DE3828713C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächenkontor-Meßtastereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind bisher Oberflächenkontur-Meßgeräte von derarti­ gem Kontakttyp bekannt, bei denen jeweils eine Oberflä­ chenkontur-Meßtastereinrichtung bzw. ein Taststift an einem CNC-Koordinatenmeßinstrument oder dgl. befestigt ist und ein Meßelement (Meßfühler, Taster, Sonde, Tast­ kopf) dieser Tastereinrichtung wird auf einer Oberfläche eines Werkstückes in Gleitkontakt mit dieser bewegt, wobei eine Oberflächenkontur des Werkstückes (des Objek­ tes, das gemessen werden soll) kontinuierlich abgetastet und meßtechnisch erfaßt wird.

Bisher sind im allgemeinen die Oberflächenkontur-Meß­ tasteinrichtungen dieses Typs von einem Aufbau derart, daß ein X-Schlitten, Y-Schlitten und Z-Schlitten, die in den Richtungen der jeweils zugehörigen Achsen bewegbar sind, jeweils abfolgend an einem Grundkörper gelagert sind, der fest an einem CNC-Koordinatenmeßinstrument oder dgl. befestigt ist, wobei ein Meßelement an einem dieser Schlitten befestigt ist, das Meßelement so gela­ gert ist, daß es jeweils in Richtungen dieser drei Achsen, die einander senkrecht in bezug auf den Grund­ körper schneiden, bewegbar ist und eine Nullage-Halte­ einrichtung für die Zurückführung des Meßelementes in die neutrale Nullage in bezug auf den Grundkörper, d. h. den jeweiligen Ursprung der X-, Y- und Z-Achse vorgese­ hen ist, wirksam für den Fall, daß das Meßinstrument nicht mit dem Werkstück in Berührung ist. Zum Beispiel sind in einer Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung, wie sie in der US-PS 38 69 799 beschrieben ist, die je­ weiligen Schlitten durch parallele Federn getragen, wo­ bei Bewegungen der jeweiligen Schlitten in den Richtun­ gen ihrer jeweils zugehörigen Achsen durch die paralle­ len Federn gestattet werden, die Meßkräfte der Schlitten festgelegt sind und außerdem eine Nullstellungs-Halte­ einrichtung vorgesehen ist, um das Meßelement in den Achsenursprung zurückzustellen bzw. zu halten. Bei einer derartigen Einrichtung ist jedoch der Nachteil aufgetre­ ten, daß ein Fehler in Richtung der Z-Achse, erzeugt in­ folge einer Streuung in der Positioniergenauigkeit, zu beträchtlich nichtlinearen Kennwerten und einer großen Deformation bei der Montage und Befestigung der paralle­ len Federn führen, wodurch die richtungsabhängigen Eigenschaften des Meßgerätes sich in den Meßwerten wie­ derspiegeln. Im Gegensatz hierzu ist in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-50007 eine verbesserte Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung vor­ geschlagen worden, bei der in Richtung der X-, Y- und Z-Achse stabilisierte Meßkräfte (Kontaktkräfte) oder Bewegungseigenschaften erreicht wurden, das Meßelement leicht in die Nullage zurückgeführt werden konnte und die Nachlaufeigenschaften der Meßeinrichtung auf der Oberfläche des Werkstückes verbessert sind, indem hier­ bei die parallelen Federn entfernt sind, die jeweiligen Schlitten abfolgend und gleitbar in den Richtungen, die aufeinander senkrechtstehend gelagert sind und die Null­ stellungs-Halteeinrichtung durch Rückstellfedern gebil­ det wird, so daß die eingangs beschriebenen Nachteile vermieden werden konnten.

Jedoch können mit einer herkömmlichen Oberflächenkontur- Meßtastereinrichtung und selbst mit einer verbesserten Meßtastereinrichtung, wie sie gerade erläutert wurde, neuere Anforderungen, derart, daß die Tastereinrichtung möglichst kompakt ausgeführt sein soll und ein geringes Gewicht aufweisen soll sowie eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen soll, nicht hinreichend erfüllt werden.

Im einzelnen sind die Schlitten abfolgend angeordnet und in Richtung der Achsen, die einander senkrecht schneiden, bewegbar, d. h. ein sogenanntes Dreistufen- oder Dreietagen-Aufbausystem (pile-up-system) wird ange­ wandt, wodurch die Tastereinrichtung großvolumig wird und die Nachteile aufweist, daß nicht nur eine beträcht­ liche Belastung auf die Oberflächenkontur-Meßeinrich­ tung, die die Tastereinrichtung aufnimmt und die vom Kontakttyp ist, übertragen wird, sondern daß auch der effektive, zur Verfügung stehende Meßraum vermindert wird und die Meßeffizienz verschlechtert, wodurch Meßungen an bestimmten kleinen Werkstücken nicht ausge­ führt werden können.

Die Nullagen-Halteeinrichtung ist zwischen den Schlitten eingesetzt oder an den äußeren Umfangsabschnitten der Schlitten vorgesehen, so daß die Tastereinrichtung in ihrem Bauvolumen noch weiter vergrößert wird.

