DE9210833U1 - Abtastvorrichtung für konturierte Oberflächen - Google Patents
Abtastvorrichtung für konturierte OberflächenInfo
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Description
DIPL-ING. PETER OTTE PATENTANWALT - d-7?5o Leonberg
Vertreter beim Europäischen Patentamt / European Patent Attorney Tiroler Straße
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29.07.1992
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DATRON-Electronic GmbH
In den Gänsäckern 10, 6109 Mühltal-Traisa
Abtastvorrichtung für konturierte Oberflächen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum berührenden Abtasten einer konturierten Oberfläche,
insbesondere einer dreidimensionalen Freiformfläche, mittels einer stabförmigen Meßsonde, deren
freies, im Betrieb der abzutastenden Oberfläche zugewandtes Ende in drei zueinander senkrechten
Koordinaten X, Y und Z beweglich ist, die in Z-Richtung mittels eines Linearlagers linear beweglich
geführt ist, die in X- und Y-Richtung beweglich gehaltert ist und deren Bewegungen über Wandler
in Positionssignale für eine Auswerteeinrichtung umsetzbar sind.
Derartige Abtastvorrichtungen sind bekannt und dienen zum Erstellen digitaler Datensätze, welche die
Konturen von dreidimensionalen Gebilden bzw. Modellen oder Oberflächen beschreiben und später beispielsweise
zum programmgesteuerten Betrieb einer Fräsmaschine zur Herstellung entsprechender Werkstücke
bzw. Oberflächen verwendet werden können.
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Abtastvorrichtungen der betrachteten Art können auch zum Bestimmen der Lage eines Werkstücks auf
einer Werkzeugmaschine und zum anschließenden Positionieren des Werkstücks anhand der bei der Abtastung
gewonnenen Daten dienen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, anhand der Positionsdaten, die mit
Hilfe einer Abtastvorrichtung gewonnen werden, die Maßhaltigkeit eines bearbeiteten Werkstücks zu prüfen
und Werkzeug- und Maschinenabweichungen zu erkennen und ggf. zu korrigieren.
Bei bekannten Abtastvorrichtungen der betrachteten Art ist die Meßsonde mittels dreier voneinander
unabhängiger, die Meßsonde in jeweils einer Koordinatenrichtung spielfrei führenden Linearlageranordnungen
gehaltert, wobei für jede Koordinatenrichtung ein eigener Linearwandler, beispielsweise in
Form einer der bekannten Längenmeßeinrichtungen, vorgesehen ist, um für die betreffende Koordinatenrichtung
auswertbare Positionsdaten bzw. -signale zu erzeugen.
Die bekannten Abtastvorrichtungen sind einerseits sehr genau und arbeiten mit einer Auflösung im
Bereich von etwa 1 Jim. Andererseits sind die bekannten Abtastvorrichtungen im Hinblick auf den
komplizierten Aufbau ihres Meßsystems aber auch sehr teuer und empfindlich, insbesondere auch hinsichtlich
der erforderlichen Auswerteeinrichtungen, mit denen bei der angegebenen, hohen Abtastgenauigkeit,
beispielsweise beim spurenweisen Abtasten einer Freiformfläche, bei zeitlich befriedigender
Vorschubgeschwindigkeit der Meßsonde ungeheure Datenmengen verarbeitet werden müssen.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihres Meßsystems
vereinfachte und damit billigere, aber dennoch mit guter Genauigkeit arbeitende Abtastvorrichtung
anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Meßsonde an ihrem dem freien Ende gegenüberliegenden Ende mittels einer Aufhängung
derart beweglich mit dem Linearlager verbunden ist, daß sie im unbelasteten Zustand durch Rückstellkräfte
in einer Lage gehalten wird, in der ihre Längsachse in Richtung der Z-Achse verläuft, und
daß sie bei einem Abtastvorgang senkrecht zu ihrer in Z-Richtung verlaufenden Längsachse in X- und Y-Richtung
auslenkbar ist.
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, daß ihr Meßsystem mit der Meßsonde
und den zugehörigen Wandlern relativ klein und preiswert aufgebaut werden kann, da die bisher
üblichen Linearlageranordnungen für die X-Richtung und die Y-Richtung durch eine einfache Meßsondenaufhängung
ersetzt werden, insbesondere - in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung - durch eine
einseitig eingespannte Biegefeder oder durch einen Biegebalken oder auch durch ein Kugelgelenk, wobei
die erforderlichen Rückstellkräfte in diesem Fall durch separate, auf die stabförmige Meßsonde einwirkende
Federmittel erzeugt werden können. Vorzugsweise sind die Wandler für die Erzeugung der
Positionssignale für die X- und die Y-Richtung erfindungsgemäß als berührungslos arbeitende X-, Y-Wandler
ausgebildet, insbesondere als nach dem wir-
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belstromverfahren arbeitende Wandler oder auch als Wandler, welche, ähnlich wie induktive Näherungsschalter,
auf Induktivitätsänderungen bzw. Kapazität sänderungen in Abhängigkeit von einer Auslenkung
der Meßsonde in X-Rientung bzw. Y-Richtung ansprechen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn einerseits die Meßsonde im Bereich
der X-, Y-Wandler und andererseits die X-, Y-Wandler
derart ausgebildet sind, daß die von diesen Wandlern erzeugten Positionssignale jeweils linear
mit der Position bzw. der Auslenkung der Meßsonde in X-Richtung und in Y-Richtung verknüpft sind.
Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn die X- und Y-Wandler zueinander senkrechte, der
Meßsonde zugewandte Sensorflächen aufweisen und wenn die Meßsonde im Bereich der Sensorflächen zu
diesen parallele, zueinander senkrechte Außenflächen aufweist.
Vorzugsweise weist die Meßsonde im Bereich der X-, Y-Wandler einen rechteckigen Querschnitt und paarweise
parallel zueinander verlaufende Außenflächen auf, während der X-Wandler und der Y-Wandler
jeweils zwei Meßsysteme aufweisen, die einander und den zugeordneten Außenflächen der Meßsonde paarweise
gegenüberliegen. Auf diese Weise ergibt sich nämlich der Vorteil, daß die Positionssignale für
die X-Koordinate und die Positionssignale für die Y-Koordinate völlig unabhängig voneinander sind,
wobei die jeweils zwei Meßsysteme pro Koordinatenrichtung bei einer Auslenkung der Meßsonde in dieser
Richtung gegensinnig beeinflußt werden, wodurch
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eine Reihe von Kompensationseffekten erreicht wird, auf die weiter hinten noch naher eingegangen werden
wird.
Bezüglich des konstruktiven Aufbaus der Abtastvorrichtung hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung
als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Aufhängung für die Meßsonde und die Wandler für die
Meßsondenbewegungen in den drei zueinander senkrechten Koordinaten X, Y und Z an einem gemeinsamen
Träger befestigt sind, welcher mit Hilfe des für die Z-Achse vorgesehenen Linearlagers längs einer
Schiene in Z-Richtung verfahrbar ist, deren Länge vorzugsweise so gewählt ist, daß das gesamte Meßsystem
in eine Ruheposition anhebbar und in eine Arbeitsposition absenkbar ist.
Für das Anheben und Absenken des Meßsystems ist dabei vorzugsweise eine eigene Hubvorrichtung, insbesondere
eine Hubvorrichtung mit einem Spindelantrieb, vorgesehen, die insbesondere derart lösbar
mit dem schlittenförmigen Träger gekoppelt ist, daß dieser für die Durchführung einer Abtastung bzw.
Messung in eine durch einen Anschlag definierte Nullstellung absenkbar ist, in der er von der Hubvorrichtung
vollständig entkoppelt ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch
näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Ansprüche.
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In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung des Meßsystems einer Abtastvorrichtung
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung des Meßsystems gemäß Fig. 1 in seiner Arbeitsposition;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer X-, Y-Wandleranordnung
für ein Meßsystem gemäß Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild zur weiteren
Erläuterung der Funktion der Wandleranordnung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkung einer Auslenkung der Meßsonde in
X- oder Y-Richtung auf die Größe des in Z-Richtung gemessenen Positionswertes;
Fig. 6a-g schematische Darstellungen zur Erläuterung des Arbeitsprinzips unterschiedlicher Typen
von X-, Y-Wandlern;
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktion einer gegenüber der Wandleranordnung
gemäß Fig. 3 abgewandelten Wandleranordnung; und
Fig. 8 ein Impulsdiagramm zur weiteren Erläuterung der Funktion der in Fig. 7 gezeigten Schaltung.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Meßsystem, bei dem im Inneren eines äußeren Schutzgehäuses
eine feststehende Führungsschiene 12 befestigt ist. Längs dieser Schiene 12 ist ein kastenförmiger Träger
mittels spielfreier Linearkugellager 16 nach Art eines Schlittens in Richtung der senkrechten Koordinate, d.h.
in Z-Richtung, verfahrbar. An einer oberen Stirn- bzw. Endfläche 14a ist eine stabförmige Meßsonde 18 mittels
einer Aufhängung befestigt, die beim Ausführungsbeispiel durch eine stabförmige Biegefeder 20 gebildet wird. Die
Biegefeder 20 gestattet eine Auslenkung der Meßsonde 18 quer zu deren in Z-Richtung verlaufender Längsachse,
d.h. in X-Richtung und Y-Richtung. Die Meßsonde 18 besitzt in ihrem Hauptteil einen rechteckigen bzw. quadratischen
Querschnitt und verjüngt sich an ihrem unteren Ende zu einem Stab, an dem eine Abtastkugel 18a vorgesehen
ist.
