DD252233A1

DD252233A1 - Tasteranordnung mit fotoelektrischer signalgewinnung

Info

Publication number: DD252233A1
Application number: DD29399986A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Taenzer
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1987-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tasteranordnung mit fotoelektrischer Signalgewinnung, insbesondere einen Mehrkoordinatentaster fuer Koordinatenmessgeraete. Ein in einem Tastergehaeuse 1 vorgesehener Strahlenteiler 7 teilt ein paralleles Lichtbuendel 3 in zwei Teilbuendel 5; 6 auf. Ein erstes Teilbuendel 5 wird einer Fotoempfaengeranordnung 11; 12 und ein zweites Teilbuendel 6 ueber ein, mit der Tastelementaufnahme 23 fest verbundenes Umlenkelement 24 und ein mit dem Tastelement 26 verbundenes Umlenkelement 27 einer Fotoempfaengeranordnung 13; 14 zugefuehrt. Durch eine Signalverarbeitungseinheit 28, mit der die Fotoempfaenger verbunden sind, werden aus den Fotoempfaengersignalen Abtast- und Havariesignale zur weiteren Benutzung erzeugt. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Tasteranordnung mit fotoelektrischer Signalgewinnung, insbesondere einen Mehrkoordinatentaster zur Anwendung an Koordinatenmeßgeräten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DE-AS 2242355 und der DD-PS 141197 sind Tast- und Meßköpfe für Koordinatenmeßgeräte bekannt, bei denen das Tastelement in komplizierten Federführungssystemen in drei Koordinaten auslenkbar gelagert ist. Es existiert für jede Koordinate ein Führungs-, Sensor-und Haltesystem zur Fixierung des Tastelementes in einer Nullposition. Diese Tastköpfe sind sehr fertigungsaufwendig und nehmen ein im Verhältnis zum Arbeitsraum des Meßgerätes großes Volumen ein. Durch die Anordnung mehrerer aktiver Meßwertgeber im Tastkopf ergibt sich eine gewisse Wärmeentwicklung, die sich negativ auf die Antastgenauigkeit auswirkt. Da die erzeugten elektrischen Signale zwischen relativ zueinander bewegten Teilen übertragen werden müssen, ergeben sich durch die mitzuführenden Kabel und Leitungen zusätzliche Kräfte, die die Meßkräfte infolge Deformationen in den Führungssystemen bedingte Meßfehler sind schwer erkennbar.

Für einen zuverlässigen Havarieschutz müssen zusätzlich Maßnahmen und Anordnungen am Tastkopf vorgesehen werden. Ein Tastkopf, der die genannten Nachteile weitgehend ausschließt, ist aus der DE-OS 2347633 bekannt. Der 3-D-Tastkopf umfaßt ein, in einer Tastelementaufnahme in einer Dreipunktlagerung gelagertes Tastelement. Die Koppelstellenzwischen Tastelementaufnahme und Tastelement sind als elektrische Schalter ausgebildet. Eine Antastung eines Werkstücks oder Meßobjektes wird signalisiert, wenn sich einer dieser Schalter öffnet. Bei diesem Tastkopf ist jedoch die Genauigkeit der Antastung von der Reproduzierbarkeit der Lagerung des Tastelementes in dem Dreipunktlager abhängig. Für einen zuverlässigen Havarieschutz müssen ebenfalls zusätzliche Maßnahmen vorgesehen werden.

