DE19617022C1

DE19617022C1 - Contour measuring device for two=dimensional determination of workpiece surface contours

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Publication number: DE19617022C1
Application number: DE1996117022
Authority: DE
Original assignee: MAHR GmbH
Current assignee: MAHR GmbH
Priority date: 1996-04-27
Filing date: 1996-04-27
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2016-04-28

Abstract

The device has a housing. A probe arm (8) is mounted to pivot about an axis (9). A probe body (11) can be fastened to an end of the arm (8). The arm (8) is coupled to at least one measurement convertor to convert deflection of the arm (8) into an electric signal. A loading device strikes the arm (8) with a torque which presses the probe body to the surface of the work piece. The loading arm is formed such that the force generated by it is electrically controllable. A rocker is mounted on the arm. The rocker has an outer section arranged outside the housing to hold the test arm (8). It also has a rotatable section mounted in the housing. A coupling mechanism is arranged outside the housing on the outer section of the rocker. This releasably connects the arm (8) with the rocker and defines a disconnecting point accessible from outside the housing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konturenmeßgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a contour measuring device with the Features of the preamble of claim 1.

Konturenmeßgeräte dienen der Erfassung des Profils einer Werkstückoberfläche. Dies erfolgt häufig zweidimen sional. Dazu wird ein beweglich gelagerter Tastkörper entlang einer vorgegebenen Bahn über die Werkstückober fläche bewegt, indem das Werkstück und der Tastkörper in Bezug aufeinander bewegt werden. Die Auslenkungen des Tastkörpers werden erfaßt und im Zusammenhang mit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Tastkörper in Meßwerte umgesetzt.Contour measuring devices are used to record the profile a workpiece surface. This is often done in two dimensions regional. For this, a movably mounted probe body is used along a predetermined path over the workpiece top surface moved by the workpiece and the probe in Movement in relation to each other. The deflections of the Probe body are detected and in connection with the Relative movement between the workpiece and the probe body converted into measured values.

Während der Messung wird der Tastkörper durch eine entsprechende Belastungseinrichtung an die Werkstückober fläche angedrückt, so daß bei ständiger Anlage des Tast körpers an der Oberfläche die Bewegung des Tastkörpers der Oberflächenkontur entspricht. Beim Abtasten von Werkstücken, deren Oberflächenkontur bezogen auf die Bewegungsrichtung des Tastkörpers wechselnd geneigte Bereiche und Bereiche unterschiedlicher Oberflächenbe schaffenheit und Rauheit aufweisen, kommt es zu wech selnden Reibungskräften zwischen dem Tastkörper und der Werkstückoberfläche. Infolge der unterschiedlichen Rei bungskräfte und infolge der unterschiedlichen Oberflä chenneigungen entstehen wechselnde Andruckkräfte, d. h., die Andruckkraft des Tastkörpers an die Werkstückober fläche ist über den Tastweg nicht konstant. Dies ist im Hinblick auf die erreichbare Meßgenauigkeit nachteilig.During the measurement, the probe body is replaced by a appropriate load device on the workpiece top Surface pressed so that with constant touch of the key body on the surface the movement of the probe corresponds to the surface contour. When scanning Workpieces whose surface contour is based on the Direction of movement of the probe body alternately inclined Areas and areas of different surface areas If there is a lack of character and roughness, it changes alternating frictional forces between the probe and the Workpiece surface. Due to the different Rei exercise forces and due to the different surface inclination, changing pressure forces arise, d. H., the contact force of the probe body against the workpiece top area is not constant over the tactile path. This is in With regard to the achievable measurement accuracy disadvantageous.

Aus der DE 31 52 731 C2 ist ein solches Konturenmeß instrument bekannt, das einen gewichtsbelasteten Tastarm aufweist. Dieser ist innerhalb eines Gehäuses schwenkbar gelagert und ragt mit seinem einen Ende durch eine stirn seitig an dem Gehäuse vorgesehene Öffnung nach außen. An diesem Ende trägt er einen Taststift zum Erfassen der Kontur eines Werkstückes. An dem Arm greift ein Gewicht an, das diesen in einer vorgegebenen Schwenkrichtung belastet und somit dazu dient, endseitig einen an dem Arm gehaltenen, als Tastkörper dienenden Taststift an die Werkstückoberfläche anzudrücken.Such a contour measurement is known from DE 31 52 731 C2 known instrument that a weight-loaded probe arm having. This can be swiveled within a housing supported and protrudes with one end through a forehead opening provided on the side of the housing to the outside. At this end he carries a stylus to grasp the Contour of a workpiece. A weight grips the arm that this in a predetermined pivot direction loaded and thus serves one end of the arm held, serving as a probe body to the Press the workpiece surface.

Beim Abtasten von schräg zu einer Vorschubrichtung liegenden Oberflächenabschnitten teilt sich die von dem Gewicht auf den Taststift und auf somit den Tastpunkt ausgeübte Kraft in Kraftkomponenten auf, wodurch die senkrecht zur Oberfläche wirkende Kraft von der auf den Taststift ausgeübten Kraft abweicht. Durch die Relativbe wegung hervorgerufene Reibungskräfte überlagern sich noch, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.When scanning from an angle to a feed direction lying surface sections shares that of the Weight on the stylus and thus on the touch point exerted force in force components, whereby the force acting perpendicular to the surface from the The force exerted by the stylus deviates. Due to the Relativbe frictional forces are superimposed still, whereby the accuracy of measurement is impaired.

Bei dem oben genannten bekannten Konturenmeßinstru ment ist der Tastarm außerdem über eine kurze Schwinge und eine Geradführung gelagert, die bewirken, daß das Zentrum der Tastspitze eines an dem freien Ende des Tastarmes gehaltene Taststift beim Verschwenken des Tastarmes eine näherungsweise geradlinige Bewegung aus führt. Diese Maßnahme dient dazu, mittels des Tastarmes Meßwerte in kartesischen Koordinaten zu erhalten. Ein an dem Tastarm angeschlossener, auf dessen Verschwenkung ansprechender Meßwandler, gibt entsprechende Signale ab. In the known Konturenmeßinstru mentioned above the probe arm is also a short rocker arm and stored a straight guide, which cause that Center of the stylus tip at the free end of the Tactile arm held stylus when pivoting the Probe arm an approximately rectilinear movement leads. This measure is used by means of the probe arm Obtain measured values in Cartesian coordinates. An on connected to the probe arm, on its pivoting responsive transducer, emits appropriate signals.

Zur Lagerung des Tastarmes sind auf diese Weise relativ viele Lagerstellen erforderlich.To store the probe arm are in this way relatively many storage locations required.

Darüber hinaus ist aus der DE 40 13 742 A1 ein Rauheitsmeßgerät bekannt, das eine an einer Wippe gela gerte Abtastnadel aufweist. Die Abtastnadel ist mittels einer Feder und einer elektrischen Antriebsvorrichtung gegen die zu vermessende Werkstückoberfläche gespannt. Auslenkungen der Abtastnadel werden über einen Wegaufneh mer erfaßt. Eine Regeleinrichtung hält die in Längs richtung der Abtastnadel wirkende Kraft konstant. Maßnah men gegen Überlastung der Abtastnadel, insbesondere hinsichtlich quer zur Abtastnadel wirkender Kräfte, sind nicht getroffen.In addition, from DE 40 13 742 A1 Roughness measuring device known, the one on a seesaw has a stylus. The stylus is by means of a spring and an electric drive device clamped against the workpiece surface to be measured. Deflections of the stylus are recorded via a path always captured. A control device keeps the lengthways Direction of the stylus force constant. Measure men against overloading the stylus, in particular with respect to forces acting transversely to the stylus not hit.

Hingegen ist es aus der DE 35 32 184 C1 bekannt, einen 3D-Meßkopf an einem Arm einer Meßmaschine so zu lagern, daß er bei Überlast im Ganzen aus seiner Soll-Lage herausklappen kann. Dazu ist der Tastkopf mit einer Kugel in einer Pfanne gehalten. Eine sich zwischen Tast kopf und Tastkopfhalterung erstreckende Blattfeder drückt die Kugel in die Pfanne und hält damit den Tastkopf am Platz. Bei überlast springt die Kugel aus der Pfanne und der Tastkopf kann seitlich ausweichen.In contrast, it is known from DE 35 32 184 C1 a 3D measuring head on an arm of a measuring machine store that it is overloaded as a whole from its target position can fold out. The probe is with a Ball held in a pan. One between tast Leaf spring extending head and probe holder presses the ball into the pan, thereby holding the probe on Place. When overloaded, the ball jumps out of the pan and the probe can move sideways.

