DE2631960A1

DE2631960A1 - Sondentraeger fuer einen verschiebungsmesswandler

Info

Publication number: DE2631960A1
Application number: DE19762631960
Authority: DE
Inventors: John W Grass; John E Hart; Richard B Zipin
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Warner and Swasey Co
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-02-10
Also published as: GB1548018A; FR2319114A1; US3991477A; CA1051193A; FR2319114B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sondenträger für einen Verschiebungsmeßwandler, bei dem ein optisches Bezugs- und ein optisches Indexgitter so angebracht sind, daß sie sich in parallelen Ebenen relativ zueinander bewegen können, wobei sie in einer festen Relativorientierung zueinander verbleiben.

Es handelt sich um ein Gerät, bei dem in einer Sonde ein Verschiebungsmeßwandler der elektro-optischen Art angebracht ist. Dabei werden optische Gitter verwendet, die ein Interferenzmuster (bekannt als Moire-Streifen) erzeugt wird. Dieses verschiebt sich bei einer Relativbewegung zwischen den beiden Gittern. Auf diese Weise ergibt sich eine Sonde, die eine begrenzte Bewegung in einer Ebene ausführen kann und vom Sondenwandler selbst erfaßt wird.

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Verschiebungsmeßwandler, die mit Moire-Streifen arbeiten, haben sich aus verscHedenen Gründen eines beträchtlichen Erfolges bei Koordinaten-Meßmaschinen erfreut. Diese Maschinen haben üblicherweise die Form einer Sondenwelle, die so gehaltert ist, daß sie eine lineare Bewegung entlang einer ersten (Z-)Achse und eine lineare Bewegung entlang einer zweiten (Y-)Achse orthogonal zur ersten Achse auf einem Wagen ausführen kann. Dieser wiederum ist so gehaltert, daß er eine Bewegung entlang einer dritten (X-) Achse ausführen kann, die orthogonal zur ersten und zweiten Achse ist.

Die Bewegung entlang jeder Achse wird mittels eines Moire-Streifenwandlers erfaßt. Das heißt, ein Gitter ist an jedem Trägerteil befestigt und so ausgerichtet, daß es sich mit diesem bewegt. Ein Indexteil wird von dem gehalterten Teil getragen und so angeordnet, daß sich die beschriebenen Moire-Streifen ergeben.

Aus verschiedenen Gründen, die dem Fachmann bekannt sind, soll die Sondenwelle häufig eine Sonde tragen, die eine begrenzte, erfaßte Bewegung in einer Ebene senkrecht zu ihrer Achse ausführen kann, und zwar unabhängig von den Bewegungsexnrichtungen, die Inder oben beschriebenen Trägerstruktur enthalten sind. Es wäre zwar von Vorteil, wenn diese Bewegung durch einen ähnlichen Moire-Streifenwandler erfaßt werden könnte, der in der Sonde mitgeführt wird. Die erzeugten Signale könnten nämlich direkt von der vorhandenen Systenelaktronik verwendet werden. Es hat bisher jedoch noch keine solche Anordnung gegeben, die so kompakt war, daß sie innerhalb der Abmessungen der Sonde mitgeführt werden konnte. -3-

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Beispielsweise ist im US-Patent 3 184 _;€OÖ eine, zweiachsige Wandleranordnung gezeigt, welche bei Bewegung der Sonde in -einer Ebene ein ünpüTsartiges Ausgangs signal erzeugt. Sie -verwendet dabei ein verhältnismäBig massives mechanisches Gestänge^ um die richtige Orientierung der Achsen aufrecht zu erhalten. Dieser liösungsweg ist in diesem Zusammenhang nicht gangbar. Zusätzlich ist es bei diesem Gestänge schwierig, genau die Orientierung des Bezugs- und des Indexstücks, die von der Sonde getragen werden, aufrecht zu erhalten. ■ ₃ .

Außerdem kann die richtige Orientierung und der richtige Abstand des Index- und des Bezugsgitters beim Anstoßen oder Fallenlassen der Sonde in dieser Anordnung gestört werden.

Schließlich muß das Trägersystem bei diesen Anordnungen ziemlich reibungsfrei sein, da eine Reibung leichte strukturelle Verbiegungen erzeugt, die ihrerseits wieder zu Meßfehlern führen.