Wenn die Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung groß­ bauend ist, tritt das Problem auf, daß die Leistungs­ fähigkeit der Tastereinrichtung selbst nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöht werden kann. Durch den vorerwähnten Aufbau in drei übereinander befindlichen Ebenen werden die Belastungen der Schlitten mit Ausnahme desjenigen in der unteren Stufe oder Ebene erhöht, wo­ durch Unterschiede in den Bewegungseigenschaften zwi­ schen den Schlitten auftreten, so daß die Richtungs­ eigenschaften und die Richtungsabhängigkeit der gemesse­ nen Werte groß wird. Die Rückstellkräfte für die Null­ stellungs-Halteeinrichtung sollten groß gewählt sein, so daß hierdurch Schwierigkeiten auftreten derart, daß es schwierig ist, die Meßkräfte zu vermindern, leicht Meß­ fehler auftreten und es unmöglich ist, die Kontur eines Kunststoffteiles oder dgl. zu messen. Außerdem muß die Endbearbeitungsgenauigkeit der Teile sehr hoch sein, um die Schlitten glatt und leicht gleitbar aneinander zu führen und miteinander zu verbinden, wodurch ein hoher Arbeits- und Zeitaufwand für die Herstellung, Montage und Justierung der Teile erforderlich ist, so daß die Produktivität verhältnismäßig niedrig ist. Außerdem enthält im allgemeinen die Nullstellungs-Halteeinrichtung eine Rückstelleinrichtung in einer horizontalen Ebene und einer Rückstelleinrichtung in einer vertikalen Ebene zur Rückstellung in den Koordinatenursprung, wodurch die beiden Einrichtungen in ihrem Aufbau großvolumig sind, so daß beide Einrichtungen sich in Konstruktion, Be­ lastung und Federkraft unterscheiden, so daß demzufolge Streuungen und Ungenauigkeiten in den Richtungseigen­ schaften auftreten, wodurch schwierige Probleme, wie z. B. Eigenschwingungen, hervorgerufen werden.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist mit der DE-PS 31 49 278 bekannt geworden. Bei dieser bekannten Meßtasteinrichtung ist eine Pinole vorgesehen, die an ihrem vorderen Ende eine Meßtastspitze trägt und die in einem Gehäuse axial beweglich gelagert ist. Die Meßtasteinrichtung weist einen Bund auf, zwischen dessen axialer Stirnseite und einer Gegenfläche eine Zwischenscheibe angeordnet ist, die mit ihrer einen Stirnseite formschlüssig längsbeweglich auf der ihr zugewandten Gegenfläche und mit der gegenüberliegenden Stirnseite formschlüssig längsbeweglich auf der ihr zugewandten axialen Stirnseite des Bundes geführt ist. Die beiden Längsführungen sind rechtwinklig zueinander angeordnet und erlauben somit die Bewegung der Meßtasteinrichtung in X-Richtung und Y-Richtung. Die Bewegung in Z-Richtung wird durch die Axialbewegung der Pinole im Gehäuse erreicht.

Einen weiteren Tastkopf für eine Meßmaschine zeigt die DE-OS 34 12 302. Bei diesem Tastkopf sind drei Geradführungssysteme für die X-, Y- und Z-Richtung vorgesehen, wobei zur Gewichtskompensation jedes einzelnen Geradführungssystemes Federnpaare vorgesehen sind. Die Verschiebung in den einzelnen Achsrichtungen erfolgt mittels eines Federparallelogrammes.

Die DE-AS 22 07 270 zeigt eine Vorrichtung zur Übertragung der Bewegung eines Tasters auf mindestens zwei Koordinatenachsen. Auch hier sind, wie bei der vorgenannten Druckschrift, kombinierte, elastisch deformierbare Parallelogramme vorgesehen, durch die die Verschiebung des Meßtasters entlang den Koordinatenachsen erfolgt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung zu schaffen, die einen geringvolumigen, kompakten Aufbau besitzt, ein geringes Gewicht aufweist und sehr gute Richtungs- und Meßeigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.

Zu bevorzugende Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die obenerwähnten, herkömmlichen Schwierigkeiten durch den Aufbau der Schlitten in einem dreistufig übereinander­ geschichteten System bedingt sind.

Erfindungsgemäß wird daher vorgesehen, daß zwei Schlitten direkt an dem Grundkörper so gelagert sind, daß sie gleitbar geführt und positionsregelbar angeord­ net sind, so daß die eingangs erwähnten Schwierigkeiten vermieden werden.

Nach der vorliegenden Erfindung mit dem vorerwähnten Aufbau, bei dem der Z-Schlitten, der an dem X-Schlitten­ (oder dem Y-Schlitten) gelagert ist, in Richtung der Z-Achse bewegbar ist, wird das Meßelement, das an dem Z-Schlitten befestigt ist, in Kontakt mit dem Werk­ stück gebracht und, wenn der Grundkörper und das Werk­ stück relativ zueinander bewegt werden, gleiten der X- Schlitten und der Y-Schlitten, die direkt an dem Grund­ körper gelagert sind, in Richtung der X- und Y-Achsen, während sie in ihrer Position in Richtung der Z-Achse reguliert sind, so daß das Meßelement veranlaßt werden kann, leicht und glatt in den Richtungen der drei Achsen in bezug auf den Grundkörper zu gleiten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Oberflächen­ kontur-Meßtastereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Meßtaster­ einrichtung nach Fig. 1 in Seitenansicht entlang der Linie II-II nach Fig. 1.

Ein bevorzugtes Beispiel der Oberflächenkontur-Meß­ tastereinrichtung, nachfolgend Tastereinrichtung ge­ nannt, wird hieran anschließend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert.

Die Tastereinrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel besteht im wesentlichen aus einem Grundkörper 10, einem X-Schlitten 20, einem Y-Schlitten 40, einem Z-Schlitten 50, einer Nullstellungs-Halteeinrichtung und einer Ver­ lagerungs-Erfassungseinrichtung 80 und ist von einem derartigen Aufbau, daß ein zweistufiges Aufbausystem (pile-up-system) angewandt wird, bei dem der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 direkt an dem Grundkörper 10 gelagert sind und der Z-Schlitten 50 auf dem X-Schlitten 20 gelagert ist und die Nullstellungs-Halteeinrichtung in den jeweiligen Schlitten aufgenommen ist, so daß die Tastereinrichtung leicht ist und eine geringvolumige, kompakte Größe besitzt.

Nachfolgend werden die Teile im einzelnen beschrieben.