Aus der DE 43 45 091 C2 ist ebenfalls ein Tastkopf mit mehreren Meßachsen bekannt, der einen an einer Platte gehaltenen Taststift aufweist. Die Platte ist starr, jedoch lösbar, mit einer Gegenplatte verbunden, die um mehrere Achsen schwenkbar und mit den innerhalb des Meßkopfs angeordneten Meßsystemen verbunden ist.DE 43 45 091 C2 is also a probe known with several measuring axes, one on a plate has held stylus. The plate is rigid however, releasably, connected to a counter plate that around several axes swiveling and with the inside of the Measuring head arranged measuring systems is connected.

Zur Vermessung von Oberflächen ist eine Relativbewe gung zwischen Taststift und Werkstück erforderlich. Diese wird durch Bewegungen des Werkstücks bzw. des gesamten Tastkopfs erreicht. Dies erfordert eine Meßmaschine mit entsprechenden Führungsmöglichkeiten für den Meßkopf. For the measurement of surfaces there is a relative movement between the stylus and the workpiece. This is caused by movements of the workpiece or the entire Probe reached. This requires a measuring machine with corresponding guidance options for the measuring head.

Entsprechendes gilt für die aus der US-PS 5 088 046 bekannte Meßmaschine. Diese weist einen in zwei vonein ander unabhängigen Richtungen linear verfahrbar gehalte nen Tastkopf auf, dessen Taststift um mehrere Achsen schwenkbar gelagert ist. Zur Erzeugung einer Antastkraft sind den Schwenktasten des Taststifts elektrische An triebe zugeordnet.The same applies to those from US Pat. No. 5,088,046 known measuring machine. This divides one into two other linear directions NEN probe, the stylus around several axes is pivotally mounted. To generate a probing force are the swivel buttons of the stylus electrical on shoots assigned.

Die große Zahl der insgesamt vorgesehenen Linear- und Schwenkachsen erfordern einen hohen Aufwand, um eine gute Präzision zu erzielen.The large number of the total planned linear and Swivel axes require a lot of effort in order to to achieve good precision.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und robustes Konturenmeßgerät und ein Konturen meßverfahren zu schaffen, dessen Genauigkeit verbessert ist.Based on this, it is an object of the invention to simple and robust contour measuring device and one contour to create measuring methods, the accuracy of which improves is.

Diese Aufgabe wird durch ein Konturenmeßgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Ver fahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30 gelöst.This task is performed using a contour measuring device the features of claim 1 and by a ver drive with the features of claim 30 solved.

Die den Tastarm tragende Wippe ist mit diesem über ein Kupplungsmittel verbunden, das bei Überlast selbst tätig trennt. Damit wird ein Kollisionsschutz erhalten, der insbesondere bei der Vermessung unbekannter Werk stückoberflächen von Bedeutung ist und eine Beschädigung des Konturenmeßgerätes verhindert.The rocker carrying the probe arm is over with this a coupling agent connected to the overload itself actively separates. This provides collision protection that especially when measuring unknown work piece surfaces is important and damage of the contour measuring device prevented.

Um das Tastelement über die Werkstückoberfläche führen zu können, ist die Wippe an einer Linearführung, d. h. vorzugsweise an einem Schlitten um eine Drehachse schwenkbar gelagert, der an einer Führungsschiene längs verschiebbar geführt ist. Die Anzahl der erforderlichen Lagerstellen ist gering, was der Genauigkeit zugute kommt.To the probe over the workpiece surface to be able to guide is the rocker on a linear guide, d. H. preferably on a slide around an axis of rotation pivoted, the longitudinal on a guide rail is guided. The number of required Bearing positions are low, which improves accuracy is coming.

Das Kupplungsmittel umfaßt vorzugsweise drei jeweils durch eine Kupplungseinrichtung definierte Anlageorte, die den Tastarm bezüglich aller Freiheitsgrade an die Wippe binden. Die erste, drei Freiheitsgrade festlegende und die zweite, zwei Freiheitsgrade festlegende Kupp lungseinrichtung definieren eine Gerade, die im wesentli chen parallel zu der Tastarmlängsrichtung verläuft und im Idealfalle den Tastpunkt schneidet bzw. in geringem Abstand zu diesem verläuft. Eine dritte, einen sechsten Freiheitsgrad festlegende Kupplung kann im Abstand zu der Gerade angeordnet sein. Die Kupplungsmittel sind so ausgebildet, daß sie jeweils in Schwenkbewegungen nach einander in Eingriff gebracht werden, wobei die Relativ bewegung zwischen den Kupplungselementen Staub beseitig und eine sichere präzise Anlage ermöglicht.The coupling agent preferably comprises three each investment locations defined by a coupling device, which the probe arm with respect to all degrees of freedom Tie the seesaw. The first, defining three degrees of freedom and the second dome, which defines two degrees of freedom lungseinrichtung define a straight line, which essentially Chen runs parallel to the probe arm longitudinal direction and in Ideally, the touch point intersects or in a small amount Distance to this runs. A third, a sixth Degree of freedom defining the coupling can be at a distance from the Just be arranged. The coupling agents are like this trained that they each in pivotal movements be engaged with each other, the relative Movement between the coupling elements eliminates dust and enables a safe, precise system.

Für die Linearführung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Führungsschienen mit rechteckigem Quer schnitt zu verwenden, an denen Führungsflächen vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine bessere Genauigkeit als die Verwendung von Rundstäben.It has proven to be advantageous for the linear guide highlighted, guide rails with a rectangular cross cut to use where guide surfaces are provided are. This enables better accuracy than that Use of round bars.

Der Schlitten ist an der Führungsschiene vorzugs weise durch Dauermagnete gehalten. Damit genügen ins gesamt drei Führungsflächen, um den Schlitten zu führen, wobei die Reibung gegenüber einer Anordnung mit mechani scher Schlittenhalterung (sechs sich jeweils paarweise gegenüberliegende Führungsflächen) deutlich vermindert ist.The slide is preferred on the guide rail wisely held by permanent magnets. That is enough a total of three guide surfaces to guide the sled, the friction compared to an arrangement with mechani shear carriage holder (six each in pairs opposite guide surfaces) significantly reduced is.

Der Schlitten ist mittels einer elektrisch angetrie benen Spindel in Längsrichtung verfahrbar, wobei die Schlittenposition durch eine Sensoreinrichtung erfaßt und an die Auswerteeinrichtung gemeldet wird. Die Sensor einrichtung kann ein mit der Spindel verbundener Winkel geber oder ein Linearmaßstab sein. Systematische Fehler beim Längspositionieren und beim Erfassen der Position können mittels einer in der Auswerteeinrichtung abgeleg ten Korrekturtabelle korrigiert werden. The carriage is electrically driven benen spindle movable in the longitudinal direction, the Carriage position detected by a sensor device and is reported to the evaluation device. The sensor device can be an angle connected to the spindle encoder or a linear scale. Systematic mistakes during longitudinal positioning and when registering the position can be stored in the evaluation device correction table.

Vorteilhafterweise ist die Belastungseinrichtung zur Erzeugung der Andruckkraft der Tastspitze an die Werk stückoberfläche elektrisch, vorzugsweise von einer Regel einrichtung steuerbar. Die Regeleinrichtung kann sowohl mit einer analog oder digital arbeitenden elektronischen Verarbeitungseinheit, als auch durch Software eines Rechners realisiert werden.The loading device is advantageously for Generation of the pressing force of the probe tip against the factory piece surface electrically, preferably by a rule device controllable. The control device can both with an analog or digital electronic Processing unit, as well as by software Be realized.

Die Belastungseinrichtung belastet den Tastarm mit einem Drehmoment, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Profilform, mit dem Ziel, eine konstante Kraft auf die Flächennormale des Werkstückes zu erhalten. Damit wird bei einfacher Bedienung die Präzision bei der Meßwert erfassung insgesamt erhöht.The loading device also loads the probe arm a torque, preferably depending on the Profile shape, with the aim of a constant force on the To maintain the surface normal of the workpiece. So that will with simple operation the precision in the measured value total registration increased.

