DE4013742C2 - Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Abtastkopf ist in der US 46 69 300 beschrieben. Bei ihm umfassen die Mittel zum elastischen Vorspannen der Tastspitze zum einen mechanische Mittel (Gewichte, Federn), zum anderen eine speziell ausgebildete elekromagnetische Feder. Diese umfaßt eine mit einer Gleichstromquelle verbundene Spule und einen mit dieser zusammenarbeitenden Kern, der mit dem Tastspitzenträger verbunden ist. Die Anordnung der Spule und des Kernes ist untereinander und bezüglich der Lagerung des Tastspitzenträgers so gewählt, daß man eine von der Stellung des Tastspitzenträgers unabhängige magnetische Vorspannkraft erhält. Da das rasche Abtasten einer Werkstückoberfläche aber ein dynamischer Vorgang ist, wirken auf die Tastspitze auch Trägheitskräfte ein, so daß man gerade bei Unebenheiten der Werkstückoberfläche doch eine veränderliche Anpreßkraft der Tastspitze hat.

In der CH 6 61 980 A5 ist ein taktiler Abtastkopf beschrieben, bei welchem der Tastspitzenträger ebenfalls durch eine einstellbare magnetische Feder vorgespannt ist. Letztere umfaßt einen vom Tastspitzenträger getragenen Permanentmagneten und einen axial einstellbar auf dem Gehäuse angeordneten Magneten.

In der DE 26 60 993 C2 ist eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken beschrieben, bei welcher Koordinatenantriebe, welche das Gehäuse des Abtastkopfes über die Werkstückoberfläche längs vorgegebener Bahnen bewegen, jeweils dann in Gang gesetzt werden, wenn der mit dem Tastspitzenträger zusammenarbeitende Stellungsgeber über eine Stufe seines Ausgangssignales anzeigt, daß die Tatspitze in Anlage an die Werkstückoberfläche gekommen ist.

Bei den bekannten Abtastköpfen muß dann, wenn die Werkstückoberfläche steile Konturabschnitte enthält, die Abtastgeschwindigkeit verhältnismäßig gering gewählt werden, damit die Tastspitze nicht trägheitsbedingt von der Werkstückoberfläche abhebt bzw. nicht mit dieser hart kollidiert. Aus diesem Grunde ist ein Einsatz solcher Abtastköpfe enthaltender Meßmaschinen bisher auf das Ausmessen einzelner Werkstücke beschränkt, ein vollständiges Ausmessen von Serienprodukten ist aus Zeitgründen nicht möglich, obwohl es zur Qualitätssicherung wünschenswert wäre.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Abtastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weitergebildet werden, daß mit ihm eine Werkstückoberfläche rascher ausgemessen werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Abtastkopf gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Abtastkopf wird die Tastspitze unabhängig von der lokalen Oberflächenkontur der Werkstückoberfläche mit gleichbleibendem Druck in Anlage an der Werkstückoberfläche gehalten. Das schnelle Nachregeln des Anpreßdruckes auf den jeweils gewünschten Sollwert ermöglicht es, die Relativgeschwindigkeit zwischen Abtastkopf und Werk­ stückoberfläche beträchtlich zu erhöhen, so daß man auch seriengefertigte Werkstücke in großer Zahl hundertprozentig vermessen kann. Der apparative Mehraufwand ist verglichen mit diesem Vorteil gering.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 wird die auf die Tastspitze einwirkende Kraft direkt in unmittelbarer Nachbarschaft der Tastspitze und weitgehend frei von anderen Einflüssen gemessen.

Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 3 hat man eine sichere Positionierung der Tastspitze in den beiden Abtastrichtungen, also gegen parallel zur Referenzebene liegenden Kräften, während zugleich eine gute Beweglichkeit in zur Referenz­ ebene senkrechter Richtung gewährleistet ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird erreicht, daß keine Unstetigkeiten in der Kraftübertragungs­ strecke von der Tastspitze zum Tastspitzenträger auftreten, entsprechend auch das Ausgangssignal des Kraftfühlers sich stetig ändert.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß das Messen der auf die Tastspitze einwirken­ den momentanen Kraft im wesentlichen entkoppelt von der Stellungsmessung erfolgt, da Festkörper-Kraftfühler bei nur kleiner Verformung einen großen Kraftbereich messen können.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Signalüber­ tragung zwischen dem mit dem Tastspitzenträger bewegten Kraftfühler und der in der Regel gehäusefesten Elektronik­ einheit von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im Hinblick auf einen mechanisch besonders einfachen Aufbau von Tastspitze und Tastspitzenträger von Vorteil.

