich mit dem Gleitschuh 4 auf
die Oberfläche I ab. Auf beiden Seiten des Halters 3 sind nun an sich bekannte Dehnungs
meßstreifen aufgeklebt (6 und 7). Diese bestehen aus dünnem Wi derstandsdraht, der
mäanderförmig zwischen zwei Papierstreifen festgeklebt ist und unter dem Einfluß
von Dehnungen seinen elekrischen Widerstand ändert. Die beiden Dehnungsmeßstreifen
6 und 7 liegen zusammen in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, so daß kleineWiderstandsänderungen
sehr genau gemessen werden können. DieVerwendung derartiger Widerstandsstreifen
zu Dehnungsmessungen ist bekannt, wenn sie auch bisher noch nicht als elektromecha
nische Wandler in Oberflächeutastern benutzt worden sind. tTm sie für diese Zwecke
besonders geeignet zu machen, müssen nun über den bekannten Stand der Dehnungsstreifen
meßtechnik hinaus verschiedene Verbesserungen vorgenommen werden. Die erste, wesentliche
Verbesserung besteht darin, daß in Abb. I das WIeßgestell 5 so weit vorgezogen wird,
daß es noch das eine Ende der beiden Meßstreifen 6 und 7 einspannt, und zwar an
den Stellen 8 und 9.
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Es wird also, mit anderen Worten, der elastische Halter 3 an seinem
Festpunkt zusammen mit den Enden der beiden Dehnungsmeßstreifen festgehalten. Hierdurch
ergeben sich zwei Vorteile.
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Der eine ist, daß die gesamte Auslenkung des Halters 3, die in der
Nähe des Einspannpunktes zu den größten Dehnungen führt, auf die Mefistreifen übertragen
wird. Der zweite, nicht minder wichtige Vorteil ist, daß an der am stärksten beanspruchten
Stelle des Meßstreifens das zunächst liegende Ende festgehalten ist und nicht nachgeben
kann, wie dies bei Dehnungsmeßstreifen häufig der Fall ist. Es kann durch diese
Einspannung keine Veränderung der Lage des Meßstreifens erfolgen, durch die die
vorgenommene Eichung und die Lage des Nullpunktes hinfällig würden. Da bei Oberflächentastern
nur sehr geringe Auslenkungen und daher Dehnungen auftreten, muß eine hohe Empfindlichkeit
angestrebt werden. Beim Einsetzen einer neuen Tastspitze 2 und bei sonstiger Handhabung
kann der Halter 3 oft sehr weit ausgelenkt werden.
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Hierdurch darf aber keine Verschiebung des Nullpunktes auftreten.
Dies kann mit Sicherhleit aber nur dadurch vermieden werden, daß die Meßstreifen
mit eingeklemmt werden.
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Das Aufkleben der Dehnungsmelßstreifen auf den Halter 3 stellt nun
keine befriedigende Lösung dar, weil durch mangelnde Haftung zwischen beiden sowie
durch Feuchtigkeit und andere Einflüsse die Konstanz des elektrischen Tasters leidet.
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Abb. 2 zeigt daher eine Verbesserung dadurch, daß die dünnen Widerstandsdrähte
1 1 und 12 sich unmittelbar in den äußersten Zonen des elastischen Halters 10 befinden.
Dieser Halter 10 hat ein verstärktes Einspannende I3, in das die Widerstandsdrähte
I I und 12 hineinragen. Der Vorteil dieser Anordnung ist die innige Verbindung zwischen
den Drähten In und I2 mit dem Halter 10, wodurch keinerlei gegenseitige Verlagerung
und Inkonstanz auftreten kann. Der Feuchtigkeitseinfiuß ist ebenfalls ausgeschaltet.
Der Halter 10 kann dabei aus Isolierstoff bestehen, und die Drähte II und I2, die
in den äußersten Zug- bzw. Druckzonen liegen übernehmen gleichzeitig die Aufgabe
einer Bewehrung. D!ieser Aufgabe können sie noch mehr dadurch gerecht werden, daß
diese Drähte mit Vorspannung eingebaut werden, wobei die Drähte während des Einbaues
entweder mechanisch vorgespannt werden können oder thermisch, indem sie von einem
Strom durchflossen werden, der sie erwärmt und sich ausdehnen läßt.
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Die Fertigung des Halters 10-13 kann in verschiedener Art und Weise
erfolgen. Das Material, aus dem er besteht, kann beispielsweise um die Drähte II
und 12 herumgezogen werden und entweder erstarren oder durch Verdampfen eines Lösungsmittels
fest werden. Es können aber auch auf einen mittleren Teil des Halters 10 zunächst
die beiden Drahtlagen II und 12 aufgelegt und sodann mit zwei dünnen Folien bedeckt
werden. Das Ganze wird zusammengepreßt und dabei erhitzt, beispielsweise dielektrisch
in einem Hochfrequenzfeld. llierdurch verschweißen die Deckfolien mit der Mittelplatte,
und die Drahtlage ist lage- und feuchtigkeitssicher angebracht. Es kann aber auch
der Mittelteil des Halters 10 metallischer Natur sein, auf dem die beiden Drahtwindungen
1 1 und 12 festhaftend, aber isoliert, beispielsweise durch Einbetten in einen emailartigen
aulgebrannten, aufgeschmolzenen oder aufgesinterten Überzug angebracht werden. Weiterhin
können statt der Drahtlagen II und 12 auf dem Halter 10 dünnste
Belege
aus Widerstandsmaterial aufplattiert oder aufgedampft werden. Diese dünnen Schichten
können dann noch zusätzlich durch Einritzen oder Einschleifen von Rillen in eine
schleifenartig nebeneinanderliegende Windungsanordnung unterteilt werden, so daß
sie einen hohen Widerstand erhalten. Hierbei kann der Träger 10 sowohl aus lsolierstoff
wie auch aus Metall mit isolierenden Überzügen sein.