Zusätzlich kann die steuerbare Belastungseinrichtung dazu verwendet werden, den Tastarm anzuheben und abzusen ken. Dies kann ohne die Verwendung von Federn oder Ge wichten erfolgen. Insbesondere ist es möglich, den Schwerpunkt der von dem Tastarm und der mit diesem ver bundenen Teilen gebildeten Einheit in die Drehachse zu legen. Dadurch ist ein lageunabhängiger Betrieb des Konturenmeßgerätes möglich. Es ist mit der elektrisch steuerbaren Belastungseinrichtung darüber hinaus möglich, durch Schwerpunktabweichungen hervorgerufene Kräfte zu kompensieren.In addition, the controllable loading device be used to raise and lower the probe arm ken. This can be done without the use of springs or Ge weighting done. In particular, it is possible to Focus of the of the probe arm and the ver with this tied parts formed unit in the axis of rotation lay. This means that the Contour measuring device possible. It's electric controllable load device also possible forces caused by center of gravity deviations compensate.

Obwohl die elektrisch steuerbare Belastungseinrich tung prinzipiell einen mechanischen Kraftgenerator bei spielsweise eine Feder, enthalten kann, deren Vorspannung mit einer elektrischen Stelleinrichtung verstellt wird, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform eine elektrische Krafterzeugungeinrichtung vorgesehen. Diese reagiert trägheitsarm oder -frei und ermöglicht ein Nachführen der elektrisch erzeugten Kraft gemäß erfaßter Werkstückparameter, wie Oberflächenprofil, Neigung der abgetasteten Fläche oder ähnlichem. Although the electrically controllable load device principally a mechanical power generator for example, a spring, may contain its bias is adjusted with an electrical control device, is an advantageous embodiment electrical power generating device provided. This reacts with little or no inertia and enables one Tracking the electrically generated force according to the detected Workpiece parameters such as surface profile, inclination of the scanned area or the like.

Als elektrischer Kraftgenerator kann ein auf den Tastarm einwirkender Linearmotor dienen. Mit diesem ist es möglich, ein ausreichendes, auf den Tastarm einwirken des Drehmoment zu erzeugen. In der speziellen Ausfüh rungsform weist die Kennlinie des Linearmotors trotz großem Hubes eine gute Linearität auf. Außerdem ist das erzeugte Streufeld gering.As an electric power generator, one can Serve as a linear arm acting on the probe arm. With this is it is possible to have a sufficient effect on the probe arm of torque to generate. In the special version The characteristic of the linear motor shows the shape large stroke has good linearity. Besides, that is generated stray field low.

Hinsichtlich der Herstellung des Linearmotors ist es vorteilhaft, wenn die Außenschenkel jeweils durch L-för mige Joche gebildet werden. Die Länge der Außenschenkel braucht in diesem Fall nicht auf die Länge des Mittel schenkels abgestimmt zu werden, wodurch sich die Ferti gung dank geringerer Präzisionsanforderungen vereinfacht.With regard to the manufacture of the linear motor, it is advantageous if the outer legs each by L-för yokes are formed. The length of the outer legs in this case does not need the length of the medium thighs to be tuned, whereby the ferti simplified thanks to lower precision requirements.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der zur Steuerung der Belastungseinrichtung verwendete Rech ner eine Korrektureinrichtung zum Ausgleich vorhandener, wenn auch geringfügiger Linearitätsabweichungen der Weg- Kraft-Kennlinie. Die Korrektureinrichtung kann durch einen speziellen Programmabschnitt des zur Regelung verwendeten Rechners gebildet sein. Korrekturdaten sind in einer entsprechenden Tabelle abgelegt. Bei Anwendung von analogen oder digitalen Regelschaltungen können gesonderte Kennliniengeneratoren oder Speicherbereiche mit Kennliniendaten verwendet werden. Die für die Tabelle erforderlichen Korrekturdaten können durch einen Testlauf von der Steuereinrichtung selbst bestimmt werden, indem beispielsweise an dem Tastarm ein Gewicht befestigt wird, das im Testlauf von der Belastungseinrichtung schritt weise angehoben und/oder abgesenkt wird.In an advantageous embodiment, the Rech used to control the loading device ner a correction device to compensate for existing albeit slight linearity deviations of the Force characteristic. The correction device can by a special section of the program for regulation used computer be formed. Correction dates are filed in a corresponding table. When using of analog or digital control circuits separate characteristic curve generators or memory areas can be used with characteristic data. The one for the table Correction data required can be obtained through a test run be determined by the control device itself by for example, a weight is attached to the probe arm, that stepped off the load device in the test run is raised and / or lowered wisely.

Die Steuer- und Regeleinrichtung erfaßt in einer einfachen Ausführungsform die Werkstückkontur und führt die Tastkraft entsprechend nach. Bei einer erweiterten Ausführungsform ist zur zusätzlichen Kompensation der von der Relativbewegung zwischen Tastelement und Werkstück induzierten Kräfte eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die die in Tastarmlängsrichtung wirkenden Kräfte erfaßt. Das von der Belastungseinrichtung erzeugte Drehmoment und die an dem Tastarm angreifende Zugkraft bestimmen die Kraft im Tastpunkt nach Betrag und Richtung vollständig. Die Regeleinrichtung steuert die von der Belastungsein richtung erzeugte Kraft in diesem Falle so, daß die im Tastpunkt vorhandene Kraft in Normalenrichtung zu der Werkstückoberfläche wenigstens näherungsweise konstant gehalten wird.The control and regulating device recorded in one simple embodiment the workpiece contour and leads the tactile force accordingly. With an extended Embodiment is for additional compensation of the relative movement between the probe element and the workpiece induced forces, a sensor device is provided which the forces acting in the longitudinal direction of the probe arm are detected. The torque generated by the load device and the tractive force acting on the probe arm determine the Force in the touch point completely by amount and direction. The control device controls the load direction generated force in this case so that the Force available in the normal direction to the Workpiece surface at least approximately constant is held.

Anstelle des wenigsten einen Meßwandlers sind vor zugsweise zwei Meßwandler vorgesehen, die über Drahtfe dergelenke mit einer Wippe zur Lagerung des Tastarmes verbunden sind. Dabei ist ein Meßwandler an einem Arm der Wippe und der andere Meßwandler an dem anderen Arm der Wippe befestigt. Die Abstände der Drahtfedergelenke von der Drehachse der Wippe stimmen miteinander überein. Die Drahtfedergelenke gestatten eine spielfreie Ankopplung der beispielsweise induktiven Meßwandler an die Wippe.Instead of the least a transducer are in front preferably two transducers are provided, which via wire joints with a rocker for mounting the probe arm are connected. There is a transducer on one arm of the Seesaw and the other transducer on the other arm of the Rocker attached. The distances of the wire spring joints from the axis of rotation of the rocker coincide with each other. The Wire spring joints allow a play-free coupling for example the inductive transducer on the rocker.

Zur Erkennung und Kompensation von unsystematischen Fehlern ist die Auswerteeinrichtung vorzugsweise so ausgebildet, daß die Summe der von den Meßwandlern gelie ferten Signale als Fehler und die Differenz als Meßsignal ausgewertet werden. Außerdem transformiert die Auswerte einrichtung das in Bogenkoordinaten vorliegende Meßsignal in kartesische Koordinaten.For the detection and compensation of unsystematic The evaluation device is preferably such errors trained that the sum of gelie by the transducers fer signals as errors and the difference as a measurement signal be evaluated. It also transforms the evaluations device the measurement signal present in arc coordinates in Cartesian coordinates.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand von Unteransprüchen.Other advantageous features are the subject of Subclaims.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the Invention illustrated. Show it:

Fig. 1 ein an einem Stativ gehaltenes Konturenmeßge rät, in perspektivischer und vereinfachter Übersichtsdarstellung, A advises Fig. 1 on a tripod held Konturenmeßge, in a perspective and simplified overview display

Fig. 2 das Konturenmeßgerät nach Fig. 1, von seiner Rückseite her gesehen, mit geöffnetem Gehäuse, in Perspektivdarstellung, Fig. 2, the Konturenmeßgerät according to Fig. 1, seen from its rear side, with the housing open, in perspective view,

Fig. 3 das Konturenmeßgerät nach Fig. 2, mit geöff netem Gehäuse, in einer Perspektivdarstellung schräg von unten mit Blick auf seine elektrisch gesteuerte, durch einen Linearmotor gebildete Belastungseinrichtung gesehen, Fig. 3, the Konturenmeßgerät of FIG. 2, with geöff NetEm housing in a perspective view obliquely from below in view of its electrically controlled formed by a linear motor load means seen

Fig. 4 die Belastungseinrichtung des Konturenmeßgerä tes nach Fig. 3, in Perspektivdarstellung, Fig. 4 shows the loading device of the Konturenmeßgerä tes according to Fig. 3, in perspective view,

Fig. 4A den Linearmotor der Belastungseinrichtung in einer schematisierten Seitenansicht, FIG. 4A the linear motor of the loading device in a schematic side view,

Fig. 5 eine Wippe zur Lagerung des Tastarmes des Kon turenmeßgerätes, in Perspektivdarstellung, Fig. 5 is a rocker for supporting the probe arm of the Kon turenmeßgerätes, in perspective view,

Fig. 6 die Wippe nach Fig. 5, mit Blickrichtung auf Kupplungseinrichtungen zur Ankopplung des Tast armes, Fig. 6, the rocker shown in FIG. 5, the arm facing the direction of coupling means for coupling the Tast,

Fig. 7 den Tastarm in einer Perspektivdarstellung auf seine Außenseite, Fig. 7 shows the probe arm, in a perspective representation on its outer surface

Fig. 8 den Tastarm in einer Perspektivdarstellung auf seine Innen- und Unterseite gesehen. Fig. 8 seen the probe arm in a perspective view of its inside and bottom.