Es ist daher Aufgäbe der vorliegenden Erfindung, einen Träger für ein Index- und ein Bezugsgitter zu schaffen, welcher die Bewegung in einer Ebene zuläßt, hinreichend kompakt ist, so daß er in solchen Sonden verwendet werden kann, und der genau die richtige Orientierung und den richtigen Abstand der Gitter aufrecht erhält, auch wenn unabsichtlich die Sondenspitze überlastet wird, was die Ausrichtung der Gitter beeinflussen könnte.

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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen erläutert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Sonde, welche von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Sonde, die in Fig. 1 dargestellt ist, gemäß Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Aufsicht auf den zweiachsigen Wandler, der in der Sonde enthalten ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Wandlers, der in Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie 5-5 in Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie 6-6 in Fig. 3; Fig. 7 einen Schnitt gemäß Linie 7-7 in Fig. 3;

Fig. 8 eine Teilansicht, gesehen in Richtung der Pfeile 8-8 in Fig. 3.

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Die in Fig. 1 gezeigte Sonde 10 enthält einen Halsabschnitt 12, der an der Sondenwelle der (nicht gezeigten) Koordinatenmeßmaschine angebracht werden kann. Sie enthält außerdem ein Gehäuse 14, welches den zweiachsigen, hiernach zu beschreibenden Wandler enthält. Ebenfalls enthalten ist eine Sondenspitze 16, die sich bezüglich zum Rest der Sonde über einen kleinen Bereich bewegen kann und Signale erzeugt, die dieser Bewegung entsprechen. Dabei berührt sie das Werkstück über eine austauschbare Probenspitze (nicht gezeigt), welche der besonderen Untersuchungsaufgäbe angepaßt ist.

Fig. 2 zeigt im Teilschnitt einen Abschnitt der Sondenspitze. Sie enthält einen zweiachsigen Wandler 18, der im Gehäuse 14 gehaltert und an die Sondenspitze 16 über eine Kupplung 20 gekoppelt ist, die ebenfalls am Gehäuse 14 befestigt ist.

In den Fign. 3-8 ist der zweiachsige Wandler 18 von Fig. 2 getrennt von der Probe 10 gezeigt; auf diese Weise läßt er sich deutlicher beschreiben.

Das Grundprinzip dieses zweiachsigen Wandlers ist in der US-Patentanmeldung Nr. 526 778 vom 25. November 1974 beschrieben. Dieses Grundprinzip beinhaltet die Verwendung zweier optischer Gitter, eines Indexgitters 21 und eines Bezugsgitters 22. Diese sind an Strukturen befestigt, die eine begrenzte Relativbewegung in parallelen Ebenen senkrecht zur Sondenachse ausführen können. Diese begrenzte Bewegung ist so beschränkt, daß die Relativ-

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orientierung der Strukturen in einer Stellung fixiert bleibt, in der Moire-Streifenmuster entsprechend der Bewegung in orthogonalen Richtungen in der Bewegungsebene erzeugt werden. Diese Muster werden erfaßt; elektrische Signale, die hierzu entsprechen, werden erzeugt.

Wie ausführlicher in der oben erwähnten Anmeldung erläutert wird, ist der Träger des Index- und des Bezugsgitters, mit dem die richtige Orientierung des Bezugs- und des Indexgitters aufrecht erhalten werden soll, ein kritisches Element dieses Geräts. Ein solcher Träger ist Gegenstand eines Aspekts der vorliegenden Erfindung.

Diese Anordnung besteht aus dem Bezugsgittertrager 24 und dem Indexgitterträger 26. Der Bezugsgittertrager 24 enthält zwei in Abstand befindliche Teile, nämlieh eine Bezugsgitterhalteplatte 30 und eine Bezugsgitterkappe 32, die miteinander durch Bezugsgitterpfosten 34 und 36 verbunden sind. Diese verlaufen zwischen diesen Teilen und sind an beiden Teilen befestigt.

Der Indexgitterträger 26 enthält in ähnlicher Weise zwei in Abstand befindliche Teile, nämlieh die Indexgitterplatte 38 und die Indexgitterschwenkplatte 50. Diese sind miteinander durch zwei Indexgitterpfosten 52 und 54 verbunden, die zwischen diesen Teilen verlaufen und an beiden Teilen befestigt sind. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, ist jeweils eines der Bezugsgitter- und Indexgitterteile zwischen das andere Paar der Bezugsgitter- oder Indexgitterteile gelegt. Das heißt, die Be-

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liegt zwischen Indexgitterplatte 38 zügsgitterhalteplatte 30/und der Indexgitterschwenkplatte 50,

j während die Indexgitterschwenkplatte 50 zwischen der Bezugsgitterhalteplatte 30 und der Bezugsgitterkappe 32 liegt. Auf _; diese Weise werden der Bezugsgitterträger 24 und der Index;- ; gitterträger 26 durch die entsprechenden Pfosten wirksam mit- \ einander verbunden.