Ein interferometrischer Einkoordinaten-Taster ist aus der GB-PS 1065226 bekannt, bei welchem der Interferometerblock mit Referenzreflektor fest im Tastgehäuse und der Meßreflektor am beweglichen Tastelement angeordnet sind. Nachteilig ist, daß lediglich Antastungen und Messungen in nur einer Richtung erfolgen können, so daß dieser Taster für die Anwendung in Mehrkoordinatenmeßgeräten ungeeignet ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und dem Aufwand und die Baugröße bei Tasteranordnungen, die geeignet sind, in mehreren Koordinaten einen Prüfling oder ein Werkstück anzutasten, zu verringern sowie den Gebrauchswert und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tasteranordnung mit fotoelektrischer Signalgewinnung zu schaffen, welche mit optischen und fotoelektrischen Mitteln bei geringem technischen Aufwand und Volumen eine hohe Antastgenauigkeit und ohne zusätzliche Mittel eine hohe Zuverlässigkeit ermöglicht und sowohl für den statischen als auch für den dynamischen Betrieb anwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bej einer Tasteranordnung mit fotoelektrischer Signalgewinnung, umfassend ein, an einer Pinole eines Koordinatenmeßgerätes angeordnetes Tastergehäuse, an welchem direkt oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Zwischenstücke eine Tastelementaufnahme auswechselbar angeordnet ist, in welcher in einer federbeaufschlagten Dreipunktlagerung ein Tastelement ruht, dadurch gelöst, daß in dem die Tasteranordnung tragenden Teil des Koordinatenmeßgerätes eine, ein paralleles Lichtbündel aussendende Beleuchtungsanordnung vorzugsweise ein Laser, und im Tastergehäuse der Tasteranordnung ein, das Lichtbündel in ein erstes und ein zweites Teilbündel aufspaltender erster Strahlenteiler vorgesehen ist, wobei einem jeden dieser Teilbündel im Tastergehäuse mindestens ein Fotoempfänger zugeordnet ist, daß im Strahlengang des zweiten Teilbündels ein in der Tastelementaufnahme starr befestigtes erstes '

Umlenkelement und ein mit dem Tastelement fest verbundener und relativ zur Tastelementaufnahme schwenkbares, zweites Umlenkelement derart angeordnet sind, daß das zweite Teilbündel in Richtung des ersten Strahlenteilers umdenkbar und durch die Teilerfläche dieses Strahlenteilers auf mindestens einen Fotoempfänger lenkbar ist, und daß die Fotoempfänger mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden sind.

Dabei ist es vorteilhaft, daß im Tastergehäuse, dem ersten Strahlenteiler im Abstand nachgeordnet, oder mit ihm verbunden im Strahlengang des ersten Teilbündels und im Strahlengang des zweiten, durch die Teilerfläche des ersten Strahlenteilers abgelenkten Teilbündels je ein weiterer Strahlenteiler mit nachgeordneten Fotoempfängern angeordnet ist. Eine besonders einfache Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn im T.astergehäuse, dem ersten Strahlenteiler unmittelbar nachgeordnet, im Strahlengang des ersten Teilbündels und im Strahlengang des zweiten, durch dieTeilerfläche des ersten Strahlenteilers abgelenkten oder diese passierenden Teilbündels je ein in der Ebene strahllageempfindlicher fotoelektrischer Empfänger angeordnet ist. -.

Zur Justage der Strahllage ist es vorteilhaft, wenn im Strahlengang des zweiten Teilbündels unmittelbar hinter dem ersten Strahlenteiler ein die Strahllage dieses Teilbündels veränderndes optisches Element vorgesehen ist.

Bei der Tasteranordnung wird das parallele Lichtbündel durch den ersten Strahlenteiler in zwei Teilbündel aufgespalten, wobei das Licht des ersten Teilbündels auf zugeordnete Fotoempfänger geleitet wird. Das Licht des zweiten Teilbündels, welches durch den ersten Strahlenteiler hindurchtritt, gelangt über das erste und zweite Umlenkelement und die Teilerfläche des ersten Strahlenteilers ebenfalls auf, diesem Teilbündel zugeordnete Fotoempfänger.

Die elektrischen Signale entsprechend zugeordneter Fotoempfänger des ersten und zweiten Teilbündels werden in der Signalverarbeitungseinheit verarbeitet und daraus Meßsignale gewonnen. Ändert sich die Strahllage des Lichtbündels bei Nullstellung des Tastelementes in seiner Dreipunktlagerung, so werden keine Meßsignaländerungen registriert. Bewegt sich infolge Prüflingsantastung das Tastelement relativ zur Tastelementaufnahme und dem daran angeordneten, zweiten Umlenkelement, so ändert sich die Lage des zweiten Teilbündels auf den Fotoempfängern, und aus den Fotoempfängersignalen werden in der Signalverarbeitungseinheit Antastsignale gebildet.