Fig. 9 die Kräfteverhältnisse beim Abtasten einer Werkstückoberfläche sowie eine Auswerte- und Steuereinrichtung in grob schematisierter Dar stellung. Fig. 9 shows the force relationships when scanning a workpiece surface and an evaluation and control device in a roughly schematic Dar position.

description

In Fig. 1 ist ein Konturenmeßgerät 1 veranschau licht, das vertikal verschiebbar an einer Säule 2 eines mit einem Standfuß 3 auf einer Unterlage stehenden Sta tivs 4 gehalten ist. Das mittels einer Halterung 5 über eine Einstellvorrichtung 6 an der Säule 2 gelagerte Konturenmeßgerät 1 weist einen Tastarm 8 auf, der um eine Drehachse 9 schwenkbar gelagert und zum Vermessen von Oberflächenkonturen nicht weiter dargestellter Werkstücke in Richtung des Pfeiles 10 verschoben wird. Der Tastarm 8 weist an seinem freien Ende eine an ihrem unteren Ende geschärfte oder zugespitzte Tastspitze 11 auf.In Fig. 1, a contour measuring device 1 is illustrated light, which is held vertically displaceably on a column 2 of a base 4 with a base 3 on a base. The contour measuring device 1 , which is mounted on the column 2 by means of a holder 5 via an adjusting device 6, has a probe arm 8 which is pivotably mounted about an axis of rotation 9 and is displaced in the direction of arrow 10 for measuring surface contours of workpieces which are not shown in any more detail. The probe arm 8 has at its free end a probe tip 11 sharpened or tapered at its lower end.

Der Aufbau des Konturenmeßgerätes 1 geht im einzel nen aus den Fig. 2 und 3 hervor. Ein das Konturenmeßgerät 1 weitgehend einschließendes Gehäuse 12 ist hier zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus teilweise oder ganz abgenommen.The structure of the contour measuring device 1 is shown in detail in FIGS . 2 and 3. A housing 12 , which largely encloses the contour measuring device 1, is partially or completely removed here to illustrate the internal structure.

Der Tastarm 8 ist über ein an späterer Stelle be schriebenes und außerhalb des Gehäuses 12 angeordnetes Kupplungsmittel 14 lösbar mit einer drehbar um die Dreh achse 9 gelagerten Wippe 15 verbunden. Die Wippe 15 ist innerhalb des Gehäuses 12 mittels einer Linearführung 16 in Längsrichtung (Pfeil 10) verschiebbar gelagert.The probe arm 8 is releasably connected via a be written later and arranged outside the housing 12 coupling means 14 with a rotatable about the axis of rotation 9 mounted rocker 15 . The rocker 15 is mounted inside the housing 12 such that it can be displaced in the longitudinal direction (arrow 10 ) by means of a linear guide 16 .

Die Linearführung 16 weist eine Führungsschiene 17 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt auf, die zu gleich einen Grundträger des Konturenmeßgerätes 1 bildet und somit ortsfest gelagert ist. Die Führungsschiene 17 weist an ihrer unteren Schmalseite eine längsverlaufende plane Führungsfläche 18 auf, die im rechten Winkel zu einer ebenfalls längsverlaufenden, in unmittelbarer Nachbarschaft angeordneten, seitlichen Führungsfläche 19 angeordnet ist. Im Abstand zu der Führungsfläche 19 ist in der Nähe der Oberseite der Führungsschiene 17 eine weitere Führungsfläche 20 ausgebildet, die mit der Füh rungsfläche 19 in einer gemeinsamen Ebene liegt. Die der Lagerung eines Schlittens 23 dienenden Führungsflächen 18, 19, 20 sind in Längsrichtung der Führungsschiene 17 geschliffen und gestatten eine präzise Führung des Schlittens 23. Der Schlitten 23 steht über entsprechende Anlageelemente mit den Führungsflächen 18, 19, 20 in Berührung. Dabei wird der Schlitten 23 durch die Halte kraft nicht weiter dargestellter, an dem Schlitten 23 vorgesehener Permanentmagnete an der Führungsschiene 17 gehalten.The linear guide 16 has a guide rail 17 with an essentially rectangular cross section, which at the same time forms a base support of the contour measuring device 1 and is thus mounted in a stationary manner. The guide rail 17 has on its lower narrow side a longitudinal, flat guide surface 18 , which is arranged at right angles to a likewise longitudinal, side guide surface 19 arranged in the immediate vicinity. At a distance from the guide surface 19 , a further guide surface 20 is formed in the vicinity of the top of the guide rail 17 , which lies with the guide surface 19 in a common plane. The guide surfaces 18 , 19 , 20 used to support a slide 23 are ground in the longitudinal direction of the guide rail 17 and allow the slide 23 to be guided precisely. The carriage 23 is in contact with the guide surfaces 18 , 19 , 20 via corresponding contact elements. The carriage 23 is held by the holding force, not shown, provided on the carriage 23 permanent magnets on the guide rail 17 .

Der Schlitten 23 trägt die Wippe 15 mittels einer Schwenklagerung 24, die von zwei Kugellagern 25, 26 gebildet wird. Während das dem Tastarm 8 näherliegende Kugellager 26 in einer entsprechenden an dem Schlitten 23 vorgesehenen Halterung 27 bezüglich der Drehachse 9 axial verschiebbar gehalten ist, ist das Kugellager 25 an einer mit dem Schlitten 23 verbundenen federnden Zunge 28 gehalten. Die mittels einer durch die Kugellager 25, 26 führenden Welle gelagerte Wippe 15 ist somit in Bezug auf den Schlitten 23 in Richtung der Drehachse 9 seitlich verschiebbar. Der erzielbare Hub liegt im Bereich von wenigen Millimetern.The carriage 23 carries the rocker 15 by means of a pivot bearing 24 , which is formed by two ball bearings 25 , 26 . While the ball bearing 26 closer to the probe arm 8 is held axially displaceably with respect to the axis of rotation 9 in a corresponding holder 27 provided on the slide 23 , the ball bearing 25 is held on a resilient tongue 28 connected to the slide 23 . The rocker 15 supported by a shaft leading through the ball bearings 25 , 26 can thus be laterally displaced in the direction of the axis of rotation 9 with respect to the carriage 23 . The stroke that can be achieved is in the range of a few millimeters.

Durch die federnde Zunge 28 sind die Kugellager 25, 26 axial gegeneinander gespannt. Dadurch wird deren Lagerspiel für Meßbewegungen der Wippe 15 unwirksam gemacht, was die Meßgenauigkeit verbessert. Außerdem wird durch die federnde Lagerung ein Stoßschutz gegen bezüg lich der Kugellager 25, 26 axial auf die Wippe 15 ein wirkende Kräfte erhalten.Due to the resilient tongue 28 , the ball bearings 25 , 26 are axially clamped against each other. This makes their bearing play ineffective for measuring movements of the rocker 15 , which improves the measuring accuracy. In addition, a shock protection against bezüg Lich the ball bearings 25 , 26 axially on the rocker 15 an effective forces are obtained by the resilient mounting.