Das Meßsystem ist in Fig. 1 in seiner Ruhestellung gezeigt, in der sich seine empfindlichen Komponenten
alle im Inneren des Schutzgehäuses 10 befinden. Das Absenken des Meßsystems in seiner Arbeitsstellung und
das Zurückführen desselben in seine in Fig. 1 gezeigte Ruhestellung erfolgen mittels einer Hubvorrichtung 22,
die beim Ausführungsbeispiel durch einen Spindeltrieb realisiert ist, welcher eine in Z-Richtung bzw. vertikal
verlaufende Schnecke 24 aufweist, die an ihrem unteren Ende mittels eines Kugellagers 26 drehbar gelagert ist
und die an ihrem gegenüberliegenden, oberen Ende von einem umsteuerbaren Motor zu einer Drehbewegung antreibbar
ist. Auf der Spindel 24 sitzt ein nach Art einer Spindelmutter ausgebildeter Hubarm 30, der beispielsweise
durch ein Langloch (nicht gezeigt) in der Wand des
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Schutzgehäuses 10 gegen eine Drehung gesichert ist und der bei einem Hubvorgang und bei in seiner Ruhestellung
befindlichen Meßsystem an der Unterseite einer unteren Endfläche 14b des Trägers 14 anliegt. Beim Absenken des
Trägers 14 in die Arbeitsstellung des Meßsystems gelangt die untere Endfläche in Kontakt mit einem als Anschlag
dienenden, federnden Druckstück 32, welches die Nullstellung des Trägers 14 und damit der Meßsonde 18 in Z-Richtung
definiert.
Entsprechende federnde Druckstücke (nicht gezeigt) sind vorzugsweise am Boden des Trägers 14 montiert, um die
Auslenkbewegungen der Meßsonde 18 in X-Richtung und Y-Richtung zu begrenzen und ggf. Schwingungen der
Meßsonde 18 zu dämpfen.
Die Hubvorrichtung 22 ist so ausgebildet, daß der Hubarm 30 nach dem Auftreffen des Trägers 14 auf das
federnde Druckstück 32 noch etwas weiter abgesenkt wird, so daß der Träger 14 vollständig von der Hubvorrichtung
22 entkoppelt wird.
An einer senkrechten Wandfläche 14c ist ein Linearpotentiometer 34 befestigt, dessen Betätigungselement über
die untere Endfläche 14b des Trägers 14 vorsteht und an diesem überstehenden Ende einen Magneten 36 trägt, der
an einem Bereich 38 aus magnetischem oder magnetisierbarem Material am Boden des Schutzgehäuses 10 magnetisch
lösbar festgelegt ist, wenn sich das Meßsystem in seiner Arbeitsstellung befindet. Das Linearpotentiometer 34 und
dessen Betätigungselement bzw. die damit zusammenwirkende Magnetanordnung 36, 38 werden dabei elektronisch
mittels eines Trimmpotentiometers derart justiert, daß sich bei unbelasteter Meßsonde am Ausgang des Potentiometers
34 das Positionssignal NULL ergibt.
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Bei dem betrachteten Meßsystem stellt das Linearpotentiometer den Signalwandler für die Bewegungen der Meßsonde
18 in Z-Richtung dar. Die Bewegungen der Meßsonde 18 in Richtung der X-Koordinate und der Y-Koordinate
- bei diesen Bewegungen handelt es sich um relativ kleine Auslenkbewegungen der Meßsonde 18 bezüglich ihrer
in Z-Richtung verlaufenden Längsachse - werden mit Hilfe eines X-Wandlers bzw. eines Y-Wandlers erfaßt, wobei
jeder dieser Wandler jeweils zwei separate Meßeinheiten aufweist, die paarweise auf gegenüberliegenden Seiten,
genauer gesagt, angrenzend an einander gegenüberliegende Seitenflächen der Meßsonde 18, angrenzen. Im Interesse
einer verbesserten Übersichtlichkeit der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 sind dort von dem X-Wandler und
dem Y-Wandler lediglich die E-förmigen Kerne 40 der einzelnen Meßspulen gezeigt. Auf den Aufbau der X-, Y-Wandler
wird weiter unten noch näher eingegangen.
Fig. 2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung des Meßsystems gemäß Fig. 1 in seiner Arbeitsstellung. Man
erkennt, daß der Träger 14 mit der Unterseite seines Bodens auf dem federnden Druckstück 32 aufliegt und daß
der Magnet 36 des Betätigungselementes des Linearpotentiometers 34 magnetisch am Boden des Schutzgehäuses
festgelegt ist. Der Hubarm 30 ist in seiner unteren Endstellung unterhalb des Trägers 14 mit gestrichelten
Linien angedeutet. Die Meßsonde 18 durchgreift eine dafür vorgesehene Öffnung 42 im Boden des
Schutzgehäuses 10, so daß die Meßsonde 18 mit der an ihrem freien Ende vorgesehenen Kugel 18a eine abzutastende,
konturierte Oberfläche frei erfassen kann.
Fig. 3 zeigt in Form eines schematischen Prinzipschaltbildes die Anordnung und Ausbildung des X-Wandlers und
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des Y-Wandlers bei Messung der Auslenkung der Meßsonde
18 in X-Richtung bzw. Y-Richtung, und zwar für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem jeder Wandler
jeweils zwei Meßeinheiten mit jeweils einer auf einen Ferritkern 40 gewickelten Spule 42, 42' und 44, 44' aufweist.