Der Grundkörper 10 ist an einem bewegbaren Teil eines Oberflächenkontur-Meßgerätes vom Kontakttyp befestigt und enthält eine Kopfplatte 11, Seitenplatten 19 l und 19 r und eine Bodenplatte 17, so daß innerhalb des Grundkörpers 10 ein hohler Abschnitt 15 gebildet ist, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Im ein­ zelnen wird der hohle Abschnitt 15 durch ein Paar paralleler Flächen gebildet bzw. begrenzt, mit einer Führungsfläche 16 u der Kopfplatte 11 und einer Führungs­ fläche 16 d der Bodenplatte 17, die in Richtung der Z- Achse voneinander beabstandet sind. Der hohle Abschnitt 15 ist zur Kupplung mit einem Gleitteil 31, das einen Teil des X-Schlittens 20 bildet, und mit Gleitteilen 46 l und 46 r, die Teile des Y-Schlittens 40 bilden, vorge­ sehen.

Führungsflächen 14 l und 14 r sind an der Außenfläche eines aufrechten Teiles 13 der Kopfplatte 11 vorgesehen. Diese Führungsflächen 14 l und 14 r sind in anstoßendem Berührungskontakt mit Gleitflächen 43 l und 43 r, wie in Fig. 2 gezeigt, um hierdurch die Bewegung des Y-Schlittens 40 in Richtung der X-Achse zu regulieren. Folglich sind, ohne daß auf die herkömmliche Konstruktionsweise zurückgegriffen würde, bei der der Y-Schlitten 40 beweg­ lich auf dem X-Schlitten 20 oder umgekehrt, der X-Schlitten 40 beweglich auf dem Y-Schlitten 40 gelagert ist, die beiden Schlitten 20 und 40 direkt und gleitbar an dem Grundkörper 10 geführt und überdies in ein und derselben Horizontalebene bewegbar, so daß zumindest eine Verminderung der Längsausdehnung in Richtung der Z-Achse erreicht werden kann. Im Mittelabschnitt der Kopfplatte 11 ist ein Innengewinde 12 vorgesehen, und eine Durchgangsausnehmung 18 ist im Mittelabschnitt der Bodenplatte 17 ausgenommen.

Der X-Schlitten 20 enthält: einen prismatischen Haupt­ körper 21, ein Gleitteil 31, das mit einem Kopfabschnitt dieses Hauptkörpers 21 verschraubt ist, ein Abdeckteil 35, das an einem Bodenabschnitt des Hauptkörpers 21 an­ geschraubt ist. Das Gleitteil 31 ist kuppelnd in den hohlen Abschnitt 15 des Grundkörpers 10 eingesetzt, wo­ bei die eine Gleitfläche 32 u des Gleitteiles 31 in engem Kontakt mit der Führungsfläche 16 u und eine Gleitfläche 32 d des Gleitteiles 31 in engem Kontakt mit der Füh­ rungsfläche 16 d ist. Folglich ist, wenn Druckluft von einem Luftrohr 90, befestigt an dem Grundkörper 10, um ein pneumatisches Lager zu bilden, die beiden Flächen 16 u und 16 d beaufschlagt, das Gleitteil 31 (der X-Schlitten 20) in Richtung der Z-Achse unbeweglich fest­ gelegt und in Richtung der X-Achse bewegbar. Folglich ist das Gleitteil 31 auch in Richtung der X-Achse in seinem Bezug auf den Schlitten 40 bewegbar. Ein quadra­ tischer bzw. viereckiger hohler Abschnitt 23 erstreckt sich durch den Mittelabschnitt des Hauptkörpers 21 in Richtung der Z-Achse. In dem hohlen Teil 23 sind Führungsflächen 24 a bis 24 d an vier Innenflächen ausge­ bildet, und Druckluft wird plötzlich in den Hohlraum 23 von einem Luftrohr 21 her eingeführt. Ein zylindrischer Abschnitt 36 erstreckt sich aufwärts am Mittelabschnitt des Abdeckteiles 35, das mit dem Bodenabschnitt des Hauptkörpers 21 verschraubt ist.

Andererseits enthält der Y-Schlitten 40: ein Paar Kopf­ platten 41 l und 41 r, die einander gegenüberliegen und zwischen sich den Grundkörper 10 in Richtung der Y-Achse einschließen, ein Paar Bodenplatten 49 l und 49 r (die Platte 49 r ist nicht gezeigt), und Seitenplatten 45 l und 45 r, die diese Kopfplatten mit der Bodenplatte (gebildet durch ein Paar, das zwischen sich den Grundkörper 10 in Richtung der X-Achse einschließt) verbindet, wobei ihre Ebenheiten kreuzförmig angeordnet sind. Dann ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein Gleitteil 46 l, das den hohlen Abschnitt 15 des Grundkörpers 10 in Richtung der X-Achse durchdringt und in diesem gekuppelt ist, zwischen den Seitenplatten 45 l vorgesehen, und in gleicher Weise ist ein Gleitteil 46 r zwischen den Seitenplatten 45 r vorge­ sehen. Diese Gleitteile 46 l und 46 r sind in ihrer Ab­ messung in Richtung der Z-Achse gleich denjenigen des Gleitteiles 31 des X-Schlittens 20 und schließen zwi­ schen sich das Gleitteil 31 in Richtung der Y-Achse durch das pneumatische Lager ein, das durch die Luft­ zuführung von dem Luftrohr 91 her gebildet wird. An der Kopfseite der Gleitteile 46 l und 46 r sind Gleitflächen 47 u ausgebildet und an der Bodenseite der Gleitteile 46 l und 46 r sind Gleitflächen 47 d ausgebildet. Demzufolge kann sich dann, wenn Druckluft von dem Luftrohr 90 zu dem Führungsflächen 16 u und 16 d des Grundkörpers 10 ge­ führt wird, um ein pneutmatisches Lager zu bilden, der Y-Schlitten 40 nicht in Richtung der Z-Achse bewegen, jedoch kann sich der Schlitten mit geringer Reibung in Richtung der Y-Achse bewegen.