Die erfindungsgemäße Tasteranordnung besitzt ein kleines Volumen und ist mit wenigen Bauteilen realisierbar. Verlustenergiefreisetzende Systeme, wiez. B. die Lichtquelle, sind von der Tasteranordnung entfernt angebracht. Vorteilhaft ist ferner, daß die Fotoempfänger gestellfest mit der Pinole oder eines anderen Teiles des Meßgerätes verbunden sind, so daß elastische oder plastische Deformationen oder Relativbewegungen zwischen Tastelement und den Fotoempfängern, die Meßgenauigkeit nicht beeinflussen, da es keine solche Relativbewegung gibt, die ohne Auswirkung auf die Größe der Signale der Fotoempfänger ist. Innerhalb des Tastergehäuses werden keine elektrischen Signale über bewegliche Leitungen übertragen. Eine Meßkraftbeeinflussung durch solche Leitungen tritt nicht auf. zwischen Tastergehäuse und Tastelementaufnahme angeordnete Verlängerungsstücke beliebiger Länge und Steifigkeit beeinflussen die Antastgenauigkeit nicht. Bei einer Berührung zwischen Prüfling und Tastelementaufnahme bzw. Verlängerungsstück werden durch die Fotoempfänger Signale erzeugt, die mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit oder eines Rechners leicht von den bei der Prüflingsanlastung erzeugten Signalen unterscheidbar sind. Diese sog. Havariesignale dienen der Havariesicherung, die bei derTasteranordnung ohne zusätzliche Mittel realisiert werden kann. Es ist ferner von Vorteil, daß sowohl ein statischer als auch dynamischer Meßbetrieb durchgeführt werden kann. · *

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: im Schnitt den Aufbau einer Tasteranordnung,

Fig.2: einen Strahlenteiler mit mehreren Teilerflächen,

Fig.3: einen Strahlenteiler mitstrahllageempfindlichen Fotoempfängern und

Fig. 4: ein Blockschaltbild der Signalgewinnung - -· '

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Tasteranordnung mit seinem Tastergehäuse 1 an einer Meßpinole 2 eines nicht dargestellten Meßkopfes eines Koordinatenmeßgerätes befestigt. In der Meßpinole 2 oder im Meßkopf selbst ist eine, ein paralleles Lichtbündel 3 erzeugende Beleuchtungsanordnung 4, vorzugsweise ein Laser, angeordnet, welche das Lichtbündel 3 in Richtung der Tasteranordnung aussendet. Im Tastergehäuse 1 sind ein das Lichtbündel 3 in ein erstes und ein zweites Teilbündel 5 und 6 aufspaltender, erster Strahlenteiler 7, einem jeden dieser Teilbündel 5 und 6 zugeordnet, je ein weiterer Strahlenteiler 8 und 9 und ein, die Strahllage des zweiten Teilbündels 6 einstellbar veränderndes, optisches Element 10, z. B. eine kardanisch gelagerte Planparallelplatte, vorgesehen, wobei die Strahlenteiler 7; 8; 9 fest im Tastergehäuse 1 angeordnet sind. Einem jeden dieser Strahlenteiler 8 und 9 sind Fotoempfänger 11; 12 und 13; 14 zugeordnet.

Der in Fig. 2 dargestellte Strahlenteiler 15 besitzt zwei Teilerflächen 16; 17, wobei die Teilerfläche 16 gleichzeitig die Funktion des Strahlenteilers 9 (Fig. 1) übernimmt. Die Teilerflächen 16; 17 spalten das zweite Teilbündel 6 auf, so daß die Fotoempfänger 16; 17; 18; 19 mit Licht beaufschlagt werden.·

Wie Fig. 3 zeigt, kann dem ersten Strahlenteiler 7 im Strahlengang des ersten Teilbündels 5 und des zweiten Teil bündeis 6 direkt, ohne Zwischenschaltung weiterer Strahlenteiler je ein in der Ebene strahllageempfindlicher Fotoempfänger 20; 21; z. Br-ein Kreis-Kreisring-Detektor, eine CCD-Anordnung oder ein Quadrantenfotoempfänger nachgeordnet sein.