Ein Stellungsgeber, wie er im Anspruch 8 angegeben ist, zeichnet sich durch eine besonders hohe Grenzfrequenz aus. Dies ermöglicht ein besonders rasches Abtasten der Werkstückoberfläche. Auch ist ein solcher Stellungsgeber insbesondere dann von Vorteil, wenn sein Ausgangssignal zugleich zur Ableitung der auf die Tastspitze einwirkenden Kraft verwendet wird, wie im Anspruch 7 vorgeschlagen.

Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 9 kann man auch solche Kraftfühler verwenden, deren getriebenes Eingangsglied bei der Kraftmessung eine nicht mehr vernachlässigbare Lage­ änderung erfährt, und man kann auch solche Werkstückober­ flächen ausmessen, bei denen das Material unter der Ein­ wirkung der Tastspitze eine ins Gewicht fallende lokale Verformung erleidet. In beiden Fällen wird bei dem Abtast­ kopf gemäß Anspruch 9 der Arbeitsweg des Kraftfühlers und die Eindringtiefe der Tastspitze automatisch bei der Stellungs­ messung mit berücksichtigt.

Dabei kann man bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 10 unter­ schiedlicher Härte auszumessender Werkstückoberflächen auf einfache Weise durch Auswahl einer entsprechenden Kraft/Weg-Kenn­ linie für den Kraftfühler-Arbeitsweg bzw. die Tast­ spitzen-Eindringtiefe automatisch Rechnung tragen.

Bildet man den Stellmotor des Abtastkopfes gemäß Anspruch 11 aus, so hat der Stellmotor sehr einfachen mechanischen Aufbau, arbeitet darüber hinaus reibungsfrei und läßt sich besonders einfach und mit preiswerten Komponenten fein an­ steuern.

Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 12 kann man die Andrück­ kraft der Tastspitze an vorgegebenen Stellen oder in regel­ mäßigen zeitlichen Abständen erhöhen, um an ausgewählten Punkten die Härte des Werkstückes über die zusätzliche Ein­ dringtiefe der Tastspitze zu ermitteln.

Ein Abtastkopf, wie er im Anspruch 13 angegeben ist, läßt sich gleich gut schleppen und schieben. Er braucht somit zum Abtasten einer weiteren Linie nicht in die Nullstellung in der Abtastrichtung zurückgefahren werden, wodurch man eine erhebliche Zeit­ ersparnis erhält.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen taktilen Abtastkopf einer Oberflächenmeßmaschine in Ver­ bindung mit einer zugehörigen Betriebselektronik; und

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, in welcher ein mechanisch einfacher aufgebauter Abtastkopf wiedergegeben ist.

In der Zeichnung ist ein taktiler Abtastkopf zum genauen Ausmessen der Mikro-Oberflächenkontur einer Werkstückober­ fläche 10 insgesamt mit 12 bezeichnet.

Der Abtastkopf 12 hat ein Gehäuse 14 mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt. Die Schenkel des Gehäuses 14 tragen einen Lagerstift 16, auf welchem ein zweiarmiger Tastspit­ zen-Trägerhebel 18 verschwenkbar gelagert ist.

Der geradlinige Trägerhebel 18 hat einen Stützarm 20 und einen mit diesem fluchtenden Antriebsarm 22. An einem mitt­ leren Nabenabschnitt 24 des Trägerhebels 18 ist eine Blatt­ feder 26 durch Schrauben 28 befestigt, derart, daß sie sich parallel unter dem Stützarm 20 erstreckt. Das freie Ende der Blattfeder 26 trägt nach unten weisend eine Tastspitze 30, die mit der Werkstückoberfläche 10 zusammenarbeitet.

Die Oberseite der Blattfeder 26 drückt über ein Isolier­ plättchen 32 gegen einen Kraftfühler 34, der in der Praxis ein induktiver, kapazitiver, optischer oder piezoelektrischer Kraftfühler sein kann. Die oben liegende Stirnfläche des Kraftfühlers 34 ist über ein weiteres Isolierplättchen 36 an der Unterseite des Stützarmes 20 abgestützt.