Die Spulen 42, 42' mit ihren zugehörigen Ferritkernen
40 bilden dabei den X-Wandler 50, während die Spulen 44, 44' mit ihren Ferritkernen 40 den Y-Wandler
52 bilden. Die Spulen 42, 42' und die Spulen 44, 44'
sind jeweils in Reihe geschaltet und werden vom Ausgang eines Oszillators mit einer hochfrequenten Wechselspannung
gespeist, die beispielsweise in einem Frequenzbereich von 20 bis 100 kHz liegen kann. Das Meß- oder
Positionssignal für die X-Richtung steht dabei an einem Wandlerausgang A zur Verfügung, der an den Verbindungspunkt
der beiden in Reihe geschalteten Spulen 42, 42' angeschlossen ist. Das Meß- bzw. Positionssignal für die
Y-Richtung steht an einem Ausgang B zur Verfügung, der an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Spulen 44, 44'
angeschlossen ist. Im übrigen sind die Reihenschaltungen der beiden Spulenpaare 42, 42"; 44, 44' parallel zueinander
zwischen den Ausgang des Oszillators 54 und Bezugspotential geschaltet.
Bei dem als Ausführungsbeispiel betrachteten Wandlern 50, 52 handelt es sich um Wandler, die nach dem
Wirbelstrom-Abstandsverfahren arbeiten, die auf dem folgenden Prinzip beruhen:
Der hochfrequente Wechselstrom in einer Spule, speziell in einer mit einem Magnetkern bzw. einem Ferritkern versehenen
Spule, führt zu einem hochfrequenten, magnetischen Wechselfeld, welches bei geeigneter Ausgestaltung
des Kerns beispielsweise als Topfkern oder, wie in Fig. 1 angedeutet, als E-förmigem Kern auf der offenen
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Seite des Kerns im Bereich einer sogenannten Sensorfläche
konzentriert ist. Wenn dieser Sensorfläche ein Element aus elektrisch leitendem, nicht magnetisierbarem
Material, wie z.B. Messing oder auch Aluminium, gegenüberliegt, dann werden in diesem Material, speziell in
einem oberflächennahen Bereich, durch das magnetische Wechselfeld elektrische Wirbelströme hervorgerufen, die
ihrerseits ein magnetisches Gegenfeld erzeugen, welches dem Magnetfeld der Spule entgegenwirkt, wodurch sich die
Induktivität der Spule bzw. der Kern/Spulen-Anordnung
scheinbar verringert und damit auch deren Impedanz, und zwar in Abhängigkeit vom Abstand des elektrisch leitenden
Materials von der Sensorfläche.
In dem als Ausführungsbeispiel betrachteten Fall gemäß Fig. 3 bilden die beiden Spulen jedes der Wandler 50,
jeweils einen Spannungsteiler, dessen Symmetrie durch die Auslenkung der in diesem Fall aus einem elektrisch
leitenden, unmagnetischen Material bestehenden Meßsonde
18 gestört wird. Beispielsweise führt eine Auslenkung der Meßsonde 18 in +X-Richtung - d.h. in Fig. 3
nach rechts - unter der Voraussetzung, daß über den beiden Spulen 42, 42' zunächst dieselbe Spannung abfällt,
dazu, daß die Spannung über der Spule 42' kleiner und die Spannung über der Spule 42 größer wird. Es ergibt
sich also ein von dem ursprünglichen Spannungs-Übersetzungsverhältnis von 1:1 abweichendes Spannungs-Übersetzungsverhältnis
und eine entsprechende Spannungsänderung am Ausgang A, wo für den betrachteten Fall nunmehr eine
höhere Spannung ansteht. In entsprechender Weise führt eine Auslenkung der Meßsonde 18 in -X-Richtung - in
Fig. 3 nach links - zu einer kleineren Spannung über der Spule 44 und damit zu einer niedrigeren Spannung am
Signalausgang A. Eine Auslenkung der Meßsonde 18 in Y-Richtung hat entsprechende Änderungen der Spannung am
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Ausgang B des Y-Wandlers 52 zur Folge. Durch die ebenen,
paarweise rechtwinklig zueinander verlaufenden Außenflächen der Meßsonde 18 ist dabei außerdem - anders als
beispielsweise bei einem runden Meßstab mit gekrümmter Oberfläche - im Rahmen der bei dem Meßsystem zulässigen
Auslenkbewegungen eine völlige Unabhängigkeit der Meßbzw. Positionssignale für die X-Richtung und die Y-Richtung
gewährleistet.
Gemäß Fig. 4 der Zeichnung wird ausgehend von dem anhand von Fig. 3 erläuterten Meßprinzip so vorgegangen, daß an
der Reihenschaltung der Wandlerspulen 42, 42' einerseits die Oszillatorspannung Uos und andererseits eine Spannung
U'os anliegt, wobei U'os = 0,6 X Üos gilt (Ü"os ist
dabei die invertierte Oszillatorausgangsspannung).
Das Signal vom Abgriff zwischen den beiden Spulen 42, 42", d.h. das Signal vom Wandlerausgang A wird dem einen
Eingang eines Operationsverstärkers 54 zugeführt, dessen anderer Eingang an Bezugspotential liegt. Das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 54 wird mit Hilfe eines Gleichrichters 56 gleichgerichtet. Die wellige Gleichspannung
vom Ausgang des Gleichrichters 56 wird durch einen Tiefpaß 58 geglättet und dem einen Eingang eines
weiteren Operationsverstärkers 60 zugeführt, dessen zweitem Eingang eine mit Hilfe eines Potentiometers einstellbare
Bezugsspannung zugeführt wird und der eine
analoge Ausgangsspannung Ua liefert, deren Pegel durch
Einstellen der Bezugsspannung an dem Potentiometer 62
auf einen für die weitere Verarbeitung der Spannung Ua,
insbesondere für die Digitalisierung derselben, geeigneten Pegel gebracht werden kann.