Im Strahlengang des den Strahlenteiler 7; 15 verlassenden zweiten Teilbündels 6 sind in einer, mit dem Tastergehäuse 1 direkt oder über ein Verlängerungsstück 22 verbundenen Tastelementaufnahme 22 ein mit der Tastelementaufnahme 23 fest verbundenes erstes Umlenkelement 24 und ein, mit einem in einer federbeaufschlagten Dreipunktlagerung 25 in der Tastelementaufnahme 23 gelagerten Tastelement 26 verbundenes, zweites Umlenkelement 27 vorgesehen. Durch diese Umlenkelemente 24 und 27, vorzugsweise Spiegel oder Umlenkprismen, wird das Teilbündeel 6 in Richtung Strahlenteiler?; 15 {Fig. 1 und 2) zurückgeworfen, um dann den Fotoempfängern 13; 14 oder 18; 19 oder 20; 21 zugeführt zu werden. Anhand derTasteranordnung nach Fig. 1 und des Blockschaltbildes nach Fig.4wird die Funktion und Signalgewinnung erläutert. Das erste Teilbündel 5 wird den Fotoempfängern 11 und 12 zugeführt, das zweite Teilbündel 6 nach Reflexion an den Umlenkelementen 24 und 27 und dem Strahlenteiler 7 den Fotoempfängern 13 und 14. Die Beträge der erzeugten fotoempfängersignale Sn; S₁₂; S^; S₁₄ werden die folgt voneinander subtrahiert:

Die Fotoempfänger 11 und 13 registrieren eine Lageabweichung des Lichtbündels 3 in x-Richtung und die Fotoempfänger 12 und 14 eine solche in y-Richtung.

Ändert sich die Strahllage des Lichtbündels 3 beim Verlassen der Beleuchtungsanordnung 4 in x- und/oder y-Richtung, so bleiben S₁ und S₂ dann konstant, wenn sich die Lage des Tastelementes 26 gegenüber der Tastelementaufnahme 23 nicht verändert hat, also keine Prüflingsantastung erfolgt ist. Das Tastelement 26 ist kraftschlüssig in einer reproduzierbaren Nullstellung in der Dreipunktlagerung 25 gelagert und bei einer Krafteinwirkung auf das Tastelement 26, z. B. bei einer Prüflingsantastung, ist dieses in allen drei Koordinatenrichtungen x; y; ζ gegenüber der Tastelementaufnahme 23 beweglich. Wird das Tastelement 26 in z-Richtung ausgelenkt, kippt es um eine der drei durch die Dreipunktlagerung 25 gebildeten Achsen, wobei es ebenfalls wie bei einer Auslenkung um diex-odery-Achsezu einer Veränderung der Strahllage des Teilbündels 6 und zu veränderten Fotoempfängersignalen Si₂ und S₁₄ kommt. Somit ändern sich auch die Größen Si und S₂. Das Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes für Si und S₂ wird durch die Signalverarbeitungseinheit 28 (Fig. 4) als erfolgte Prüflingsantastung registriert. Das dabei gelieferte Antastsignal kann zur Meßwerterfassung und/oder zum Abschalten der Antriebe des Meßgerätes benutzt werden, wobei immer ein Überlauf entsteht.

Bei einer gemeinsamen Verlagerung der Umlenkelemente 24 und 27 relativ zu den Fotoempfängern 13 und 14, was beispielsweise im Falle einer Deformation des Verlängerungsstückes 22 infolge einer ungewollten Berührung mit dem Prüfling auftreten kann, werden verwertbare und von einer normalen Prüfling auftreten kann, werden verwertbare und von einer normalen Prüflingsantastung unterscheidbare Signale erzeugt, die durch die Signalverarbeitungseinheit 28 oder auch durch einen Rechner als Havariesignale ausgewiesen werden und für einen Havarieschutz benutzt werden.