Das Bezugs- und das Indexgitter 21 bzw, 22 sind an entsprechenden_f einander gegenüberliegenden Flächen an einem entsprechenden, zwischenliegenden Bezugsgitterteil, nämlich der Bezugsgitterhalteplatte 30, und an einem entsprechenden, nicht zwischenliegenden Indexgitterteil, nämlich an der Indexplatte 38, befestigt. An der Indexgitterplatte 38 ist der Indexgitterhalter 40 befestigt; auf diese Weise liegen die Gitter richtig nebeneinander, so daß sie das Interferenzmuster ergeben.

Der Indexgitterhalter 40trägt außerdem einen Fotodetektor 42, der so angeordnet und eingerichtet ist, daß er das Streifenmuster erfaßt und entsprechende elektrische Signale über ein Kabel zur Stromversorgung und zur signalverarbeitenden Schaltungsanordnung 46 liefert. Diese Signale werden weiter an die Meßmaschinenelektronik und -anzeige 48 übertragen. Die Indexgitterschwenkplatte 50 trägt eine Lichtquelle 56, die so angeordnet ist, daß sie das Index- und das Bezugsgitter 20 bzw. 22 in bekannter Weise beleuchtet. Diese Lichtquelle wird über das Kabel 44 gespeist, welches die Verbindung mit der Stromversorgung und ; der signalverarbeitenden Schaltungsanordnung 46 herstellt.

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* Ein Träger für den Einbau in das Sondengehäuse 14 wird durch j ein V-Brückenteil 58 gebildet, das zwischen den ineinander verschachtelten Bezugsgitter- und Indexgitterteilen, nämlich der Bezugsgitterhalteplatte 30 und der Indexgitterschwenkplatte 5O, verläuft. Dieses ist so befestigt, daß es bezüglich zum Sondengehäuse 14 stationär ist. Dies geschieht mittels vier radialer Vorsprünge 64, 66, 68 und 70, die so ausgebildet sind, daß sie in Schlitzen 71 des Sondengehäuses 14 aufgenommen werden und dorr durch Kopfschrauben 73 befestigt werden.

Eines der ineinander verschachtelten Bezugsgitter- oder Indexgitter-Teile, nämlich die Indexgitterschwenkplatte 50, liegt gegen das V-Brückenteil 58 über die Fläche 59 an, so daß es relativ hierzu in Richtung axial nach unten feststeht (vgl. Fig.5), während die seitliche Bewegung durch einen Vorsprung 60 verhindert wird, der an der Schwenkplatte 50 ausgebildet ist. Eine relative Drehbewegung wird durch die Einstellschrauben 72 und 74 verhindert, welche den Indexgitterpfosten 52 berühren. Diese Anordnung ermöglicht außerdem die Einstellung der Winkelorientierung zwischen dem Indexgitterträger 26 und dem V-Brückenteil 58 aus Gründen, die hiernach beschrieben werden. Eine Relativbewegung nach oben wird durch einen Anschlag an einem Querschlitten 28 verhindert, der hiernach beschrieben wird. Dieser Anschlag wird ^: aufrecht erhalten durch die sandwichartige Anordnung zwischen der Bezugsgitterhalteplatte 30 und der Bezugsgitterkappe 32.

Der Querschlitten 28 enthält einen ersten Satz paralleler V-Nuten ! 76, 78, 80 und 82, die auf der unteren Fläche der Bezugsgitterhalteplatte 30 ausgebildet sind. Ein zweiter Satz paralleler

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V-Nuten 84, 86, 88 und 90 ist auf der oberen Fläche des V-Brückenteils 58 ausgebildet. Diese V-Nutensätze verlaufen orthogonal zueinander. Außerdem ist in dem Querschlitten ein zwischenliegendes Trennteil 92 enthalten. Dieses besitzt obere V-Nuten 94, 96, 90 und 100, die parallel zu den V-Nuten 76, 78, 80 und 82 und neben diesen liegen. Es besitzt außerdem die unteren V-Nuten 102, 104, 106 und 108, die parallel zuden V-Nuten 84, 86, 88 und 90 und neben diesen liegen.