Die mit Hilfe der Wandler- bzw. Meßeinrichtungen gemäß Fig. 3 und 4 gewonnenen analogen Spannungen - die Span-
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nung vom Wandlerausgang B des Wandlers 52 kann in ähnlicher
Weise aufbereitet werden, wie dies vorstehend für die Spannung vom Wandlerausgang A erläutert wurde - sind
trotz des relativ einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen Meßsystems bezüglich der Genauigkeit, mit der
die X-Position und die Y-Position erfaßt werden, relativ genau, wie dies nachstehend anhand von Fig. 5 erläutert
wird.
In Fig. 5 bezeichnet die Strecke / die Länge der Meßsonde 18 in Z-Richtung. Wenn nun die Meßsonde 18 bzw.
deren die Meßkugel 18a tragendes freies Ende in X-Richtung um die Strecke &Dgr;&khgr; ausgelenkt wird, was einem Auslenkwinkel
&agr; entspricht, dann ergibt sich für die Z-Richtung eine Abweichung Al. Unter der Voraussetzung, daß
die Länge / der Meßsonde 18 = 200 mm beträgt und daß die Auslenkung &Dgr;&khgr; in X-Richtung 2 mm beträgt - diese Werte
sind für ein in der Praxis verwirklichtes Meßsystem realistisch - ergibt die nachfolgende Berechnung, daß der
Meßfehler bzw. die Abweichung &Dgr;/nur etwa 1/100 mm beträgt:
&agr; as arc sin ^JS v &ogr; ,57°
/
/ = 200 mm &Dgr;&khgr; = 2 mm Al = / (1-cos &agr;) « 1/100 mm
Die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung liegt damit in einem für viele Anwendungen brauchbaren
Genauigkeitsbereich, ohne daß ein übermäßiger technischer Aufwand betrieben werden müßte, wie dies bei den
bekannten, mit höherer Auflösung arbeitenden Abtastvorrichtungen der Fall ist.
Während vorstehend andhand von Fig. 3 und 4 als bevor-
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zugte Wandleranordnung für die X-, Y-Wandler einer
erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung Wandleranordnungen
beschrieben wurden, die nach dem Wirbelstromverfahren arbeiten, sollen nachstehend anhand von Fig. 6 noch weitere
Möglichkeiten für die Ausgestaltung der X-, Y-Wandler erläutert werden.
Zunächst ist in Fig. 6a noch einmal schematisch ein nach dem Wirbelstromverfahren arbeitendes Wandlerpaar mit den
Magnetkernen 40 und den vier Spulen 42, 42'; 44, 44'
dargestellt. Zu dieser Wandlervariante ist in Fig. 6b ein Teilstück der einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden
Meßsonde 18 gezeigt, welcher auf (jeweils) zwei einander gegenüberliegenden Seiten Magnetkerne 40, insbesondere
Ferritkerne, in Form von &Egr;-Kernen gegenüberliegen, wobei die offene Seite der E-Kerne 40, die ggf.
durch Topfkerne ersetzt werden können, den benachbarten Flächen der Meßsonde 18 gegenüberliegt und die "Sensorfläche"
der betreffenden Wandlereinheit bilden. Gemäß Fig. 6c bis 6e können Wirbelstromwandler gemäß Fig. 6a
und 6b durch induktive Wandler ersetzt werden, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Wandlerspulen
42, 42'; 44, 44' ortsfest an dem Träger 14 montiert werden, während die zugehörigen Kerne 40 in Form runder
Ferritstäbe in zugeordnete Bohrungen der Meßsonde 18 eingesetzt sind. Die Kerne 40 können aber auch, wie dies
in Fig. 6e schematisch angedeutet ist, zusammen mit den Spulen 42, 42'; 44, 44' ortsfest gegenüber der in X- und
Y-Richtung auslenkbaren Meßsonde 18 montiert werden.
Für die mit den Wandlern gemäß Fig. 6c bis 6e erfaßten Induktivitätsänderungen, die die Verwendung einer Meßsonde
18 aus magnetisierbarem Material zur Voraussetzung haben, können gemäß einer abgewandelten Ausführungsform
auch Differentialtransformatoren verwendet werden.