Die Wippe 15 weist einen außerhalb des Gehäuses 12 angeordneten Abschnitt 31, der der Aufnahme eines den Tastarm 8 haltenden Sockelgehäuses 32 dient, sowie einen in dem Gehäuse 12 liegenden Abschnitt 33 auf, der dreh fest mit dem Abschnitt 31 gekoppelt ist. Die Abschnitte 31, 32 sind miteinander mittels einer kurzen Welle ver bunden, die das Gehäuse 12 bei einem Längsschlitz durch greift. Der Abschnitt 33 der Wippe bildet einen zwei armigen Hebel, der mit seinem ersten Arm 34 mit einem ersten Meßwandler 35 in Verbindung steht. Der Abschnitt 33 steht mit seinem zweiten Arm 36 mit einem zweiten Meßwandler 37 in Verbindung. Die fest an dem Schlitten 23 gehaltenen Meßwandler 35, 37, sind induktive Wegaufnehmer mit bewegten Spulen 38, 39, die über flexible, als Gelen ke dienende Drahtfedern 41, 42 an entsprechenden Klemm einrichtungen 43, 44 der Wippe 15 (Abschnitt 33) gehalten sind.The rocker 15 has a section 31 arranged outside the housing 12 , which serves to receive a base housing 32 holding the probe arm 8 , and a section 33 lying in the housing 12 , which is rotatably coupled to the section 31 . The sections 31 , 32 are connected to one another by means of a short shaft which engages the housing 12 in a longitudinal slot. The section 33 of the rocker forms a two-armed lever which is connected with its first arm 34 to a first transducer 35 . The section 33 is connected with its second arm 36 to a second transducer 37 . The transducers 35 , 37 held firmly on the carriage 23 are inductive displacement transducers with moving coils 38 , 39 , which are held by flexible wire springs 41 , 42 serving as gels ke on corresponding clamping devices 43 , 44 of the rocker 15 (section 33 ) .

An dem Arm 36 der Wippe 15 greift der Abtrieb eines elektrischen Linearmotors 46 an, wie insbesondere aus den Fig. 5 und 6 hervorgeht. Der Abtrieb wird durch eine vorzugsweise auf einem Rechteckrahmen gewickelte Spule 47 gebildet, die über eine entsprechende Halterung starr mit dem Arm 36 verbunden ist. Der im einzelnen aus Fig. 4 ersichtliche Linearmotor 46 weist einen Stator 49 auf, der aus zwei U-förmig ausgebildeten Kernhälften 51, 52 und einem zwischen diesen gespannten Mittelschenkel 53 gebildet ist. Die mit ihren Schenkeln stirnseitig gegen einander gespannten Kernhälften 51, 52 spannen und halten den Mittelschenkel 53 zusammen, der durch zwei über ein quaderförmiges Flußleitstück 54 miteinander verbundene Permanentmagnete 55, 56 gebildet ist.The output of an electric linear motor 46 acts on the arm 36 of the rocker 15 , as can be seen in particular from FIGS. 5 and 6. The output is formed by a coil 47 , preferably wound on a rectangular frame, which is rigidly connected to the arm 36 via a corresponding holder. The linear motor 46 shown in detail in FIG. 4 has a stator 49 which is formed from two U-shaped core halves 51 , 52 and a central leg 53 stretched between them. The core halves 51 , 52 clamped against one another with their legs on the end face clamp and hold together the central leg 53 , which is formed by two permanent magnets 55 , 56 connected to one another via a cuboidal flux guide 54 .

Wie insbesondere aus Fig. 4A hervorgeht, sind die Permanentmagnete 55, 56 gegensinnig polarisiert, wodurch sich zwischen den Schenkeln der jeweiligen Kernhälfte 51, 52 und dem Mittelschenkel ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld ausbildet, dessen Feldlinien die Flanken der Spule 47 etwa rechtwinklig schneiden. Die Spule 47 sitzt mit einem deutlichen Spiel auf dem Mittelschenkel 53, so daß sie, ohne die Kernhälften 51, 52 oder den Mittel schenkel 53 zu berühren, eine Schwenkbewegung um die Drehachse 9 ausführen kann. Ein durch die Spule 47 flie ßender Strom verursacht im wesentlichen unabhängig von der Position der Spule 47 eine dem Betrag und der Rich tung des Stromes entsprechende Kraft F.As can be seen in particular from FIG. 4A, the permanent magnets 55 , 56 are polarized in opposite directions, as a result of which an essentially homogeneous magnetic field is formed between the legs of the respective core half 51 , 52 and the middle leg, the field lines of which intersect the flanks of the coil 47 approximately at right angles. The coil 47 sits with a clear play on the middle leg 53 so that it can perform a pivoting movement about the axis of rotation 9 without touching the core halves 51 , 52 or the middle leg 53 . A current flowing through the coil 47 causes a force F corresponding to the amount and the direction of the current, essentially independently of the position of the coil 47 .

Fig. 6 veranschaulicht insbesondere das Kupplungs mittel 14, das von dem Abschnitt 31 der Wippe 15 im Zu sammenwirken mit dem in Fig. 8 veranschaulichten Sockelgehäuse des Tastarmes 8 gebildet wird. Zu dem Kupp lungsmittel 14 gehören an dem Abschnitt 31 insgesamt drei Kupplungseinrichtungen 61, 62, 63, denen an dem Sockelge häuse 32 gehaltene Kugeln 65, 66, 67 (Fig. 8) zugeordnet sind. Fig. 6 illustrates in particular the coupling means 14 , which is formed by the portion 31 of the rocker 15 in cooperation with the base housing of the probe arm 8 illustrated in Fig. 8. To the coupling means 14 include a total of three coupling devices 61 , 62 , 63 on the section 31 , which housing 32 held on the base 32 balls 65 , 66 , 67 ( FIG. 8) are assigned.

Die Kupplungseinrichtung 61 ist eine Pfanne, deren konkav und sphärisch gewölbte Anlagefläche in Bezug auf die Kugel 66 konisch ist, oder die so ausgebildet ist, daß die Berührung zwischen Pfanne und Kugel auf drei Punkte reduziert ist. Es ergibt sich somit eine Linien- oder dreifache Punktberührung zwischen der Pfanne und der Kugel 66. Die Kugel 66 und die Pfanne legen die Position des Tastarmes 8 in Bezug auf die Wippe 15 in drei Frei heitsgraden K1, K2, K3 fest, die in Fig. 6 schematisch veranschaulicht sind.The coupling device 61 is a pan, the concave and spherically curved contact surface of which is conical with respect to the ball 66 , or which is designed such that the contact between the pan and the ball is reduced to three points. This results in a line or triple point contact between the pan and the ball 66 . The ball 66 and the pan define the position of the probe arm 8 in relation to the rocker 15 in three degrees of freedom K1, K2, K3, which are illustrated schematically in FIG. 6.

Die Kupplungseinrichtung 62 ist ein Prisma mit zwei im Winkel zueinander angeordneten Anlageflächen 68, 69, die im gekuppelten Zustand mit der Kugel 65 in Punkt berührung stehen. Die Verbindung der Kugel 65 und der Kupplungseinrichtung 62 koppelt den Tastarm 8 hinsicht lich zweier Schwenkrichtungen S1, S2 mit der Kugel 66 als Schwenkmittelpunkt an die Wippe 15.The coupling device 62 is a prism with two contact surfaces 68 , 69 arranged at an angle to one another, which are in point contact with the ball 65 in the coupled state. The connection of the ball 65 and the coupling device 62 couples the probe arm 8 with respect to two pivoting directions S1, S2 with the ball 66 as a pivot center to the rocker 15 .

Die der Kugel 67 zugeordnete Kupplungseinrichtung 63 ist eine Planfläche zur Anlage der Kugel 67 und zur Festlegung des Tastarmes 8 hinsichtlich eines letzten Freiheitsgrades D in Bezug auf die Wippe 15. Der Frei heitsgrad D ist eine Drehung des Tastarmes 8 und des Sockelgehäuses 32 um eine von den Kugeln 65, 66 defi nierte Linie oder Achse, die parallel zu der Längsachse des Tastarmes 8 verläuft und in der Nähe der Spitze des Taststiftes 11 an diesem vorbeigeht.The coupling device 63 assigned to the ball 67 is a flat surface for the contact of the ball 67 and for fixing the probe arm 8 with regard to a last degree of freedom D in relation to the rocker 15 . The degree of freedom D is a rotation of the probe arm 8 and the base housing 32 about a line or axis defined by the balls 65 , 66 , which runs parallel to the longitudinal axis of the probe arm 8 and passes near the tip of the stylus 11 .