Über eine geschwungene, leicht biegbare Leitung 38 ist der Kraftfühler 34 mit einer gehäusefesten Leitung 40 verbunden. Die Länge der biegbaren Leitung 38 ist so bemessen, daß sie auch dann, wenn die Tastspitze 30 im unteren Endpunkt ihres Arbeitshubes steht, noch ausgeflext ist, also nicht geradlinig verläuft (in der Zeichnung ist der Trägerhebel 18 in der Mitte des Arbeitshubes dargestellt).

Am Antriebsarm 22 des Trägerhebels 18 greift eine Zugfeder 42 an, deren zweites Ende am Gehäuse 14 festgelegt ist. Der Antriebsarm 22 trägt ferner bei seinem in der Zeichnung rechts gelegenen Ende einen Permanentmagneten 44, der mit einer gegenüber liegenden gehäusefesten Magnetspule 46 zu­ sammenarbeitet.

In einem mittleren Abschnitt ist auf den Antriebsarm 22 eine Kontaktplatte 48 aufgeschweißt, die mit dem balligen Ende des federnd in Auswärtsrichtung vorgespannten Eingangs­ gliedes eines Stellungsgebers 50 zusammenarbeitet, der z. B. ein Differentialtransformator sein kann.

Das auf der Leitung 40 stehende Ausgangssignal des Kraft­ fühlers 34 wird über einen Verstärker 52 auf einen Kenn­ linienkreis 54 gegeben, der das Eingangssignal gemäß einer einprogrammierten Kennlinie modifiziert, insbesondere Nicht­ linearitäten in der Kraftfühler-Kennlinie kompensiert. Das linearisierte Kraftsignal wird auf den einen Eingang eines Differenzverstärkers 56 gegeben, dessen zweiter Eingang ein der Soll-Andrückkraft für die Tastspitze 30 zugeord­ netes Sollwertsignal erhält, welches beispielsweise an zwei einstellbaren Widerständen 58, 60 vorgegeben werden kann.

Der Widerstand 60 ist von einem steuerbaren Schalter 62 überbrückt, um das Sollwertsignal zwischen einem niederen Normalwert (Schalter 62 offen) und einem hohen Härte- Prüfwert (Schalter 62 vorübergehend geschlossen) umschalten zu können. Diese Umschaltung erfolgt über ein ODER-Glied 64 entweder zeitgesteuert durch einen freilaufenden Taktgeber 66, der über eine externe Steuerleitung 68 ein- und aus­ geschaltet werden kann, oder direkt durch externe Steuer­ signale, die auf einer Leitung 70 von einer in der Zeichnung nicht wiedergegebenen zentralen Steuerung der Meßmaschine her bei vorprogrammierten Punkten der Werkstückoberfläche oder in Abhängigkeit vom Erfülltsein bestimmter Auswahlkri­ terien, die auf die schon gewonnenen Meßergebnisse angewandt werden, bereitgestellt werden. Das Ausgangssignal des ODER- Gliedes 64 wird auf einer Ausgangsleitung 71 bereitgestellt, um die den Abtastkopf 12 oder das Werkstück bewegenden Koordinatenantriebe solange anzuhalten, wie der zur Härte­ prüfung vorübergehend erzeugte höhere Taktspitzen-Anpreßdruck aufrecht erhalten wird.

Das am Ausgang des Differenzverstärkers 56 erhaltene Fehler­ signal gelangt auf den Eingang eines Leistungsverstärkers 72, der auf die Magnetspule 46 arbeitet.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 wird ferner auf einen zweiten Kennlinienkreis 74 gegegeben, der eine Mehrzahl von Kraft/Weg-Kennlinien enthält, von denen jeweils eine über eine Wähleinheit 76 aktivierbar ist. Die in dem Kenn­ linienkreis 74 einprogrammierten Kennlinien geben jeweils an, welche Verformung der Kraftfühler 34 erfährt und wie tief die Tastspitze bei der jeweiligen Andrückkraft in den­ jenigen Werkstoff eindringt, aus welchem die gerade ausge­ messene Werkstückoberfläche 10 besteht. Für diese beiden Verformungswege, die als Fehleranteile im Ausgangssignal des Stellungsgebers 50 enthalten sind, stellt der Kenn­ linienkreis 74 ein Korrektursignal bereit, welches in einem Summierkreis 78 zum Ausgangssignal des Stellungsgebers 50 hinzuaddiert wird. Das korrigierte Stellungssignal wird auf einer Leitung 80 an die zentrale Steuereinheit der Meß­ maschine zur weiteren Auswertung abgegeben.