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Weiterhin besteht gemäß Fig. 6f und 6g die Möglichkeit zum Erfassen der Auslenkung der Meßsonde 18 kapazitive
Wandler zu verwenden, die nach dem Prinzip eines "Differentialkondensators"
arbeiten, wobei jeweils der eine Belag, der in Fig. 6f gezeigten Kondensatoren C^ bis C4
durch eine ortsfest montierte Metallplatte gebildet wird, während der andere Belag durch die gegenüberliegende
Oberfläche der Meßsonde 18 bzw. einen dort vorgesehenen Kondensatorbelag gebildet wird, wobei sich der
Kapazitätswert der auf diese Weise gebildeten Kondensatoren C^ bis C 4 in Abhängigkeit von der Position zwischen
den Kondensatorbelägen ändert, und wobei, ähnlich wie bei den Wandlern gemäß Fig. 3 wieder jeweils zwei
einander gegenüberliegende Kondensatoren C^, C 2 bzw. Cß,
C4 in Reihe geschaltet werden können, wie dies in Fig. 6g angedeutet ist. Bezüglich der Ausgestaltung der
Wandler für die X-Koordinate und die Y-Koordinate bestehen also verschiedene Möglichkeiten, ohne daß die vorstehend
angesprochenen Möglichkeiten als abschließend angesehen werden sollten.
Abweichend von dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel kann insbesondere die Differentialkondensatoranordnung
auch in der Weise realisiert werden, daß jeweils beide Beläge der Kondensatoren C^ bis C4 ortsfest angeordnet
werden und daß statt dessen das in Fig. 6f gestrichelt eingezeichnete Dielektrikum in X- bzw. Y-Richtung bewegt
wird.
Weiterhin ist anzumerken, daß im Prinzip auch die Wandler 34, 50, 52 ortsfest angeordnet werden können, z.B.
an der Unterseite des Schutzgehäuses 10, was allerdings mit dem Nachteil verbunden wäre, daß sich eine Bewegung
des Trägers 14 in Z-Richtung geringfügig auf die für die
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Bewegungen in den beiden anderen Koordinatenrichtungen X und Y ermittelten Meßsignale auswirken würde.
Gemäß Fig. 7 besteht, ausgehend von der in Fig. 3 schematisch dargestellten Anordnung und Ausbildung des X-Wandlers
und des Y-Wandlers, die Möglichkeit, jeden der
beiden induktiven Wegaufnehmer für die X-Koordinate und die Y-Koordinate bei im Prinzip gleichem Wandleraufbau
als induktiven Wegaufnehmer zu betreiben, dessen Spulen anstelle eines Oszillatorausgangssignals eine mit Hilfe
eines geeigneten Taktgenerators 64 erzeugte Folge von Einzelimpulsen zugeführt wird. Im einzelnen erzeugt der
Taktgenerator 64 an einem ersten Ausgang 66, der dem Oszillatoranschluß der Schaltung in Fig. 3 entspricht,
eine erste Impulsfolge mit Rechteckimpulsen vorgegebener Impulsbreite, die den beiden in Serie geschalteten Spulen
42, 42' zugeführt werden. Der Mittelabgriff zwischen den beiden Spulen 42, 42' ist mit dem einen Eingang
eines Operationsverstärkers 54' verbunden, der dem Operationsverstärker
54 in Fig. 4 entspricht, dessen Referenzspannung an seinem zweiten Eingang jedoch mit Hilfe
eines Potentiometers 62' einstellbar ist, welches, ähnlich wie das Potentiometer 62 in Fig. 4, der Einstellung
des Pegels der Ausgangsspannung Ua dient. Der Ausgang
des Verstärkers 54' ist mit dem Eingang einer Abtast/Halte-Schaltung (Sample & Hold-Schaltung) 68 verbunden,
an deren Ausgang die analoge Ausgangsspannung Ua
zur Verfügung steht. Die zeitliche Steuerung der Abtastvorgänge der Schaltung 68 erfolgt über einen zweiten
Ausgang 70 des Taktgebers 64. An diesem zweiten Ausgang 70 liefert der Taktgenerator 64 eine zweite Impulsfolge,
welche dieselbe Impulsfolgefrequenz aufweist wie die Impulsfolge am Ausgang 66, wobei die Einzelimpulse
der Impulsfolge am Ausgang 70 jedoch jeweils kürzer sind als die Impulse am Ausgang 66 und ein innerhalb der
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als die Impulse am Ausgang 66 und ein innerhalb der Impulsbreite der Impulse am Ausgang 66 liegendes Zeitfenster
definieren. Dabei ist dieses Zeitfenster so gewählt, daß Einschwingvorgänge zum Zeitpunkt der Abtastung
bereits abgeklungen sind und daß die Abtastung auf jeden Fall beendet ist, ehe die Rückflanke eines
Einzelimpulses vom Ausgang 66 erscheint. Der Zusammenhang zwischen den Impulsfolgen an den Ausgängen 66 und
70 des Taktgenerators 64 ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Kurve a den Spannungsverlauf am Ausgang 66 und die
Kurve b den Spannungsverlauf am Ausgang 7 0 des Taktgenerators zeigt.
In der Praxis kann die Impulsfolgefrequenz der beiden Impulsfolgen a, b einer Periodendauer von etwa 1 ms entsprechen,
wobei die Dauer der Einzelimpulse der Impulsfolge a beispielsweise etwa 5 &mgr;&egr; betragen kann. In diesem
Fall ist die Vorderflanke der Einzelimpulse der Impulsfolge b gegenüber der Vorderflanke der Einzelimpulse
der Impulsfolge a beispielsweise um 2 &mgr;&egr; verzögert,
während ihre Rückflanke, gerechnet vom Zeitpunkt des Auftretens der Vorderflanke des Impulses der Impulsfolge
a, um etwa 4 \is verzögert sein kann, so daß die
Rückflanke eines Abtastimpulses der Impulsfolge b etwa 1 &mgr;&bgr; vor der Rückflanke des zugeordneten Spulenimpulses
der Impulsfolge a auftritt.