Infolgedessen wird eine Lageregulierung des Y-Schlittens 40 in Richtung der X-Achse durch Zusammenwirken der Füh­ rungsflächen 14 l und 14 r, die an der Außenfläche der aufstrebenden Abschnitte 13 des Grundkörpers 10 vorge­ sehen sind, und den Gleitflächen 43 l und 43 r erreicht. Pneumatische Lager sind an der Führungsfläche 14 l und 14 r ausgebildet und gestatten dem X-Schlitten 40, sich glatt in Richtung der Y-Achse zu bewegen.

Weiterhin wird der Z-Schlitten 50, an dessen bodenseiti­ gem Ende ein Meßelement 58 (mit einer Sonde 59) durch einen Halter 57 befestigt ist, durch einen prismatischen Hauptkörper 51 gebildet, der mit einem hohlen Rohrab­ schnitt 55 von kreisförmigem Querschnitt versehen ist. Eine obere Öffnung 53 ist am oberen Ende des Z-Schlittens 50 vorgesehen. Vier Umfangsseitenflächen des Haupt­ körpers 51 bilden Gleitflächen 52 a bis 52 d, die den Füh­ rungsflächen 24 a bis 24 d des X-Schlittens 20 entspre­ chen. Im einzelnen ist der Z-Schlitten 50 in dem X-Schlitten 20 gekuppelt und kann sich in Richtung der Z-Achse mit niedriger Reibung durch ein pneumatisches Lager bewegen, das durch Druckluft gebildet wird, die von dem Luftrohr 21 zugeführt wird. Der quadratische bzw. viereckige hohle Abschnitt 23 des X-Schlittens 20 und der prismatische Hauptkörper 51 des Z-Schlittens 50 wirken in einer Drehsperrfunktion zusammen, so daß der X-Schlitten 20 sich nicht um die Z-Achse des Z-Schlittens 50 drehen kann.

Wie oben erläutert, ist sowohl der X-Schlitten 20 als auch der Y-Schlitten 40 direkt an dem Grundkörper ge­ führt und gelagert, und der Z-Schlitten 50 ist auf dem X-Schlitten 20 geführt und gelagert, wodurch dann, wenn eine Vorspannkraft von dem Werkstück infolge einer Ände­ rung in seiner Formgestalt auf das Meßelement 58 ausge­ übt wird, das Meßelement 58 in den Richtungen der drei Achsen verlagert, und die Verschiebungs- bzw. Verlage­ rungswerte des Meßelementes 58 werden in Form von Bewe­ gungswerten der jeweiligen Schlitten erfaßt. Zu diesem Zweck ist eine Verlagerungs-Erfassungseinrichtung 80 vorgesehen, die einen X-Sensor, Y-Sensor und einen Z-Sensor enthält. Der X-Sensor wird durch eine Skala 82, befestigt an dem Grundkörper 10, und einen Detektor 83, befestigt an einem vorspringenden Abschnitt 26 des X-Schlittens 20 gebildet. Der Y-Sensor wird durch eine Skala 85, befestigt an einem nach oben aufrecht vor­ springenden Abschnitt 42 des Y-Schlittens 40, und einen Detektor, befestigt an einem vorspringenden Abschnitt 13 des Grundkörpers 10, gebildet. Der Z-Sensor wird durch eine Skala 88, integral befestigt an dem X-Schlitten 20, und einen Detektor 89, befestigt an dem Z-Schlitten 50, durch ein Lagerteil 56, das eine Öffnung 25 des X-Schlittens 20 von innen nach außen durchdringt, gebil­ det. Alle diese Sensoren sind von der Art photoelektri­ scher Sensoren.

Weiterhin ist die Nullstellung-Halteeinrichtung eine Einrichtung, um beständig eine bestimmte Position des Meßelementes 58 in bezug auf den Grundkörper jederzeit dann einzustellen, wenn keine Berührung zwischen dem Meßelement 58 (Sonde 59) und keine Übertragung einer Auslenkungskraft bzw. Vorspannkraft von dem Werkstück auf dieses Meßelement 58 erfolgt. In diesem Ausführungs­ beispiel wird die Nullstellungs-Halteeinrichtung durch eine Rückstelleinrichtung 61 zum Rückstellen und Halten des Meßelementes 58 im jeweiligen Koordinatenachsen­ ursprung innerhalb der X- und Y-Ebene zu halten, sowie eine Z-Achsen-Rückstelleinrichtung 71 zum Rückstellen und Halten des Meßelementes 58 im Ursprung der Z-Achse gebildet. Die Rückstelleinrichtung 61 für die Rückstellung in den X-Y-Ursprung besteht aus einer sogenannten Drahtfeder 63 in Stabform, d. h. also einem Biegestab, deren vorrichtungs­ seitiges Ende 64 an dem Grundkörper 10 durch ein Mutternteil 62 befestigt ist, das in das Innengewinde 12 so einge­ schraubt ist, daß es in Richtung der Z-Achse positio­ nierbar und einstellbar ist, während das entfernte vor­ dere Ende 65 der Einrichtung 61 an der Stabfeder 63 eine Kugel 66 ist, die gleitbar in Richtung der Z-Achse in einem hohlen Zylinderabschnitt 37 des X-Schlittens 20 angeordnet ist. Übrigens kann auch eine zuverlässige Arbeitsweise der Einrichtung dann erhalten werden, wenn im Gegensatz zum vorerwähnten Aufbau das hintere nächste Ende 64 gleitbar in Richtung der Z-Achse in bezug auf den Grundkörper 10 angeordnet ist und das entfernte vor­ dere Ende 65 an dem X-Schlitten 20 oder dem Z-Schlitten 50 befestigt ist. Der X-Schlitten 20 (der hohle Zylin­ derabschnitt 37) und die Kugel 66 haben jeweils eine Formgebung, die ausreicht, um jedwedes Spiel in Richtung der X- und Y-Achsen zu vermeiden und, um den Gleitwider­ stand weiter herabzusetzen (und den Dämpfungseffekt zu beseitigen), ist eine Luftbohrung 39 in dem Abdeckteil 35 des X-Schlittens 20 vorgesehen. Um richtungsunabhän­ gig gleichmäßige Meßkräfte und Rückstellkräfte in jeder Richtung entlang der X- und Y-Ebene zu erhalten, ist die Drahtfeder 73 im unbelasteten Zustand in Übereinstimmung mit der Z-Achse ausgerichtet, so daß die Durchgangsboh­ rung 18 des Grundkörpers 10, eine Durchgangsbohrung 33 des X-Schlittens 20, eine Kopföffnung 53 des Z-Schlittens 50, der Zylinderabschnitt 36 (der hohle Zylinderab­ schnitt 37) des X-Schlittens 20 und das Meßelement 58 (die Sonde 59) so endbearbeitet und montiert sind, daß sie koaxial und mittenausgerichtet zueinander angeordnet sind. Wenn demzufolge eine äußere Kraft auf die Sonde 59 in Richtung der X-Achse und/oder Y-Achse einwirkt, können der X-Schlitten und der Y-Schlitten 40 glatt in jeweils axialer Richtung entgegen der Federkraft der Drahtfeder gleiten. Andererseits kann die Drahtfeder 63, während die beiden Schlitten 20 und 40 die Gleitbewegung ge­ stattet, beide Schlitten 20 und 40 in ihre Ursprungs­ positionen (Ursprünge) in bezug auf den Grundkörper 10 zurückstellen, wenn die äußere Kraft beseitigt ist bzw. nicht länger einwirkt. Wenn sich die beiden Schlitten 20 und 40 bewegen, veranlaßt die Kugel 66 eine Gleitfläche 38 des zylindrischen Abschnittes 36, in Richtung der Z- Achse zu gleiten, so daß die Lage der Sonde 59 in Rich­ tung der Z-Achse konstant gehalten werden kann. Die Federkraft der Drahtfeder 63 wird somit zu einer Kon­ taktkraft, d. h. der Meßkraft der Sonde 59 am Werkstück. Die Verformungskraft ist in jeder Richtung der Draht­ feder 63 gleich, so daß die Meßkraft in jeder Richtung in der X- und Y-Ebene konstant und gleich gemacht werden kann. Übrigens kann die Meßkraft durch Dreheinstellung des Mutternteiles 62 erhöht oder vermindert werden, da durch diese Dreheinstellung des Mutternteiles 62 die wirksame Länge des Biegestabes 63, d. h. die Position der Kugel 66 in Richtung der Z-Achse, verändert und einge­ stellt werden kann.