Permanentmagnete 70a, 70b, die jeweils neben den Kupplungseinrichtungen 61, 62 angeordnet sind, dienen der lösbaren Halterung des Tastarmes 8 an der Wippe 15.Permanent magnets 70 a, 70 b, which are each arranged next to the coupling devices 61 , 62 , serve to releasably hold the probe arm 8 on the rocker 15 .

Das Sockelgehäuse 32 ist mit einer Durchgangsbohrung versehen in der ein Gegengewicht 71 gehalten ist, das in Längsrichtung einstellbar ist und das im Beispiel an der von dem Tastarm 8 abliegenden Seite aus dem Sockelgehäuse 32 ragt. Es ist in seiner Anordnung und Größe so bemes sen, daß der Gesamtschwerpunkt des Tastarmes 8, des Sockelgehäuses 32 und der Wippe 15 auf der Drehachse 9 liegt. Dies ist für jeden mit der Wippe 15 verbindbaren Tastarm der Fall, so daß die Tastarme beliebig austausch bar sind, ohne ein erneutes Justieren oder Einmessen des Konturenmeßgerätes zu erfordern.The base housing 32 is provided with a through hole in which a counterweight 71 is held, which is adjustable in the longitudinal direction and which in the example protrudes from the base housing 32 on the side remote from the probe arm 8 . It is so dimensioned in its arrangement and size that the overall center of gravity of the probe arm 8 , the base housing 32 and the rocker 15 lies on the axis of rotation 9 . This is the case for each probe arm that can be connected to the rocker 15 , so that the probe arms can be exchanged as desired without requiring a new adjustment or measurement of the contour measuring device.

Zum Antrieb des Schlittens 23 in Längsrichtung der Führungsschiene 17 ist ein aus Fig. 3 ersichtliches Spin delgetriebe vorgesehen. Zu diesem gehört eine endseitig jeweils in Lagerblöcken 73, 74 drehbar und axial unver schiebbar gelagerte Gewindespindel 75, die mittels eines Elektromotors angetrieben ist. An einem Ende ist ein Winkelgeber 76 (Encoder) zur Erfassung der Drehung der Gewindespindel 75 angeordnet. Auf der Gewindespindel 75 sitzt eine Mutter 77, die über eine sich radial von der Gewindespindel 75 weg erstreckende, nicht weiter darge stellte Stelze an den Schlitten 23 gekoppelt ist. Ein Stift 77a greift zur Drehmomentabstützung mit Axialspiel in eine Öffnung einer an dem Schlitten 23 gehaltenen Verbindungslasche 78.To drive the carriage 23 in the longitudinal direction of the guide rail 17 , a spin del gear shown in FIG. 3 is provided. This includes a threaded spindle 75 which is rotatably and axially non-displaceably mounted at the ends in each of bearing blocks 73 , 74 and is driven by means of an electric motor. An angle encoder 76 (encoder) for detecting the rotation of the threaded spindle 75 is arranged at one end. On the threaded spindle 75 sits a nut 77 which is coupled to the carriage 23 via a radially extending from the threaded spindle 75 away, not further Darge presented stilt. A pin 77 a engages for torque support with axial play in an opening of a connecting bracket 78 held on the carriage 23 .

Zur Verbindung der Meßwandler 35, 37, des Linearmo tors 46, des Motorantriebes für die Spindel 75 sowie des Winkelgebers 76 mit einer entsprechenden Schnittstelle eines Computers ist eine entsprechende, auf einer Leiter karte 80 angeordnete Stecker- oder Buchsenleiste 81 vorgesehen, deren Anschlüsse über ein Flachbandkabel 82 zu dem Schlitten 23 sowie über weitere Leitungen zu dem Winkelgeber 76 geführt sind.To connect the transducer 35 , 37 , the Linearmo tor 46 , the motor drive for the spindle 75 and the angle encoder 76 with a corresponding interface of a computer, a corresponding on a circuit card 80 arranged plug or socket 81 is provided, the connections of which Ribbon cables 82 are guided to the carriage 23 and via further lines to the angle encoder 76 .

Das insoweit beschriebene Konturenmeßgerät 1 arbei tet wie folgt:
Ausgehend von der in Fig. 1 veranschaulichten Posi tion steuert ein an das Konturenmeßgerät 1 angeschlosse ner, nicht weiter dargestellter Rechner zunächst den Linearmotor 46 so an, daß der Taststift 11 mit seiner Spitze auf das zu vermessende Werkstück aufgesetzt und mit einer vorgegebenen Kraft angedrückt wird. Die Größe der Kraft wird von einem Block V bestimmt. Dieser wird durch einen Speicherbereich und/oder einen Programmab schnitt eines Programmes gebildet, das in dem an dem Konturenmeßgerät 1 angeschlossenen Rechner abläuft.The contour measuring device 1 described so far works as follows:
Based on the position illustrated in FIG. 1, a controller connected to the contour measuring device 1 , not shown, first controls the linear motor 46 in such a way that the stylus 11 is placed with its tip on the workpiece to be measured and pressed on with a predetermined force . The size of the force is determined by a block V. This is formed by a memory area and / or a program section of a program that runs in the computer connected to the contour measuring device 1 .

Der Vorgabewert wird in einem Komparator oder Ver gleichsblock K mit einem Korrekturwert verglichen, den ein Speicherblock S vorgibt. Der Speicherblock S verfügt über Daten, die aus vorangegangenen Messungen gewonnen sind. Sind noch keine vorangegangenen Messungen erfolgt, ist der Speicherblock leer und die Daten sind Null. In diesem Fall gibt der Komparatorblock ein der Vorgabekraft entsprechendes Signal über einen Kennlinienblock 85 an den Linearmotor 46 ab. Der Kennlinienblock 85 enthält die inverse Kennlinie des Linearmotors 46, so daß sicherge stellt ist, daß der Kraftwert dem Vorgabewert entspricht.The default value is compared in a comparator or comparison block K with a correction value that a memory block S specifies. The memory block S has data obtained from previous measurements. If no previous measurements have been made, the memory block is empty and the data is zero. In this case, the comparator block outputs a signal corresponding to the specified force to the linear motor 46 via a characteristic block 85 . The characteristic curve block 85 contains the inverse characteristic curve of the linear motor 46 , so that it is ensured that the force value corresponds to the preset value.

Der Rechner setzt nun über nicht weiter dargestellte Verbindungen den Antriebsmotor der Spindel 75 in Bewe gung, wodurch der Taststift 11 über die Werkstückober fläche gleitet. Der Positionswert in Bewegungsrichtung wird von dem Winkelgeber 76 an einen Block P/K gemeldet, der der Umwandlung von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten dient. Ebenso werden die von den Meßwandlern 35, 37 abgegebenen Signale als Summen- und Differenzsi gnale an den Block P/K gemeldet. Während das Summensignal einem Fehler entspricht, der durch Lagerspiele oder ähnliches hervorgerufen sein kann, entspricht das Diffe renzsignal der Auslenkung des Tastarmes. Das um den Fehler korrigierte Summensignal wird von dem Block P/K umgewandelt und bei A als Signal in kartesischen Koor dinaten ausgegeben.The computer now sets the drive motor of the spindle 75 in motion via connections not shown, whereby the stylus 11 slides over the workpiece surface. The position value in the direction of movement is reported by the angle transmitter 76 to a block P / K, which is used to convert polar coordinates into Cartesian coordinates. Likewise, the signals emitted by the transducers 35 , 37 are reported to the block P / K as sum and difference signals. While the sum signal corresponds to an error that may be caused by bearing play or the like, the difference signal corresponds to the deflection of the probe arm. The sum signal corrected for the error is converted by the block P / K and output at A as a signal in Cartesian coordinates.

Die Umwandlung der in Polarkoordinaten gewonnenen Meßwerte in kartesische Koordinaten erfolgt elektronisch ohne Zuhilfenahme mechanischer Mittel. Die Meßgenauigkeit ist gegenüber mechanisch wandelnden Meßgeräten erhöht.The conversion of those obtained in polar coordinates Measured values in Cartesian coordinates are carried out electronically without the aid of mechanical means. The measurement accuracy is increased compared to mechanically converting measuring devices.

