NL1037143C - Inrichting voor de tactiele meting van driedimensionale krachten. - Google Patents

Description

1 *

Inrichting voor de tactiele meting van driedimensionale krachten.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de 5 tactiele meting van driedimensionale krachten volgens de aanhef van conclusie 1.

In de stand der techniek zijn coördinatiemetingsapparaten bekend, die verschillende inrichtingen voor de tactiele meting 10 van driedimensionale krachten omvatten, door middel waarvan bijvoorbeeld objectvormen van meetobjecten zoals machinaal vervaardigde werkstukken zeer precies meetbaar zijn.

Uit het drukschrift "G.N. Peggs, A.J. Lewis, S. Oldfield: Design 15 for a compact high-accuracy CMM; in: Annals of the CIRP, Vol. 48/1/1999, bladzijden 417-420” is een microsonde bekend, waarbij door middel van een tastelement en een taststift krachten op flexibele veerelementen overdraagbaar zijn, waarbij deze veerelementen uit berylliumkoper gevormd zijn. Een meting van de 20 afbuigingen van de veerelementen gebeurt door middel van capacitieve sensoren.

Het drukschrift "S-Bütefisch et al: Mikrotaster für Anwendungen in der taktilen Wegmesstechnik, in: TM - Technisches Messen 25 5/2003, bladzijden 238-243" beschrijft een piëzo-resistieve microsonde, waarbij piëzo-resistieve weerstanden op een siliciummembraan aan bruggen aaneengeschakeld zijn. Het membraan is daarbij met een taststift voor de aanraking van de meetobjecten verbonden.

30

Verdere openbaart het WO 2006 010 395 A2 een sensormodule voor een tasthoofd van een tactiel coördinatiemeetapparaat. Dit omvat een frame, die een vaststaande modulebasis vormt en daarmee een eerste meetvlak definieert. Verder is een relatief ten opzichte 35 van het frame beweeglijk deel van het coördinatiemeetapparaat voor een opnemen van een proximaal einde van een taststift 1 03 7 143

( I

2 verschaft, waarbij het beweeglijke deel door tenminste twee, bij voorkeur door vier, van elkaar gescheiden verbindingsstukken aan het frame gehouden wordt. Om een verhoogde stijfheid te bereiken, bezit elk van deze verbindingsstukken in de 5 dwarsdoorsnede loodrecht ten opzichte van een eerste meetvalk een materiaalsterk verbindingsstukbereik, dat tussen twee materiaalzwakke verbindingsstukbereiken is uitgevoerd, waarbij het materiaalsterke verbindingsstukbereik een materiaaldikte bezit, die groter is dan een overeenkomstige materiaaldikte van 10 de materiaalzwakke verbindingsstukbereiken.

Uit DE 196 14 720 Al is een tasthoofd voor de bepaling van coördinaten van een werkstukoppervlak bekend, die de meting van coördinaten van punten aan werkstukken mogelijk maakt. Daarbij 15 is de taststift met een tastkogel in de drie hoofdassen met bladveersystemen geplaatst.

In US 2002/0014893 Al alsook in US 4 050 049 A zijn meetsondes beschreven, die met micromechanische processen vervaardigd 20 worden, waarbij silicium als grondmateriaal gebruikt wordt.

Nadelig bij de uit de stand der techniek bekende inrichtingen is echter, dat deze zodanig uitgevoerd zijn, dat de mogelijkheid bestaat, dat de taststift zich bij een aanraking van het 25 meetobject verbuigt. Aangezien de taststift de meetkrachten op veerelementen resp. verschillende soorten sensoren overdraagt, stelt deze doorbuiging een aanzienlijke foutenbron voor.

Aan de uitvinding ligt derhalve de opgave ten gronde, een 30 inrichting voor de tactiele meting van driedimensionale krachten aan te dragen, die de in de stand der techniek aangegeven nadelen moet overwinnen, dat wil zeggen een aanraking van de meetobjecten met hogere precisie en zeer goede reproduceerbaarheid mogelijk maakt.

35

I I

3

De opgave wordt volgens de uitvinding door een inrichting opgelost, welke de in conclusie 1 aangegeven kenmerken bezit.