Die Rückstelleinrichtung 71 bezüglich der Rückstellung der Sonde 59 in den Ursprung der Z-Achse wird durch eine Schraubenfeder 72 gebildet, deren eines Ende im Eingriff mit einem oberen Ende 73 des Hauptkörpers 51 des Z-Schlittens 50 ist und deren anderes Ende kuppelnd mit dem Zylinderabschnitt 36, der innerhalb des Hauptkörpers 51 (im Eingriff mit dem X-Schlitten 20) angeordnet ist, im Eingriff ist. Infolgedessen besteht von diesem Aspekt her keine Notwendigkeit der Anordnung einer Mehrzahl von Aufhängungsfedern rund um die Schlitten, wie bei einer herkömmlichen Tastereinrichtung, so daß eine Vereinfa­ chung der Tasterkonstruktion erreicht wird und die ge­ samte Meßtastereinrichtung kompakt und mit geringem Ge­ wicht ausgeführt werden kann. Überdies reicht es für die Schraubenfeder 72 aus, nur das Gewicht des Z-Schlittens 50 und des Meßelementes 58 abzustützen bzw. aufzunehmen, so daß die Schraubenfeder 72 eine verhältnismäßig gerin­ ge Federkraft aufweisen und weich ausgeführt sein kann, so daß die Meßkraft in vorteilhafter Weise klein wird. Die Schraubenfeder 72 kann kurz ausgeführt werden, so daß die Streuung in ihrer Leistungscharakteristik in­ folge der Deformation klein gemacht werden kann.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Oberflächenkontur- Meßtastereinrichtung erläutert.

Im Normalzustand, bei dem das Meßelement, d. h. die Sonde 59 nicht in Berührung mit einem Werkstück ist, befindet sich die Drahtfeder 63, die die Rückstellein­ richtung 61 für die Rückstellung in den Ursprung der X-Y-Achsen bildet, in Ausrichtung mit der Z-Achse, wo­ durch der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 statio­ när in bestimmten Lagen in bezug auf den Grundkörper 10 gehalten sind. Da der Z-Schlitten 50 durch die Schrau­ benfeder 72, die die Rückstelleinrichtung 71 für die Rückstellung in den Ursprung der Z-Achse bildet, ge­ wichtsausgeglichen gelagert ist, wird der Z-Schlitten 50 stationär in einer bestimmten Lage in Richtung der Z-Achse in bezug auf den X-Schlitten 20, d. h. in bezug auf den Grundkörper 10 gehalten. Infolgedessen wird das Meßelement 58 (die Sonde 59), das an dem Z-Schlitten 50 befestigt ist, im Ursprung, d. h. im Schnittpunkt der drei Achsen, der X-, Y- und Z-Achse, gehalten.

Wenn nunmehr die Sonde 59 relativ durch eine Berührung mit einer Oberfläche eines zu messenden Werkstückes (nicht gezeigt) bewegt wird, wird der X-Schlitten 30 in Richtung der X-Achse durch die Federkraft auf die Sonde 59 in Richtung der X-Achse bewegt, während er zugleich den Z-Schlitten 50 trägt. Da das Gleitteil 31 in dem Hohlraum 15 des Grundkörpers 10 gekuppelt bzw. einge­ setzt ist, bewegt sich das Gleitteil 31 selbst nicht in Richtung der Z-Achse, aber bewegt sich in jeder anderen Richtung (X-Y) mit Ausnahme der Z-Achsrichtung. Die Meß­ kraft ist in diesem Fall gleich der Rückstellkraft des Biegestabes 63, die die Rückstelleinrichtung 61 für die Rückstellung in den X-Y-Achsenursprung bildet. Wenn eine Federkraft in Richtung der Y-Achse auf die Sonde 59 ein­ wirkt, bewegt sich der Y-Schlitten 40 in Richtung der Y- Achse durch den Z-Schlitten 50 und den X-Schlitten 20. Die Gleitteile 46 l und 46 r dieses Y-Schlittens 50 ist ebenfalls in dem Hohlraum 15 des Grundkörpers 10 gekup­ pelt bzw. in diesen eingesetzt, und die Gleitflächen 43 l und 43 r sind im Eingriff mit den Führungsflächen 14 l und 14 r des Grundkörpers 10, so daß sich der Y-Schlitten 40 nicht in Richtung der Z-Achse und der X-Achse bewegen kann.