Der Speicherblock S überwacht den Signalverlauf und bestimmt daraus einen Steigungswert für die Werkstück oberfläche. Gelangt die Tastspitze 11 bspw. in einen Bereich größeren Anstiegs, reduziert sich die von der Tastspitze 11 auf die Werkstückoberfläche ausgeübte Normalkraft F_N bei gleichbleibender Andruckkraft F_T. Der Speicherblock stellt die positive Steigung fest und gibt ein entsprechendes Signal an den Komparatorblock, der zum Erzielen des gewünschten Normalkraftwertes einen erhöhten Kraftwert vorgibt und über den Kennlinienblock 85 an den Linearmotor 46 sendet. Dieser Wert basiert aufwenigen zuvor gewonnenen Meßwerten. Damit ist die Normalkraft F_N jeweils nach wenigen, Bruchteile eines Millimeters bei einanderliegenden Meßpunkten auf ihren Sollwert eingere gelt.The memory block S monitors the signal curve and uses it to determine a slope value for the workpiece surface. If, for example, the probe tip 11 reaches a region of greater increase, the normal force F _N exerted by the probe tip 11 on the workpiece surface is reduced while the pressure force F _T remains the same. The memory block determines the positive slope and sends a corresponding signal to the comparator block, which specifies an increased force value to achieve the desired normal force value and sends it to the linear motor 46 via the characteristic block 85 . This value is based on a few previously obtained measured values. Thus, the normal force F _N is entered after a few, fractions of a millimeter at mutually adjacent measuring points to their target value.

Ebenso reduziert sich die von dem Taststift 11 auf die Werkstückoberfläche ausgeübte Normalkraft F_N bei unveränderter, von dem Linearmotor 46 ausgeübter Kraft F_T in Gefällestrecken. Auch diese werden jedoch von dem Speicherblock S durch Vergleich aktueller Meßwerte mit vorausliegenden Meßwerten erkannt, und eine entsprechende Erhöhung der Kraft des Linearmotors 46 wird angewiesen. Dadurch erhöht sich die Normalkraft F_N auf ihr Sollmaß. Likewise, the normal force F _N exerted by the stylus 11 on the workpiece surface is reduced with unchanged force F _T exerted by the linear motor 46 on downhill gradients. However, these too are recognized by the memory block S by comparing current measured values with previous measured values, and a corresponding increase in the force of the linear motor 46 is instructed. This increases the normal force F _N to its nominal size.

Ist die gewünschte Wegstrecke mit dem Taststift 11 abgefahren, befindet sich der Schlitten 23 bspw. in seiner hinteren Anschlagposition (in Fig. 3 ganz links). Der Linearmotor 46 wird nun so angesteuert, daß der Taststift 11 von der Werkstückoberfläche abhebt, und der Schlitten 23 wird im Schnellgang in seine Ausgangsposi tion zurückgefahren. Es kann nun erneut eine Messung vorgenommen werden.When the desired distance has been traveled with the stylus 11 , the carriage 23 is, for example, in its rear stop position (on the far left in FIG. 3). The linear motor 46 is now controlled so that the stylus 11 lifts off the workpiece surface, and the carriage 23 is moved back to its original position in overdrive. A measurement can now be carried out again.

Durch die genannte Beeinflussung der Antastkraft wird die Meßgenauigkeit erhöht und Fehlereinflüsse oder -quellen werden beseitigt. Der Linearmotor 46 arbeitet erschütterungsfrei, so daß keine die Messung störenden Vibrationen von ihm ausgehen.By influencing the probing force, the measuring accuracy is increased and error influences or sources of errors are eliminated. The linear motor 46 operates without vibration, so that it does not emit any vibrations that disturb the measurement.

Die durch den Rechner gebildete elektronische Ver arbeitungseinheit kann außerdem zur Korrektur oder Besei tigung von mechanischen Ungenauigkeiten der von der Spindel 75, dem Schlitten 23 und der Führungsschiene 17 gebildeten Linearführung dienen. Beispielsweise können Fehler auftreten, infolge derer die von dem Winkelgeber 76 gelieferten Signale nicht genau proportional zu einem zurückgelegten Weg des Schlittens 23 sind. Solche Fehler können infolge von Fertigungstoleranzen der Spindel 75 oder der Mutter 77 als periodische Abweichungen oder Schwankungen auftreten.The electronic processing unit formed by the computer can also serve to correct or remove mechanical inaccuracies of the linear guide formed by the spindle 75 , the slide 23 and the guide rail 17 . For example, errors can occur as a result of which the signals supplied by the angle transmitter 76 are not exactly proportional to a distance traveled by the carriage 23 . Such errors can occur as periodic deviations or fluctuations due to manufacturing tolerances of the spindle 75 or the nut 77 .

Zur Kompensation ist dann ein nicht weiter veran schaulichter Programmabschnitt vorgesehen, der die Ab weichungen in einem Testlauf des Konturenmeßgerätes 1 bestimmt und abspeichert. Die abgespeicherten Werte dienen bei Meßvorgängen der Korrektur der von dem Winkel geber 76 gelieferten Werte bei der Umrechnung in die entsprechende kartesische Koordinate.For compensation, a program section which is not further illustrated is then provided, which determines and saves the deviations in a test run of the contour measuring device 1 . The stored values are used in measurement processes to correct the values supplied by the angle encoder 76 when converting them into the corresponding Cartesian coordinate.

Der Testlauf beruht bspw. darauf, daß der Rechner die von dem Winkelgeber 76 gelieferten Daten mit Soll werten vergleicht. Dies kann erfolgen, indem nacheinander eng beieinanderliegende Punkte einer Lehre angetastet werden, die als Sollwerte dem Rechner als Datei zur Verfügung stehen. Die Differenz zwischen den Werten der Datei und den Meßwerten des Winkelgebers ergibt Fehler daten, die abgespeichert und zur späteren Korrektur von Meßwerten genutzt werden.The test run is based, for example, on the fact that the computer compares the data supplied by the angle encoder 76 with target values. This can be done by touching closely together points of a gauge that are available to the computer as a file as setpoints. The difference between the values in the file and the measured values of the angle encoder results in error data which are stored and used for later correction of measured values.

Kommt es beim Messen oder beim schnellen Vorschub des Tastarmes 8 zu einer Kollision zwischen Taststift 11 und Werkstück, d. h. überschreitet die auf den Tastarm 8 einwirkende Kraft einen Maximalwert, wird die Haltekraft der das Sockelgehäuse 32 an dem Abschnitt 31 haltenden Dauermagnete überschritten und das Sockelgehäuse 32 trennt sich von dem übrigen Konturenmeßgerät 1. Dies ist unabhängig von der Richtung der auf den Tastarm 8 ein wirkenden Kraft, so daß die Wippe 15 und die mit ihr verbundenen Teile wirksam vor Beschädigung infolge von Überlastung (Kollisionen) geschützt sind. Dies erhöht die Bedienungssicherheit. Selbst eine unmittelbar auf den Abschnitt 31 der Wippe 15 einwirkende Kraft wird durch die federnde und bewegliche Lagerung der Kugellager 25, 26 gepuffert. Bei einer mittig an dem Abschnitt 31 an greifenden, diesen nach unten drückenden Kraft löst sich der magnetisch an der Führungsschiene 17 angefederte Schlitten 23 von dieser, so daß ebenfalls eine Ausweich bewegung zustande kommt.If there is a collision between the stylus 11 and the workpiece during measurement or during rapid advancement of the stylus arm 8 , ie if the force acting on the stylus arm 8 exceeds a maximum value, the holding force of the permanent magnets holding the base housing 32 on the section 31 is exceeded and the base housing 32 separates from the rest of the contour measuring device 1 . This is independent of the direction of the force acting on the probe arm 8 , so that the rocker 15 and the parts connected to it are effectively protected against damage due to overload (collisions). This increases operational safety. Even a force acting directly on the section 31 of the rocker 15 is buffered by the resilient and movable mounting of the ball bearings 25 , 26 . With a center on the section 31 engaging, this pushing down force releases the magnetically sprung on the guide rail 17 carriage 23 from this, so that an evasive movement also occurs.