Der oben beschriebene Abtastkopf arbeitet in einer Meß­ maschine folgendermaßen:

Die Werkstückoberfläche 10 wird durch in der Zeichnung nicht wiedergegebene Grob-Verstelleinrichtungen der Meßmaschine so verfahren, daß die Werkstückoberfläche 10 im Mittel mit einer Referenzfläche 82 zusammenfällt. Das Abtasten der Werkstückoberfläche 10 erfolgt (unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung wiedergegebene xyz-Koordinatensystem) in x-Richtung, wobei der Abtastkopf nach jeder x-Abtastung um eine kleine Strecke in y-Richtung verschoben wird.

Beim Hinwegbewegen der Tastspitze 30 über Erhebungen 84 der Werkstückoberfläche 10 erzeugt der Kraftfühler 34 im ansteigenden Oberflächenabschnitt zunächst ein vergrößertes Ausgangssignal. Dieses führt über den Differenzverstärker 56 zu einer sofortigen Verminderung der magnetischen Zusatz­ kraft, welche der durch den Permanentmagneten 44 und die Magnetspule 46 gebildete magnetische Stellmotor zusätzlich zur Kraft der Zugfeder 42 auf den Antriebsarm 22 des Träger­ hebels 18 ausübt. Läuft die Tastspitze 30 dagegen über einen abfallenden Oberflächenabschnitt, so verkleinert sich das Ausgangssignal des Kraftfühlers 34, und die Magnetspule 46 wird entsprechend mit größerem Strom beaufschlagt, so daß man insgesamt eine größere Tastspitzen-Anpreßkraft erhält.

Durch die oben beschriebene Regelung ist insgesamt gewähr­ leistet, daß die Tastspitze 30 unabhängig von der Mikro­ kontur der Werkstückoberfläche unter im wesentlichen kon­ stantem Anpreßdruck auf der Werkstückoberfläche läuft. Be­ schädigungen der Werkstückoberfläche durch die Tastspitze sind somit ebenso ausgeschlossen wie ein Abheben der Tast­ spitze beim raschen Bewegen derselben über die Werkstück­ oberfläche hinweg.

Wünscht man die Härte an einem bestimmten Punkt der Ober­ fläche zu messen, so wird nach Anhalten der Koordinaten­ antriebe durch Ansteuerung des Schalters 62 die Tastspitzen- Andrückkraft vorübergehend erhöht, und die an die Leitung 80 angeschlossene zentrale Steuereinheit kann aus der mit der Erhöhung der Anpreßkraft einhergehenden Signaländerung die lokale Härte der Werkstückoberfläche bestimmen, wobei sie auf abgelegte Vergleichswerte oder Kennlinien zurück­ greift.

Der oben beschriebene Abtastkopf 12 hat ebenso wie die ihm unmittelbar zugeordneten Schaltkreise sehr einfachen Aufbau, so daß man mit geringem Aufwand eine erhebliche Vergrößerung der Abtastgeschwindigkeit erhält.

Bei dem in Fig. 2 wiedergegebenen Abtastkopf sind Teile des Kopfes selbst und der Betriebselektronik, die obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 schon erläutert wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Tastspitze 30 ist nun direkt am Stützarm 20 des Träger­ hebels 18 angebracht, und zur Bestimmung der auf die Tast­ spitze 30 einwirkenden Kraft wird das Ausgangssignal des Stellungsgeber 50 in einer Doppeldifferenzierstufe 86 zweimal zeitlich abgeleitet und mit einem z. B. an einem Widerstand 88 einstellbaren Signal (entsprechend der bewegten Masse und der Bewegungsübersetzung gewählt bzw. in Kalibriermes­ sungen bestimmt) multipliziert. Das dann am Ausgang der Doppeldifferenzierstufe 86 bereitgestellte berechnete Kraftsignal wird auf den Eingang des Verstärkers 52 gegeben und wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weiterverar­ beitet.

Beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemein­ sam, daß die Tastspitze 30 rotationssymmetrisch ist, so daß bezüglich beliebiger Bewegungen in der x-y-Ebene die gleichen Eingriffsbedingungen mit Erhebungen 84 vorliegen. Auch die Anordnung und Lagerung des Trägerhebels 18 ist so gewählt, daß gleiche Bedingungen für beliebige Wahl der Abtastrichtung in der x-y-Ebene vorliegen, insbesondere in der Zeichnung von links nach rechts bzw. von rechts nach links oder von vorn nach hinten bzw. von hinten nach vorn. Man kann somit am Ende einer Abtastlinie direkt auf das Ende der nächsten Abtastlinie überwechseln und von dort zu deren Anfang zurückmessen. Die Tastspitze 30 muß bei den aufeinanderfolgenden Abtastlinien nicht auf den äquivalenten Ausgangspunkt gestellt werden, sie kann gleichermaßen geschleppt und geschoben werden.

Claims (13)

1. Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken, mit einem Gehäuse (14), mit einem am Gehäuse (14) beweglich gelagerten (16) starren Tastspitzenträger (18), der eine feine Tastspitze (30) trägt, mit Mitteln (42 bis 46) zum elastischen Vorspannen der Tastspitze (30) gegen die Werkstückoberfläche (10), welche einen Stellmotor (44, 46) enthalten, und mit einem mit dem Tastspitzenträger (18) zusammenarbeitenden Stellungsgeber (50), dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftfühler (34; 50, 86, 88) vorgesehen ist, der die auf die Tastspitze (30) einwirkende Kraft mißt, und daß ein Stellmotor-Regelkreis (56 bis 60) die Abtriebskraft des steuerbar ausgebildeten Stellmotors (44, 46) auf konstantes Ausgangssignal des Kraftfühlers (34; 50, 86, 88) einregelt.

2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (30) mit dem Tastspitzenträger (18) senkrecht zur Referenzfläche (82) verlagerbar ist und über den Kraftfühler (34) am Tastspitzenträger (18) abgestützt ist.

3. Abtastkopf nach Anspruch 2, wobei der Tastspitzen­ träger ein im wesentlichen parallel zur Werkstückober­ fläche (10) verlaufender Trägerhebel (18) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (30) auf einer parallel unter dem Trägerhebel (18) verlaufenden Blattfeder (26) angeordnet ist.

4. Abtastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (34) unter elastischer Vorspannung zwischen der Tastspitze (30) und dem Trägerhebel (18) sitzt.

5. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (34) ein Festkörper- Fühlelement umfaßt.

6. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (34) über eine Leitung (38) geringer Biegesteifigkeit mit einer gehäusefesten Leitung (40) verbunden ist.

7. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfühler (50, 86, 88) einen, vorzugsweise den mit dem Tastspitzenträger (80) zusammenarbeitenden Stellungsgeber (50) und eine an diesen angeschlossene Doppeldifferenzierstufe (86) aufweist.

8. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsgeber (50) ein unter Verwendung des Halleffektes arbeitender Stellungsgeber ist.

9. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn­ zeichnet durch einen mit dem Ausgangssignal des Kraft­ fühlers (34; 50, 86, 88) beaufschlagten Kraft/Weg-Kenn­ linienkreis (74) und durch einen Summierer (78), der mit dem Ausgangssignal des Kraft/Weg-Kennlinienkreises (74) und dem Ausgangssignal des mit dem Tastspitzenträger (18) zusammenarbeitenden Stellungs­ gebers (50) beaufschlagt ist.

10. Abtastkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft/Weg-Kennlinienkreis (74) austauschbar ist oder eine Mehrzahl unterschiedliche Kraft/Weg-Kenn­ linien enthält, von denen jeweils eine durch eine Wähl­ einheit (76) aktivierbar ist.

11. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor einen mit dem Tast­ spitzenträger (18) verbundenen Permanentmagneten (44) und eine vom Gehäuse (14) getragene Magnetspule (46) aufweist.

12. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn­ zeichnet durch einen Sollwert-Schaltkreis (62 bis 66), der das Sollwertsignal für den Stellmotor-Regelkreis (56 bis 60) zwischen verschiedenen Werten umschaltet.

13. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (30) symmetrisch zu ihrer senkrecht auf der Abtastrichtung stehenden Mittel­ ebene oder rotationssymmetrisch ist, und ihre Anbringung am Tastspitzenträger (18) sowie die An­ bringung und Lagerung (16) des Tastspitzenträgers (18) am Gehäuse (14) so gewählt sind, daß bei der Relativbewegung zwischen Tastspitze (30) und Werkstückoberfläche (10) die Tastspitze (30) in Abtastrichtung sowohl geschleppt als auch geschoben werden kann.