Nach einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind in diesem Fall der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 direkt an dem Grundkörper 10 gelagert, ohne daß die beiden Schlitten übereinander angeordnet wären, so daß sich der X-Schlitten 20 ebenfalls integral mit dem Y-Schlitten 40 in Richtung der Y-Achse bewegt. Die Meßkraft in Richtung der Y-Achse gleicht ebenfalls der Rückstellkraft der Drahtfeder 63 der Rückstelleinrich­ tung 61 für die Rückstellung in den Ursprung der X-Y- Achsen. Wenn dann eine Federkraft in Richtung der Z-Achse durch das Werkstück auf die Probe 59 einwirkt, be­ wegt sich der Z-Schlitten 50 in dem X-Schlitten 20 in Richtung der Z-Achse unter Zusammendrücken der Schrau­ benfeder 72, die die Rückstelleinrichtung 71 für die Rückstellung in den Ursprung der Z-Achse bildet. Die beiden Schlitten 20 und 50 sind infolge ihrer prismati­ schen bzw. quadratischen Gestalt gegen relative Rotation gesichert. Da der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 so gelagert sind, daß sie in Richtung der Z-Achse in einer Ebene parallel zum Grundkörper unbeweglich sind, kann nur der Z-Schlitten 50 sich in Richtung der Z-Achse bewegen.

Hierbei wird ein Bewegungswert des X-Schlittens 20 durch den X-Sensor 82, 83 erfaßt, ein Bewegungswert des Y- Sensors 40 durch den Y-Sensor 85, 86, und ein Bewegungs­ wert des Z-Schlittens 50 wird durch den Z-Sensor 88, 89 erfaßt. Im Ergebnis erfaßt die Verschiebungs- bzw. Ver­ lagerungs-Erfassungseinrichtung 80 eine Oberflächenkon­ tur des Werkstückes, das in Berührung mit der Sonde 59 ist, als elektrisches Signal.

Wenn dann die Belastungskraft in Richtung der Z-Achse nicht mehr einwirkt, wird der Z-Schlitten 50 in Richtung der Z-Achse durch die Rückstellkraft der Schraubenfeder 72, d. h. durch die Rückstelleinrichtung 71 für die Rückstellung in den Z-Koordinatenursprung zurückgeführt, und die Sonde 59 an dem Meßelement 58 kehrt in den Z- Koordinatenursprung zurück. In gleicher Weise werden, wenn die Belastungskraft in Richtung der X-Achse endet, der X-Schlitten 20 in dem Hohlraum 15 des Grundkörpers 10 durch die Rückstellkraft des Biegestabes 63, d. h. durch die Rückstelleinrichtung 61 für die Rückstellung in den X-Y-Koordinatenursprung, bewegt, um in den X- Koordinatenursprung zurückzukehren, und, wenn die Bela­ stungskraft in Richtung der Y-Achse aufhört, der Y-Schlitten 40 in den Y-Koordinatenursprung zurückge­ stellt. Wie oben erläutert, wird das Meßelement 58 mit der Sonde 59 durch die Nullstellungs-Halteeinrichtung in den Richtungen der drei Achsen, die aufeinander senk­ recht stehen, bewegt, um in den Koordinatenursprung der X-, Y- und Z-Achse zurückgestellt und in dieser Null­ stellung gehalten zu werden.

Nach diesem Ausführungsbeispiel sind der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 in dem hohlen Abschnitt 15, be­ grenzt und gebildet durch die parallelen Flächen 16 u, 16 d, die in Richtung der Z-Achse beabstandet sind, an dem Grundkörper 10 gekuppelt und werden direkt auf dem Grundkörper 10 gelagert, ohne daß sie in drei Stufen übereinander angeordnet sind, so daß die Tastereinrich­ tung in ihrer Länge in Richtung der Z-Achse beträchtlich verkürzt werden kann und dadurch einen kompakteren Auf­ bau bekommt. Die beiden Schlitten 20 und 40 gleiten auf der gleichen Fläche 16 u, 16 d, und die Lageregulierung in Richtung der Z-Achse wird bewirkt, so daß interferente Beeinflussungen niedrig sind und eine hohe Genauigkeit und gleichförmige Richtungseigenschaften, d. h. tatsäch­ lich richtungsunabhängige Meßwerte erreicht werden kön­ nen. Dies bedeutet, daß die Schlitten und ihr Bewegungs­ aufbau leicht hergestellt und endbearbeitet sowie mon­ tiert werden können.

Da eine stabile Konstruktion angewandt wird, bei der der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 direkt auf dem Grundkörper 10 gelagert sind, kann der Z-Schlitten 40 an den X-Schlitten 20 mit ausreichender Stabilität und guten Nachlaufeigenschaften gelagert werden und die Be­ wegung des Z-Schlittens 50 in Richtung der Z-Achse übt keine nachteiligen Einflüsse auf Veränderungen der Lage des X-Schlittens 20 und/oder des Y-Schlittens 40 aus. Unter diesem Gesichtspunkt kann auch eine hohe Genauig­ keit erreicht werden.