Voordelige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn onderwerp 5 van de onderconclusies.

De inrichting volgens de uitvinding voor tactiele meting van driedimensionale krachten omvat een tastelement, een taststift en parallelveerelementen met expansiesensoren. Tussen het 10 tastelement en de taststift zijn tenminste twee om 90 graden ten opzichte van elkaar geplaatste parallelveerelementen die in een rij en in de lengte aan de taststift aangebracht zijn, waarbij de parallelveerelementen uit desbetreffend twee parallel aangebrachte silicium-bladveren en tussen deze aangebrachte 15 afstandselementen bestaan en de expansiesensoren piëzo-resistieve weerstanden zijn, die in de silicium-bladveerelementen geïntegreerd zijn.

Deze veerelementen en de in deze geïntegreerde expansiesensoren 20 dienen voor de meting van aanraakrachten in dwarsrichting ten opzichte van de taststift. Op grond van de opstelling van de om 90 graden naar elkaar geplaatste en in rij aangebrachte veerelementen met de in deze geïntegreerde expansiesensoren direct na het tastelement stelt een doorbuiging van de taststift 25 geen foutenbron bij de meting van de meetobjecten voor. Derhalve zijn zeer precieze meetresultaten bereikbaar.

Aangezien de vervaardiging van de inrichting volgens de uitvinding met technologieën uit de micro- en nanotechniek 30 gebeurt, zijn de kleinste afmetingen van de taststift en de veerelementen bereikbaar. Daaruit resulteert het voordeel, dat ook meetobjecten met de kleinste afmetingen en zelfs daarin aangebrachte boringen gemeten kunnen worden.

35 Aan het van het tastelement afgekeerde einde van de taststift is een verder veerelement dwars aan de taststift aangebracht, welke 4 de meting van krachten in z-richting, aldus in de lengterichting tot de taststift mogelijk maakt.

Bij voorkeur zijn de parallelveerelementen uit tenminste twee 5 parallel aangebrachte silicium-bladveerelementen en tussen deze aangebrachte silicium-afstandselementen gevormd.

Voordelen van een zodanige veergeleiding zijn in het bijzonder een vrijheid van speling-, slijtage en onderhoud. Verder is het 10 aanbrengen van de veerelementen bij gebrek aan glijdende scharnieren tot op de binnenste wrijving van de bladveerelementen nagenoeg wrijvingsvrij, wat wederom tot zeer precieze meetresultaten leidt.

15 Een wezenlijk voordeel van de inrichting bestaat daarin, dat de ombuiging van de taststift de meting van de krachen in x- en inrichting en derhalve ook de positie van het aanraakelement in x-en y-richting niet beïnvloedt, aangezien de parallelveren voor de meting van de x- en y-grootten direct na het tastelement zijn 20 aangebracht.

De meting van krachten in z-richting wordt daardoor mogelijk gemaakt, doordat aan de naar het tastelement toegekeerde einde van de taststift een veerelement dwars aan de taststift 25 aangebracht is. Aangezien hierbij de taststift in lengterichting wordt belast, worden fouten als gevolg van deformaties van de taststift ook hier zo veel mogelijk verhinderd.

Een voordelige uitvoering stelt voor, dat afstandselementen 30 en/of de taststift eveneens uit silicium bestaan.

Bij een voordelige uitvoeringsvorm zijn de parallelveren een uit de silicium-bladveerelementen en de silicium-afstandselementen gevormd vormdeel.

35 5

Een hoge meetnauwkeurigheid en de verdere eliminering van foutinvloeden lukken daardoor, doordat de piëzo-resistieve weerstanden aan een meetbrug van Wheatstone zijn geschakeld.

5 Uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding worden in het volgende aan de hand van tekeningen nader verklaart.

Daarin tonen: 10 Figuur 1 een perspectieve voorstelling van de inrichting,

Figuur 2 een uitvoeringsvorm, waarbij de veerelementen en afstandselementen als vormdeel uitgevoerd zijn, 15 Figuur 3 een verdere vormgeving, waarbij ook het dwars aan de taststift aangebrachte veerelement in een vormdeel betrokken is,

Figuur 4 een gedeelte van de inrichting, 20 Figuur 5 een lengtedoorsnede door het naar de meetplaats toegekeerde deel van de inrichting en

Figuur 6 de opstelling van de inrichting in een coördinatiemeetapparaat.