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Eine weitere wesentliche Verbesserung zeigt die Abb. 3. Die über
die Oberfläche I gleitende Tastspitze 2 ist hier an einem senkrechten Halter 20
hefestigt, der durch zwei horizontale elastische Glieder 14 und I5 mit dem Meßgestell
I9 verbunden ist.
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Die horizontalen Glieder 14 und 15 sind in ihrem Mittelteil durch
die Versteifungen 16 gegen Verformungen dieses mittleren Teiles geschützt. Es bleiben
zwei vordere Federlager I8 und zwei rückwärtige Federlager I7, die in ihren äußeren
Zonen Widerstandsdrahtlagen 2I bis 28 aufweisen. Diese Draht lagen ragen sowohl
in den beweglichen Halter 20 wie auch in das Meßgestell 19 hinein. Die Drahtlagen
müssen so zusammengeschaltet werden, daß alle Dehnungszonen und alle Stauchungszonen
zusammenarlwiten. Es gehören also 2I, 24, 25 und 28 so zusammen wie 22, 23, 26 und
27. Diese können sowohl in zwei als auch in vier Brückenkreise geschaltet werden.
Es können aber auch statt acht Widerstandslagen nur vier eingebaut werden, wenn
sich diese überkreuzen. Dieses ist in Abb. 3 durch die gestrichelten Linien 29 dargestellt.
Eine derartige Anordnung ist äußerst empfindlich.
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Der Vorteil eines Oberflächentasters dieser vorheschriebenen Art
ist darin zu suchen, daß die Tastnadel ziemlich große Wege in senkrechter Richtung
zurücklegeii kann, ohne daß sie irgendwo, z. B. an Spulen, Kondensatorplatten usw.,
anstößt. Dabei bleibt aber ihre Lage zu der Oberfläche I eindeutig festgelegt, d.
h. die Nullage ist immer wieder reproduzierbar, und der Taster kann statisch geeicht
werden. Der elektrische Widerstand des Tasters ist so niedrig, daß in dem Eingangskreis
des Verstarkes keine wesentlichen elektrischen Störspannungen entstehen können.
Der Träger 10 in Abb. 2 kann z. B. so schmal ausgeführt werden, daß man mit dem
elektrischen System und der Tastspitze in kleinste Bohrungen hineintasten kann.
Infolge der geringen Masse und des großen Abstandes der Tastspitze 2 von dem Festpunkt
I3 ist die Vibrationsneigung des Tasters sehr gering, so daß mit einer wesentlich
höheren Tastgeschwindigkeit die Oberfläche abgetastet werden kann, als dies die
bisherigen elektrischen Taster zuließen. Schließlich kann der Taster billig hergestellt
werden und bedarf keiner zeitraubenden Justierung. Im Gegensatz zu den Dehnungsmeßstreifen
ist der Taster frei von Tnkonstanz infolge mangelhafter Haftung und ohne Einfluß
von Feuchtigkeit.
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Der Taster kann natürlich auch in anderer Form ausgebildet werden.
Beispielsweise kann man sich die Anordnung der Abb. 3 als Rotationskörper denken.
Der Nadelhalter 20 würde sich dann im Zentrum einer oder zweier elastischer Membranen
befinden, die in einem runden Gehäuse 19 eingespannt sind. In der Membran eingebettet
sind die Widerstandsdrähte, die ebenso angeordnet und geschaltet sind, wie es in
Abb. 3 dargestellt ist.
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Weiterhin kann man den Körper mit den eingebetteten Widerstandsdrähten
tordieren, beispielsweise dadurch, daß die Tastspitze 2 an einem Hebel befestigt
ist, der an dem zu tordierenden Körper angreift. Die Drahtlage bzw. Bewehrung in
dem zu verdrehenden Körper wird dann so gelegt, z. B. schraubenlinienförmig um den
Körper, daß die Torsionsspannungen in der Richtung der Drahtlage verlaufen.
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Der beschriebene Taster stellt die beste Erfüllung aller an einen
solchen Taster gestellten Forderungen dar und übertrifft daher die bisher verwendeten
elektrischen Taster erheblich. Er kann natürlich auch für alle anderen Zwecke benutzt
werden, bei denen mit Tastern gearbeitet wird. Dies ist nicht nur bei den verschiedensten
Meßzwecken der Fall, sondern auch bei der Steuerung von Maschinen und Apparaten,
beispielsweise zum Nachformen (Kopieren) von Werkstücken usw.