Da die Rückstelleinrichtung 71 für den Z-Koordinatenur­ sprung innerhalb des Z-Schlittens 50 vorgesehen ist, kann eine Verminderung in der Länge in Richtung der X- und Y-Achsen und damit ein weiter verdichteter, kompak­ ter Aufbau im Vergleich zu der herkömmlichen Konstruk­ tion erreicht werden, bei der die Rückstelleinrichtung 71 für den Z-Koordinatenursprung außerhalb der Schlitten 20, 40 und 50 vorgesehen ist, so daß die Tastereinrich­ tung äußerst kompakt und geringvolumig baut und in Ver­ bindung mit der Längenreduzierung in Richtung der Z- Achse ein bemerkenswert geringes Gewicht aufweist. Im Zusammenhang mit dieser Anordnung ist es für die Schrau­ benfeder 72, die diese Einrichtung 71 bildet, ausrei­ chend, nur die Belastungen des Z-Schlittens 50 und des Meßelementes 58 aufzunehmen, so daß die Federkraft der Schraubenfeder 72 verhältnismäßig gering sein kann, so daß es möglich wird, die Meßkraft zu verringern. Da überdies die Schraubenfeder 72 die einzige Federkon­ struktion ist, die für die Z-Achse vorgesehen ist, ver­ ursacht die Schraubenfeder 72 keine Durchbiegung und Federabweichung sowie Fehler und dgl. in Richtung der X- und Y-Achsen bei der Bewegung in Richtung der Z-Achse, so daß die Tastereinrichtung als Ganzes in ihrer Meß­ genauigkeit weiter verbessert werden kann.

Außerdem kann, basierend auf der Konstruktion, bei der der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 direkt an dem Grundkörper 10 gelagert sind, die Drahtfeder 63, die die Rückstelleinrichtung 61 für die Rückführung in den X-Y- Koordinatenursprung bildet, in ihrer Länge vermindert werden, so daß die Steuerung unter Betriebsbedingungen infolge der Deformation der Feder vermindert werden kann, und überdies können die Rückstellkräfte zur Bewe­ gung der beiden Schlitten 20 und 40 vermindert werden, so daß es möglich ist, die Meßkraft auf einen kleinen Wert festzusetzen. Unter diesem Gesichtspunkt kann die Tastereinrichtung ebenfalls in ihrer Größe sehr kompakt ausgebildet werden, ein geringes Gewicht aufweisen und in ihrer Meßgenauigkeit verbessert werden. Die Taster­ einrichtung kann somit auch weiche Artikel, wie z. B. ein Kunststoffprodukt, abtasten.

Außerdem sind bezüglich der Rückstelleinrichtung 61 für den X-Y-Koordinatenursprung und die Rückstelleinrichtung 71 für den Z-Koordinatenursprung die Werte für die Aus­ lenkkräfte bzw. Belastungskräfte und dgl. einander ange­ nähert, um hierdurch die Längenabmessungen der Einrich­ tung zu verringern, wodurch die Häufigkeit des Auftre­ tens von Eigenschwingungsproblemen infolge der Unausge­ glichenheit zwischen diesen Einrichtungen niedrig ist und die Häufigkeit des Auftretens von Eigenschwingungen der Tastereinrichtung selbst vermindert werden kann, da die Tastereinrichtung kompakt ist und ein geringes Ge­ wicht aufweist, so daß Fehler, die durch Resonanzschwin­ gungen des Koordinatenmeßinstrumentes verursacht werden, beseitigt werden können. Wenn die Ausgangspunkte der Gleitbewegung und dgl. übereinstimmend festgelegt wer­ den sollen, besteht ein Vorteil derart, daß die Überein­ stimmung durch die Verwendung einer viskosen Flüssigkeit und einer mechanischen Reibeinrichtung hergestellt werden kann. Die für die Nullagen-Halteeinrichtung im ganzen kann somit eine Vereinfachung sichergestellt und ein stabiler Betrieb gesichert werden.

Die Führung zur Gleitbewegung des Z-Schlittens 50 über den X-Schlitten 20 und die Führung zur Gleitbewegung des X- und des Y-Schlittens 20 und 40 über dem Grundkörper 10 werden durch pneumatische Lagerungen ausgeführt und gewährleistet, so daß der Gleitwiderstand äußerst gering gehalten werden kann. Überdies ist es ausreichend, nur zwei Luftrohre 90, 91 zu verwenden.

In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Z-Schlitten 50 in der untersten Lage in bezug auf den Grundkörper 10 vorgesehen, jedoch können, kurz gesagt, der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 in dem hohlen Abschnitt 15, gebildet bzw. begrenzt durch die paralle­ len Flächen, die in Richtung der Z-Achse voneinander ge­ trennt sind, gekuppelt werden und in zwei Stufen über­ einander angeordnet werden. Daher umfaßt die vorliegende Erfindung auch einen derartigen Aufbau, bei dem der Grundkörper 10 in geeigneter Weise in zwei Teile unter­ telt ist, der Z-Schlitten an der Oberseite vorgesehen sein kann und der X-Schlitten 20 und der Y-Schlitten 40 an dem Z-Schlitten 50 über einen zweiten Grundkörper ge­ lagert sein können, der durch die Unterteilung des ersten Grundkörpers erhalten wurde. Wenn jedoch der Auf­ bau gewählt wird, wie er in diesem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert wurde dann kann die Rückstelleinrichtung 71 für den Z-Koordi­ natenursprung besonders kompakt ausgeführt werden.

Der Z-Schlitten 50 ist an dem X-Schlitten 20 gelagert worden, der Z-Schlitten 50 kann jedoch auch an dem Y-Schlitten 40 gelagert sein. In gleicher Weise kann das entfernte vordere Ende 25 (die Kugel 66) der Drahtfeder 63, die die Rückstelleinrichtung 61 für den X-Y-Koordinatenursprung bildet, mit dem X-Schlitten 20 in Eingriff gebracht werden, jedoch kann auch ein solcher Aufbau verwendet werden, daß das vordere, distale Ende 65 direkt mit dem Z-Schlitten 50 im Eingriff ist.