25

Met elkaar overeenkomende delen zijn in alle figuren van hetzelfde referentieteken voorzien.

De in figuur 1 voorgestelde inrichting 1 voor de tactiele meting 30 van driedimensionale krachten Fx, Fy, Fz bevat een tastelement 2, een taststift 3 en de parallelveerelementen 4, 5 en 6.

De parallelveerelementen 4, 5 en 6 worden uit desbetreffende aan elkaar aangebrachte silicium-bladveerelementen 4.1, 4.2, 5.1, 35 5.2 resp. 6.1, 6.2 gevormd, waarbij de desbetreffende parallel naar elkaar aangebrachte silicium-bladveerelementen 4.1, 4.2 6 resp. 5.1, 5.2, resp. 6.1, 6.2 gelijke eigenschappen, in het bijzonder gelijke afmetingen en veerconstanten bezitten. In de silicium-bladveerelementen 4.2, 5.1 en 6.1 zijn expansiesensoren 7 geïntegreerd, die desbetreffend aan een meetbrug van 5 Wheatstone geschakeld zijn.

Tussen de silicium-bladveerelementen 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 zijn afstandselementen 8.1 tot 8.6 aangebracht, die eveneens uit silicium bestaan.

10

Tussen het tastelement 2 en de taststift 3 bevinden zich de twee om 90 graden aan elkaar geplaatste parallelveerelementen 4 en 5, die in rij en in de lengte aan de taststift 3 aangebracht zijn, waarbij het tastelement 2 aan het onderste afstandselement 8.1 15 van het veerelement 4 aangebracht is.

Verder is een afstandselement 8.3 verschaft, waarmee het bovenste veerelement 5 met de taststift 3 verbonden is. In een in figuur 2 nader voorgestelde vormgeving van de uitvinding 20 dient de taststift 3 als bovenste afstandelement 8.3 van het veerelement 5.

Als extra is een middelste afstandselement 8.2 zo uitgevoerd, dat het gelijktijdig voor het op afstand houden van de silicium-25 bladveerelementen 4.1, 4.2 en de silicium-bladveerelementen 5.1, 5.2 dient.

Met de in rij aangebrachte veerelementen 4 en 5 en de in deze geïntegreerde expansiesensoren 7 kan de meting van de in figuur 30 4 gekentekende krachten Fx en Fy gebeuren, die dwars ten opzichte van de taststift 3 in de richtingen x en y werken.

Dwars aan de taststift 3 is aan diens einde, dat zich van het tastelement 2 afgekeerde einde bevindt, het veerelement 6 35 aangebracht. Met behulp van de in het silicium-bladveerelement 7 6.1 aangebrachte expansiesensoren 7 kan da in lengterichting ten opzichte van de taststift 2 werkende kracht Fz bepaald worden.

Figuur 2 toont een voordelige vormgeving van de inrichting, 5 waarbij het einde van de taststift 3 met het afstandselement 8.3 een vormdeel vormt.

Figuur 3 toont een verdere voordelige vormgeving van de inrichting 1, waarbij de taststift 3, de in rij geschakelde 10 veerelementen 4 en 5, het dwars aan de taststift 3 aangebrachte veerelement 6 alsook de afstandselementen 8.1 tot 8.6 als een uit silicium vervaardigd vormdeel uitgevoerd zijn.

In figuur 4 is een fragment van de inrichting 1 voorgesteld, 15 waarbij de kracht Fx die in de richting x dwars ten opzichte van de taststift 3 werkt, proportioneel tot de expansie εχ van het veerelement 5 resp. de in deze aangebrachte expansiesensoren 7 is.

20 Verder werkt de om 90 graden ten opzichte van de kracht Fx geplaatste kracht Fy loodrecht op het veerelement 4, zodat de kracht Fy aan de hand van een tot deze proportionele expansie εγ van het veerelement 4 resp. de in deze aangebrachte expansiesensoren 7 bepaalbaar is.