Der Querschlitten 28 enthält weiter acht Lagerkugeln 110, von denen jeweils eine in jedem der nebeneinanderliegenden V-Nutensätze angeordnet ist, zusammen mit den Kugelkäfigen 112 und 114, welche die Kugeln 110 halten.

Auf diese Weise ermöglicht der Querschlitten 28, daß der Bezugsgitterträger 24 sich in einer Ebene parallel zum Bezugsgitter und zum Indexgitter 22 in fester Winkelorientierung bezüglich zum Indexgitterträger 26 bewegen kann. Dabei wird eine Zwangsführung vom zwischenliegenden Trennteil 92 und dem V-Brückenteil 58 ausgeübt.

Die Winkelfeineinstellung des V-Brückenteils 58 bezüglich zum Indexgitterträger 26 geschieht durch die Stellschrauben 72 und 74, welche den Indexpfosten 52 berühren. Damit wird der Neigungswinkel zwischen dem Bezugsgitter 22 und dem Indexgitter 21 richtig eingestellt, so daß sich ein Moire-Streifenmuster der ; richtigen Größe ergibt, das sowohl zur Größe des Fotodetektors paßt als auch den Phasenwinkel fein abstimmt. Es ist zu er- ξ

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kennen, daß die Einstellung der relativen Drehposition zwischen Bezugsgitter- und Indexgitterträger, wie beschrieben, möglich wird, indem der Bezugsgitterhalter 30 durch den Querschlitten 28 so geführt wird, daß er in fester Winkelorientierung zum V-Brückenteil 58 und nicht direkt zum Indexgitterträger 26 bleibt.

Das Endglied, mit dem diese verschiedenen Elemente axial bezüglich zueinander zusammengehalten werden und doch die Bewegung ermöglicht wird, wird von dem Drucklager 62 gebildet, welches zwischen dem anderen nicht zwischenliegenden Bezugsgitter- oder Indexgitterteil (Bezugsgitterkappe 32) und dem einen zwischenliegenden Bezugsgitter- oder Indexgitterteil (Indexgitterschwenkplatte 50) liegt. Eine geeignete Vorbelastung des Drucklagers 62 kann erhalten werden, indem die Pfosten 34 und 36 geschliffen werden.

Diese Bauweise ist offensichtlich sehr kompakt und doch sehr effektiv beim Aufrechterhalten der richtigen Winkelbeziehung, auch wenn Torsionsbelastungen auf die Sonde ausgeübt werden, welche diese Strukturen relativ zueinander um die Sondenachse zu drehen suchen.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Bezugsgitterkappe 32 torsionsmäßig niit dem Kupplungsteil 118 verbunden. Dieses besitzt einen einstückigen pfostenartigen Abschnitt 116, der in einer Bohrung 120 in der Bezugsgitterkappe 32 mittels einer federbelasteten Kugel 122 aufgenommen wird. Diese wird in der Bezugsgitterkappe 32 getragen und liegt gegen einen Schlitz 124 an, der in den pfostenartigen Abschnitt 116 eingearbeitet ist.

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Diese Anordnung bildet eine Einrichtung, mit der die Sondenspitze 16, die an dem Kupplungsteil 118 befestigt ist, wie dies anhand des zweiachsigen Wandlers 18 gezeigt ist, winkelmäßig positioniert werden kann. Gleichzeitig wird die übertragung beträchtlicher Torsionslasten verhindert, die dazu führen würde, daß die Ausrichtung der beschriebenen optischen Gitter zerstört würde.