Die Verlagerungs-Erfassungseinrichtung 80 kann von der Art einer elektromagnetischen Einrichtung, einer elek­ trostatischen Einrichtung oder dgl. anstelle des hier gewählten photoelektrischen Typs sein.

Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, daß, da der X-Schlitten und der Y-Schlitten direkt an dem Basiskörper gelagert sind und so angeordnet sind, daß sie in der gleichen Ebene gleiten, die vorliegende Erfindung zu einer Oberflächenkontur-Meßtastereinrich­ tung führt, die in ihrer Größe sehr kompakt gemacht werden kann und überdies hervorragende Richtungseigen­ schaften und eine entsprechend hohe Meßgenauigkeit auf­ weist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächen­ kontur-Meßtastereinrichtung, die gestattet, daß sich ein Meßelement in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen bewegt. Ein Grundkörper mit einem Paar paralleler Flä­ chen, die voneinander in Richtung der Z-Achse beabstan­ det sind, lagert einen X-Schlitten und einen Y-Schlitten, die entlang der parallelen Flächen angeordnet sind und jeweils in Richtung der X- bzw. der Y-Achse bewegbar sind. Ein Z-Schlitten ist an dem X-Schlitten so gela­ gert, daß er in Richtung der Z-Achse bewegbar ist. An dem Z-Schlitten ist ein Meßelement gelagert, das sich in Richtung der X-, Y- und Z-Achse durch die jeweilige Be­ wegung der X-, Y- und Z-Schlitten bewegen kann. Der x- und Y-Schlitten werden normalerweise in einer Nullage durch einen Biegestab gehalten, die sich in Richtung der Z-Achse erstreckt, und der Z-Schlitten kann sich in Richtung der Z-Achse unter der Wirkung einer Schrauben­ feder bewegen, und wird ebenfalls normalerweise in einer Nullage gehalten.

Claims (9)

1. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung mit einem Meßelement, das in Richtung von drei Achsen bewegbar ist, die einander senkrecht schneiden, und zwar durch einen X-, Y- und Z-Schlitten, die an einem Grundkörper gelagert sind, wobei das Meßelement auf einer Oberfläche eines Werkstückes in Gleitkontakt mit diesem bewegt wird, um hierdurch eine Oberflächenkontur des Werkstückes in Gestalt eines elektrischen Signales zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) einen offenen Hohlraum (15) aufweist, der durch parallele Seitenflächen (16 u, 16 d), die in Richtung der Z-Achse voneinander beabstandet sind, gebildet wird, wobei sowohl Teile (31, 46 l, 46 r) des X-Schlittens (20) als auch des Y-Schlittens (40) in diesem Hohlraum (15) aufgenommen sind, daß der X-Schlitten (20) bezüglich des Grundkörpers (10) derart gelagert ist, daß er in Richtung der X-Achse bewegbar ist und in Richtung der Z-Achse unbeweglich ist, daß der Y-Schlitten (40) bezüglich des Grundkörpers (10) derart gelagert ist, daß er in Richtung der Y-Achse bewegbar ist, und in Richtung der X-Achse und in Richtung der Z-Achse unbeweglich ist, so daß der X- und der Y-Schlitten direkt an dem Grundkörper (10) gelagert sind, und daß der Z-Schlitten in Z-Richtung verschieblich im X-Schlitten gelagert ist.

2. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückstelleinrichtung (61, 71) zur Halterung der X-, Y- und Z-Schlitten (20, 40, 50) jeweils in einer neutralen Nullage.

3. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung zur Rückstellung in den Koordinatenursprung eine kombinierte X-Y-Rückstelleinrichtung (61) zur Halterung des X- und Y-Schlitten in einer Nullstellung und eine Rückstelleinrichtung (71) für den Z-Koordinatenursprung umfaßt, zur Halterung des Z-Schlittens in einer neutralen Nullage.

4. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung (61) für den X-Y-Koordinatenursprung so aufgebaut ist, daß der Z-Schlitten (50) einen Biegestab (63) enthält, der in einen Hohlraum eingesetzt ist, der sich in Richtung der Z-Achse erstreckt, wobei ein Ende (64) des Biegestabs (63) an dem Grundkörper (10) befestigt ist oder mit diesem Grundkörper (10) in einer Weise in Eingriff ist, daß er in Richtung der Z-Achse bewegbar ist und das andere Ende (65) an dem X-Schlitten (20) oder dem Z-Schlitten (50) befestigt ist, derart, daß es in Richtung der Z-Achse bewegbar oder bezüglich dieser Achse fest ist.

5. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche eine Ende (65, 66) des Biegestabs (63) eine kugelförmige Gestalt aufweist.

6. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung (71) für den Z-Koordinatenursprung eine Schraubenfeder (72) enthält, die zuläßt, daß sich der Z-Schlitten (50) in Richtung der Z-Achse bewegt und die den Z-Schlitten (50) in die neutrale Nullage zurückstellt, wenn eine Kraft, die auf den Z-Schlitten (50) in Richtung der Z-Achse einwirkt, nicht mehr vorhanden ist.

7. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der X-Schlitten (20) und der Y-Schlitten einen blockförmigen Aufbau aufweisen mit Gleitteilen (31, 46 l, 46 r), die jeweils in Richtung der X-Achse bzw. der Y-Achse bewegbar sind und die Gleitteile (31, 46 l, 46 r) so angeordnet sind, daß sie in dem Raumabschnitt (15) des Grundkörpers (10) bewegbar gelagert sind.

8. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Z-Schlitten (50) als blockförmiges Teil ausgebildet ist und mit einem rohrförmigen Abschnitt (55) versehen ist, der sich in Richtung der Z-Achse erstreckt, wobei das blockförmige Teil durch den X-Schlitten (20) gelagert ist.

9. Oberflächenkontur-Meßtastereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der X-, Y- und Z-Schlitten jeweils durch pneumatische Lager bewegbar gelagert ist.