Ein Konturenmeßgerät 1 weist einen Tastarm 8 auf, der an einem Schlitten 23 einer Linearführung 16 schwenk bar gelagert ist. Der Schlitten ist an der Linearführung mittels der Haltekraft von Permanentmagneten gehalten und über einen rechnergesteuerten Linearantrieb längsverfahr bar. Eine elektrische, vorzugsweise ebenfalls von dem Rechner gesteuerte Belastungseinrichtung, im konkreten Falle ein elektrischer Linearmotor 46, dient der Beauf schlagung des Tastarmes 8 mit einer Tastkraft (Drehmo ment), die an den jeweiligen Betriebsfall auch während des Abtastvorganges anpaßbar ist. Ein Meßwandlerpaar erfaßt die Verschwenkung des Tastarmes und liefert ent sprechende Signale an den Rechner. Dieser kann bedarfs weise Korrekturtabellen zur Linearisierung der Kennlinie des Linearmotors sowie der Meßwandler und Abweichungen der Schlittenposition (Spindelfehler) und Abweichungen der Geradheit der Führung (Krümmung der Führungsflächen 18, 19, 20) enthalten. Zur Erhöhung der Robustheit des Konturenmeßgerätes 1 ist der Tastarm 8 mittels einer magnetisch haltenden Kupplungseinrichtung 14 an die an dem Schlitten 23 gehaltene Wippe 15 gekoppelt.A contour measuring device 1 has a probe arm 8 which is pivotally mounted on a slide 23 of a linear guide 16 . The slide is held on the linear guide by means of the holding force of permanent magnets and can be moved longitudinally via a computer-controlled linear drive. An electrical, preferably also controlled by the computer loading device, in the specific case an electric linear motor 46 , serves the application of the probe arm 8 with a probe force (torque), which can be adapted to the respective operating case even during the scanning process. A pair of transducers detects the pivoting of the probe arm and delivers appropriate signals to the computer. If necessary, this can contain correction tables for linearizing the characteristic of the linear motor and the transducers and deviations in the slide position (spindle error) and deviations in the straightness of the guide (curvature of the guide surfaces 18 , 19 , 20 ). To increase the robustness of the contour measuring device 1 , the probe arm 8 is coupled to the rocker 15 held on the carriage 23 by means of a magnetically holding coupling device 14 .

Claims

1. Contour measuring device for the two-dimensional detection of surface contours of workpieces,
with a housing ( 12 ),
with a with respect to an axis of rotation ( 9 ) pivotally mounted probe arm ( 8 ), at one end a Tastkör by ( 11 ) can be fastened and with at least one transducer ( 35 ) for converting the deflection of the probe arm ( 8 ) into an electrical signal is coupled
with a loading device ( 46 ) for loading the probe arm ( 8 ) with a torque of the probe body ( 11 ) pressing on the workpiece surface, the loading device ( 46 ) being designed such that the force it generates (F _T ) is electrically controllable ,
with a rocker arm ( 15 ) supporting the probe arm, which has an outer one arranged outside the housing ( 12 ) and holding the probe arm ( 8 ). Section ( 31 ) and a section ( 33 ) which is arranged in the housing ( 12 ) and is rotatably mounted on a linear guide ( 16 ) and which is coupled in a rotationally fixed manner to the outer section ( 31 ), and
with an outside of the housing ( 12 ) on the outer portion ( 31 ) of the rocker ( 15 ) arranged coupling means ( 14 ), via which the probe arm ( 8 ) is detachably connected to the rocker ( 15 ) and one from outside the housing ( 12 ) accessible separation point defined.

2. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the coupling means ( 14 ) is formed in such a way that it separates at an angrei fenden on the probe arm ( 8 ), a maximum force exceeding force any direction.

3. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the coupling point defining the coupling means ( 14 ) include a first, a second and a third coupling device ( 61 , 62 , 63 ) which are spaced from each other, and that the first Coupling device ( 61 ) defines the probe arm ( 8 ) with respect to three degrees of freedom (K1, K2, K3), while the second coupling device ( 62 ) defines the probe arm ( 8 ) in two further degrees of freedom (S1, S2) and the third coupling device ( 63 ) defines a degree of freedom (D).

4. Contour measuring device according to claim 3, characterized in that the first and the second clutch device ( 61 , 62 ) define a straight line which runs parallel to the probe arm ( 8 ).

5. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the coupling means ( 14 ) is held in its coupling position by magnets.

6. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that at the separation point from the rest of the contour measuring device ( 1 ) separable probe arm with respect to its by a bearing device ( 25 , 26 ) of the Konturenmeßgerä tes ( 1 ) fixed axis of rotation ( 9 ) is balanced, so that the center of gravity of the probe arm ( 8 ) and with this pivotable parts ( 15 ) on the axis of rotation ( 9 ) of the probe arm ( 8 ) is arranged.

7. contour measuring device according to claim 1, characterized in that the rocker ( 15 ) is mounted by means of two spaced apart ball bearings ( 25 , 26 ).

8. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the axis of rotation ( 9 ) is arranged at a fixed distance from the at least one transducer ( 35 ).

9. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the transducer ( 35 ) on one side of the axis of rotation ( 9 ) is connected to the rocker ( 15 ), and that a second transducer ( 37 ) on the with respect to the axis of rotation ( 9 ) opposite side is connected to the rocker ( 15 ).

10. Contour measuring device according to claim 9, characterized in that the transducers ( 35 , 37 ) are connected via articulated joints ( 41 , 42 ) with the rocker ( 15 ).

11. Contour measuring device according to claim 9, characterized in that the transducers ( 35 , 37 ) are connected to an evaluation device which is designed such that the sum of signals emitted by the transducers is defined as an error, and that the difference from the Signals of the transducers ( 35 , 37 ) forms a measurement signal.

12. Contour measuring device according to claim 11, characterized in that the evaluation device is set up to convert the signals delivered by the measuring transducers ( 35 , 37 ), the measured value in arc coordinates to convert signals into Cartesian coordinates.

13. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the linear guide ( 16 ) has a carriage ( 23 ) which is mounted on a guide rail ( 17 ) longitudinally displaceable.

14. Contour measuring device according to claim 13, characterized in that the guide rail ( 17 ) has a substantially rectangular cross section and has three longitudinally extending guide surfaces ( 18 , 19 , 21 ).

15. Contour measuring device according to claim 13, characterized in that the carriage ( 23 ) on the guide rail ( 17 ) is held by permanent magnets.

16. Contour measuring device according to claim 13, characterized in that the carriage ( 23 ) is connected to an electrical drive device and a sensor device ( 76 ) for position detection.

17. Contour measuring device according to claim 16, characterized in that the sensor device ( 76 ) is connected to a correction device for the compensation of linearity errors.

18. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the loading device ( 46 ) is an electrical force generating device.

19. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the loading device ( 46 ) is a limited pivoting range permitting Elektromo gate, which is designed as a linear motor ( 46 ), the output ( 47 ) with a lever arm connected to the probe arm ( 8 ) ( 36 ) is connected.

20. Contour measuring device according to claim 19, characterized in that the linear motor ( 47 ) has a core arrangement with a central leg ( 53 ) and two outer legs ( 51 , 52 ) which is excited by means of permanent magnets ( 55 , 56 ) in such a way that between the respective outer leg ( 55 , 56 ) and the inner leg ( 53 ) forms a magnetic air gap field, and that the central leg ( 53 ) is surrounded by a coil ( 47 ) forming the output.

21. Contour measuring device according to claim 20, characterized in that the middle leg ( 53 ) has two oppositely polarized permanent magnets ( 55 , 56 ).

22. Contour measuring device according to claim 20, characterized ge indicates that the outer legs are depending on each other because opposite and aligned pens kel two U-shaped yokes are formed.

23. Contour measuring device according to claim 20, characterized ge indicates that the outer legs each by a Legs of an L-shaped yoke are formed.

24. Contour measuring device according to claim 1, characterized in that the loading device ( 46 ) is controlled by a control or regulating device.

25. Contour measuring device according to claim 24, characterized ge indicates that the control device from a computer is formed.

26. Contour measuring device according to claim 25, characterized in that the control and regulating device has a correction device (K) for position dependencies of the characteristic of the loading device ( 46 ).

27. Contour measuring device according to claim 26, characterized ge indicates that the correction device (K) in correction table stored on the computer.

28. Contour measuring device according to claim 27, characterized characterized in that the computer via a program for Determination of the correction table in a test run ver adds.

29. Contour measuring device according to claim 24, characterized in that the control and regulating device is designed such that the normal direction of the workpiece surface acting force by appropriate control of the loading device ( 46 ) based on the workpiece contour detected by the transducer ( 35 , 37 ) is kept at least approximately constant.

30. Method for measuring workpiece contours,
in which a probe element is guided over the workpiece surface along a predetermined path,
in which the deflection of the probe element is converted into measured values and
in which the contact force of the probe element acting on the workpiece surface in the normal direction to the workpiece surface is adjusted during the probe operation on the basis of the measured values obtained.