25

Hieruit resulteert een wezenlijk voordeel van de uitvinding, die daarin bestaat, dat de doorbuiging van de taststift de meting van de krachten Fx en Fy en de positie van het aftastelement in x- en y-richting niet beïnvloedt.

30

Figuur 5 toont een gedeeltelijk doorsnede van de in figuur 4 voorgestelde opstelling, waarin gedetailleerd voorgesteld is, dat het afstandselement 8.2 gelijktijdig voor het op afstand houden van de silicium-bladveerelementen 4.1, 4.2 en de 35 silicium-bladveerelementen 5.1, 5.2 dient. Verder is de 8 bevestiging van het tastelement 2 aan het afstandselement 8.1 nader voorgesteld.

In figuur 6 is een coördinatiemeetapparaat 9 voorgesteld, waarin 5 de inrichting 1 voor de tactiele meting van driedimensionale krachten Fx, Fy, Fz aangebracht is.

Het coördinatiemeetapparaat 9 dient voor de bepaling van geometrische afmetingen van ruimtelijke meetobjecten 10, in 10 gelijktijdig drie richtingen x, y en z. Bij de meting is de inrichting aan verschillende meetpunten beweegbaar, waarbij ieder punt in het meetbereik met zijn cartesiaanse coördinaten bepaalbaar is. De inrichting 1 is door middel van een bevestigingselement 11 aan een spil 12 bevestigd, die aan een 15 onderstel 13 is aangebracht.

20 25 30 35 9

Lijst met referentietekens.

1. Inrichting 2. Tastelement 5 3. Taststift 4. Parallelveerelement 4.1. Silicium-bladveerelement 4.2 Silicium-bladveerelement 5. Parallelveerelement 10 5.1. Silicium-bladveerelement 5.2 Silicium-bladveerelement 6. Parallelveerelement 6.1. Silicium-bladveerelement 6.2 Silicium-bladveerelement 15 7. Expansiesensor 8.1...8.6 Af stands element 9 Coördinatiemeetapparaat 10 Meetobject 11 Bevestigingselement 20 12 Spil 13 Onderstel

Fx Kracht in x-richting

Fy Kracht in y-richting

Fz Kracht in z-richting 25 30 35 1¢37143

Claims (7)

1. Inrichting (1) voor de tactiele meting van driedimensionale krachten (Fx, Fy, Fz), omvattend een tastelement (2), een 5 taststift (3) en parallelveerelementen (4, 5, 6) met expansiesensoren (7), met het kenmerk, dat aan het van het tastelement (2) afgekeerde einde van de taststift (3) een parallelveerelement (6) dwars aan de taststift (3) aangebracht is en tussen het tastelement (2) en de taststift (2) tenminste 10 twee om 90 graden naar elkaar geplaatste parallelveerelementen (4, 5) in rij en in de lengte aan de taststift (3) aangebracht zijn, waarbij de parallelveerelementen (4, 5) uit desbetreffend twee parallel aangebrachte silicium-bladveerelementen (4.1, 4.1, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) en tussen deze aangebrachte 15 afstandselementen (8.1 tot 8.6) bestaan en de expansiesensoren (7) piëzo-resistieve weerstanden zijn, welke in de silicium-bladveerelementen geïntegreerd zijn.

2. Inrichting (1) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 20 afstandselementen (8.1 tot 8.6) uit silicium bestaan.

3. Inrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de taststift (3) en de om 90 graden aan elkaar geplaatste en in rij geschakelde veerelementen (4 en 5) 25 desbetreffend door middel van een afstandselement (8.3) verbonden zijn.

4. Inrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de parallelveer een uit de silicium- 30 bladveerelementen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) en de silicium-afstandselementen gevormd vormdeel is.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de taststift (3) uit silicium bestaat. 35 1037143

6. Inrichting (1) volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de silicium-taststift (3) de silicium-bladveerelementen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) en de silicium-afstandselementen een vormdeel vormen. 5

7. Inrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de piëzo-resistieve weerstanden aan een meetbrug van Wheatstone geschakeld zijn. 10 15 20 25 30 35 1 03 7 143