Das Kupplungsteil 118 ist axial bezüglich zum Gehäuse 14 mittels einer Druckplatte 126 gehaltert. Diese ist, wie gezeigt, am Sondengehäuse 14 befestigt und zwischen zwei Drucklagern 128 und 130 angeordnet, die von einem Rücksprung 132 aufgenommen werden. Dieser Rücksprung wird von einer Deckplatte 134 gebildet, die

: an dem Kupplungsteil 118 und der daran ausgebildeten Schulter 136 befestigt ist. Diese Anordnung bildet (zusammen mit der Anordnung aus Kugel 122 und Schlitz 124) eine Einrichtung, welche

j die Sondenspitze 16 so trägt, daß sie eine reibungslose Bewegung parallel zur Bewegungsebene des zweiachsigen Wandlers 18 ausführen kann, wobei gleichzeitig die übertragung axialer Lasten

ί von der Sondenspitze 16 zum zweiachsigen Wandler 18 verhindert

wird und die vom Kreuzschlitten 28 zugelassene begrenzte Bewegung ermöglicht wird.

j Die relativ großen Drucklager 128 und 130 tragen das Gewicht der ^ Sondenspitze 16, so daß das kleinere Drucklager 62 und der Quer- j schlitten 28 nicht belastet sind. Auf diese Weise wird weiter ; zur reibungslosen Bewegung der Sondenspitze 16 beigetragen. j

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Eine selbstzentrierende Vorspannanordnung wird durch die vier Federn 138 und vier Tauchkolben 140 gebildet, die von der Kupplung 20 getragen werden. Sie berühren die Seitenwand 142 einer Bohrung 144, die in der Druckplatte 126 ausgebildet ist.

Es ist also zu erkennen, daß eine kompakte und wirkungsvolle Anordnung geschaffen wurde, mit der die richtige räumliche Beziehung zwischen Indexgitter und Bezugsgitter bei der Bewegung der Sonde 10 aufrecht erhalten wird und welche diese Struktur an die Sondenspitze so ankoppelt, daß sie sich relativ reibungslos bewegen kann, ohne daß diejenigen Kräfte übertragen werden könnten, welche zur Fehlausrichtung dieser Struktur führen könnten.

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Claims

P ATEN T AN SP RÜ C H E

.J Sonden träger für einen Verschiebungs-Meßwandler, bei dem ein optisches Bezugsgitter und ein optisches Indexgitter so angebracht sind, daß sie sich in parallelen Ebenen relativ zueinander bewegen können, wobei sie in fester Relativorientierung zueinander verbleiben, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält: Einen Bezugsgitterträger (24) und einen Indexgitterträger (26), die jeweils aus zwei in Abstand befindlichen, parallelen Platten (30, 32, 38, 50) gebildet werden, welche durch zwei Pfosten (34,36,52,54) verbunden sind, wobei die zwei Träger wie zwei Kettenglieder ineinander greifen und eine Anordnung bilden, bei der eine Platte von einem Träger zwischen den beiden Platten des anderen Trägers liegt und bei der die zwischenliegende Platte von einem Träger benachbart der nicht-zwischenliegenden Platte des anderen Trägers ist; ein V-Brückenteil (58), welches die Pfosten (52,54) von einem Träger (28) berührt und so befestigt ist, daß es bezüglich zur Sonde (10) stationär ist und den Winkelabstand zwischen den Pfosten (34, 36,52,54) aufrecht erhält, wobei dieses V-Brückenteil (58) zwischen den beiden zwischenliegenden Platten (24,50) in Berührung mit einer dieser Platten (24) angeordnet ist; einen Querschlitten (28), der zwischen der anderen zwischenliegenden Platte (50) und dem V-Brückenteil (58) angeordnet ist und eine begrenzte Relativbewegung zwischen den Trägern (24,26)

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in Ebenen parallel zu den Platten ermöglicht, v/obei die optischen Gitter (21,22) anden gegenüberliegenden Flächen von einem Paar der entsprechenden zwischenliegenden und nicht zwischenliegenden benachbarten Platten (24,38) getragen werden, während ein Element (62) mit geringer Reibung zwischen die Platten (32,50) des anderen Paars benachbarter Platten eingefügt ist.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das V-Brückenteil (58) Mittel (74) zur Einstellung des Winkelabstands der Pfosten (34,36,52,54) und damit der Relativorientierung der optischen Gitter (21,22) enthält.
3. Einrichtung zur Kupplung des Trägers nach den vorhergehenden Ansprüchen an die Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kupplungsteil (118) einerseits mit der nichtzwischenliegenden Platte (50) des Trägers verbunden ist, die mit dem Element (62) geringer Reibung zusammenwirkt, und andererseits mit der Sonde (10) über ein Drucklager (128 -130) verbunden ist, welches eine Relativbewegung in einer Ebene parallel zur Bewegungsebene, die vom Querschlitten (28) geschaffen wird, ermöglicht .

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L e e r s e i t e