Aufgrund der relativ kurzen Spulenimpulse werden bei der betrachteten Ausgestaltung der Wandleranordnung nur die
induktiven Anteile des aus der Serienschaltung der beiden Spulen 42, 42' gebildeten Spannungsteilers wirksam
und nicht die ohmschen Anteile der Spulenwicklungen. Hierdurch erhält man wieder ein wegproportionales Ausgangssignal
Ua welches allerdings in Form von einzelnen Impulsen vorliegt, aus denen mit Hilfe der Abtast/Halte-
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spannung als Ausgangsspannung Ua erhalten wird. Mit
Hilfe der Schaltungsvariante gemäß Fig. 7 lassen sich der Bauteileaufwand und damit die Kosten und der Platzbedarf
stark reduzieren. Weiterhin verringert sich auch der Stromverbrauch der Wandlerschaltung. Dabei versteht
es sich, daß diese Schaltungsvariante auch für den Y-Wandler mit den Spulen 44, 44' realisiert werden kann.
Wahrend bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 und 2 für die Durchführung der Messungen eine magnetische Festlegung des Betätitungselementes des
Linearpotentiometers 34 erfolgt, besteht in Ausgestaltung der Erfindung ferner die Möglichkeit, das Betätigungselement
des Linearpotentiometers 34 mittels einer Schraubenfeder oder dergleichen in eine definierte Ausgangslage
bezüglich des Gehäuses des Linearpotentiometers zu bringen. Dabei wird eine Ausführungsform bevorzugt,
bei der die Schraubenfeder das Betätigungselement umgibt und sich mit seinem einen Ende am Gehäuse des
Linearpotentiometers abstützt und mit seinem anderen Ende an einer Kopfplatte am freien Ende des Betätigungselementes.
Auch bei dieser Ausgestaltung erfolgt wieder eine solche Justierung des Linearpotentiometers, daß
sich bei unbelasteter Meßsonde - genauer gesagt bei in Z-Richtung unbelasteter Meßsonde - am Ausgang des Potentiometers
34 das Positionssignal NULL ergibt.
Bezüglich des beim Ausführungsbeispiel verwendeten Linearpotentiometers zur Messung der Z-Auslenkung ist
ferner anzumerken, daß anstelle dieses Potentiometers auch andere lineare Wegaufnehmer verwendet werden können,
wie z.B. ein induktiver Wegaufnehmer oder ein Differntialtransformator.
Claims (30)
1. Abtastvorrichtung zum berührenden Abtasten einer konturierten Oberfläche, insbesondere einer dreidimensionalen
Freiformfläche, mittels einer stabförmigen Meßsonde, deren freies, im Betrieb der abzutastenden
Oberfläche zugewandtes Ende in drei zueinander senkrechten Koordinaten X, Y und Z beweglich
ist, die in Z-Richtung mittels eines Linearlagers linear beweglich geführt ist, die in X- und Y-Richtung
beweglich gehaltert ist und deren Bewegungen über Wandler in Positionssignale für eine Auswerteeinrichtung
umsetzbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (18) an ihrem, dem freien Ende (18a) gegenüberliegenden Ende
mittels einer Aufhängung (20) derart beweglich mit dem Linearlager (16) verbunden ist, daß sie im unbelasteten
Zustand durch Rückstellkräfte in einer Lage gehalten wird, in der ihre Längsachse in Richtung
der Z-Achse verläuft, und daß sie bei einem Abtastvorgang senkrecht zu ihrer Z-Richtung verlaufenden
Längsachse in X- und Y-Richtung auslenkbar ist.
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2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung als kardanische Aufhängung
ausgebildet ist und separate Federmittel zur Erzeugung der Rückstellkräfte aufweist.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung als Kugelgelenk ausgebildet
ist.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufhängung ein Biegeelement (20) umfaßt.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung durch eine Biegefeder
(20) gebildet ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (20) als einseitig eingespannter
Rundstab aus federelastischem Material ausgebildet ist.
7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (20) an einem
Träger (14) befestigt ist, welcher mittels eines Linearlagers (16) längs einer feststehenden
Schiene (12) in Z-Richtung verfahrbar ist.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandler (34, 50, 52) für die Erzeugung der Positionssignale für die X-, die Y-
und die Z-Richtung an dem Träger (14) befestigt sind.
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9. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler für die Erzeugung der Positionssignale für die X- und die Y-Richtung
als berührungslos arbeitende X-, Y-Wandler (50, 52) ausgebildet sind.
10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Meßsonde (18) im
Bereich der X-, Y-Wandler (50, 52) und andererseits die X-, Y-Wandler (50, 52) derart ausgebildet sind,
daß die von den X-, Y-Wandlern erzeugten Positionssignale
Ua jeweils linear mit der Position der Meßsonde
(18) in X-Richtung und in Y-Richtung verknüpft sind.
11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die X-, Y-Wandler (50, 52) als
nach dem Wirbelstromverfahren arbeitende Wandler ausgebildet sind und daß die Meßsonde (18), zumindest
im Bereich der Wandler (50, 52), aus elektrisch leitfähigem, nicht magnetisierbarem Material
besteht.
12. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die X-, Y-Wandler als induktive,
berührungslos arbeitende, ein Magnetfeld erzeugende Annäherungswandler ausgebildet sind und daß die Meßsonde
(18) zumindest im Bereich der Wandler ein die von den Wandlern erzeugten Magnetfelder beeinflussendes
Material aufweist.
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13. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die X-, Y-Wandler (50,
52) zueinander senkrechte, der Meßsonde (18) zugewandte Sensorflächen aufweisen und daß die Meßsonde
(18) im Bereich der Sensorflächen zu diesen parallele, zueinander senkrechte Außenflächen aufweist.
14. Abtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (18) im Bereich der X-,
Y-Wandler einen rechteckigen Querschnitt und paarweise parallel zueinander verlaufende Außenflächen
aufweist.
15. Abtastvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der X-Wandler und der Y-Wandler
jeweils zwei Meßeinheiten (40, 42, 40, 42'; 40, 44, 40, 44') aufweisen, die einander und den zugeordneten
Außenflächen der Meßsonde (18) paarweise gegenüberliegen.
16. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (18) aus
Messing besteht.
17. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14) mittels
einer Hubvorrichtung (22) in Z-Richtung in eine Ruheposition anhebbar und in eine Arbeitsposition
absenkbar ist.
18. Abtastvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hubvorrichtung (22) einen Spindelantrieb (24, 26, 28, 30) umfaßt.
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19. Abtastvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hubvorrichtung (22) lösbar mit dem Träger (14) gekoppelt und für einen Abtastvorgang
derart von dem Träger (14) trennbar ist, daß dieser in eine bezüglich der Z-Achse definierte
Nullstellung absenkbar ist.
20. Abtastvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellung des Trägers (14)
durch einen Anschlag (32) definiert ist.
21. Abtastvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag durch ein federndes
Druckstück (32) gebildet ist.
22. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Z-Wandler einen
Linearwandler (34) umfaßt.
23. Abtastvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß als Linearwandler ein Linearpotentiometer (34) vorgesehen ist.
24. Abtastvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß das Linearpotentiometer (34) an dem Träger (14) befestigt ist und ein Betätigungselement
aufweist, welches in der Nullstellung des Trägers lösbar an einem feststehenden Bauteil festlegbar
ist.
25. Abtastvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement des Linearpotentiometers
(34) magnetisch festlegbar ist.
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26. Abtastvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearpotentiometer (34) an dem
Träger (14) befestigt ist und ein Betätigungselement
aufweist, welches mittels einer zwischen dem Gehäuse des Linearpotentiometers (34) und dem Betätigungselement
desselben eingespannten Feder in einer definierten Ausgangslage gehalten ist.
27. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der X-Wandler und
der Y-Wandler als kapazitive, berührungslos arbeitende Wandler ausgebildet sind.
28. Abtastvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der X-Wandler und/oder der Y-Wandler
zwei in Serie geschaltete Spulen (42, 42'; 44, 44') aufweisen, die mit einer hochfrequenten Spannung
gespeist werden.
29. Abtastvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Speisespannung für
die Spulen (42, 42'; 44, 44') in einem Frequenzbereich
von etwa 20 bis 100 kHz liegt.
30. Abtastvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der X-Wandler und/oder der Y-Wandler zwei in Serie geschaltete Spulen (42, 42'; 44, 44')
aufweisen, die mittels eines Taktgenerators (64) mit einer Impulsfolge ansteuerbar sind, und daß zur
Erzeugung einer kontinuierlichen, analogen Ausgangsspannung eine Abtast/Haite-Schaltung (68) vorgesehen
ist, welche durch eine von dem Taktgenerator (64)
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erzeugte Impulsfolge steuerbar ist, deren Einzelimpulse
derart mit den den Spulen (42, 42'; 44, 44') zugeführten Impulsen derart synchronisiert sind, daß
sie für die Dauer jedes dieser Impulse ein Zeitfenster für den Abtastvorgang definieren.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9210833U DE9210833U1 (de) | 1992-08-13 | 1992-08-13 | Abtastvorrichtung für konturierte Oberflächen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9210833U DE9210833U1 (de) | 1992-08-13 | 1992-08-13 | Abtastvorrichtung für konturierte Oberflächen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE9210833U1 true DE9210833U1 (de) | 1992-12-03 |
Family
ID=6882629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE9210833U Expired - Lifetime DE9210833U1 (de) | 1992-08-13 | 1992-08-13 | Abtastvorrichtung für konturierte Oberflächen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9210833U1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114608440A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-10 | 浙江大学台州研究院 | 一种轴承外表面平整度检测设备及检测方法 |
-
1992
- 1992-08-13 DE DE9210833U patent/DE9210833U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114608440A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-10 | 浙江大学台州研究院 | 一种轴承外表面平整度检测设备及检测方法 |
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