Als Fotoempfänger 11; 12; 13; 14; 16; 17; 18; 19 können z.B. Sensorzeilen oder Differenzfotodioden eingesetzt werden. Sind beispielsweise die Meßbereiche der Fotoempfänger 13; 14; 21 sehr klein bezüglich der Lageänderung des Teilbündels 6, können die Genauigkeitsanforderungen zur Justierung der Umlenkelemente 24 und 27 trotzdem gering bleiben, wenn das optische Element 10 im Strahlengang des Teilbündels 6 vorgesehen ist. Damit können z. B. Abweichungen der Umlenkelemente 24 und 27 von einer Sollage, die beim Tastelementwechsel oder beim Auswechseln der Tasteranordnung an der Meßpinole 2 oder des Verlängerungsstückes 22 entstehen, kompensiert werden. Mit der erfindungsgemäßen Tasteranordnung wird ein quasi „Scanningbetrieb" in folgender Weise möglich:

Die Tasteranordnung wird mit konstanter Geschwindigkeit in der Koordinatenachse verfahren, die den kleinsten Winkel zur abzutastenden Prüflingsfläche einschließt. Die Verfahrrichtung senkrecht zu dieser Achse wird ständig geändert, so daß die Tasteranordnung ständig über die anzutastende Fläche fährt. Immer, wenn Si oder S₂ erreicht wird, wird ein Ausgangssignal erzeugt und damit ein Meßpunkt registriert. Damit wird auch für Tastköpfe (bisher nur für Meßköpfe) an Koordinatenmeßgeräten ein Scanningbetrieb ermöglicht, ohne die Verfahrbewegung entlang der Prüflingsfläche unterbrechen zu müssen.

Claims

1. Tasteranordnung mit fotoelektrischer Signalgewinnung, umfassend ein, an einer Pinole eines Koordinatenmeßgerätes angeordnetes Tastergehäuse, an welchem direkt oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Zwischenstücke eine Tastelementaufnahme auswechselbar angeordnet ist, in welcher in einer federbeaufschlagten Dreipunktlagerung ein Tastelement ruht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Tasteranordnung tragenden Teil des Koordinatenmeßgerätes eine, ein paralleles Lichtbündel (3) aussendende Beleuchtungsanordnung (4), vorzugsweise ein Laser, und im Tastergehäuse (1) derTasteranordnung ein, das Lichtbündel (3) in ein erstes und ein zweites Teilbündel (5; 6) aufspaltender erster Strahlenteiler (7) vorgesehen ist, wobei einem jeden dieser Teilbündel (5; 6) im Tastergehäuse (1) mindestens ein Fotoempfänger (11; 12 und 12; 14) zugeordnet ist, daß im Strahlengang des zweiten Teilbündels (6) ein in der Tastelementaufnahme (23) starr befestigtes, erstes Umlenkelement (24) und ein mit dem Tastelement (26) fest verbundener und relativ zur Tastelementaufnahme (23) schwenkbares, zweites Umlenkelement (27) derart angeordnet sind, daß das zweite Teilbündel (6) ein in der Tastelementaufnahme (23) starr befestigtes, erstes Umlenkelement (24) und ein mit dem Tastelement (26) fest verbundener und relativ zur Tastelementaufnahme (23) schwenkbare^ zweites Umlenkelement (27) derart angeordnet sind, daß das zweite Teilbündel (6) in Richtung des ersten Strahlenteilers (7) umdenkbar und durch die Teilerfläche dieses Strahlenteilers (7) auf mindestens einen Fotoempfänger (13; 14) lenkbar ist, und daß die Fotoempfäng'er 11; 12; 13; 14; 16; 17; 18; 19 mit einer Signalverarbeitungseinheit (28) verbunden sind.

2. Tasteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Tastergehäuse (1), dem ersten Strahlenteiler (7) im Abstand nachgeordnet oder mit ihm verbunden im Strahlengang des ersten Teilbündels (5) und im Strahlengang des zweiten, durch die Teilerfläche des ersten Strahlenteilers (7) abgelenkten Teilbündels (6) je ein weiterer Strahlenteiler (8; 9) mit nachgeordneten Fotoempfängern (11; 12) und (13; 14) angeordnet ist.

3. Tasteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Tastergehäuse (1), dem ersten Strahlenteiler (7) unmittelbar nachgeordnet, im Strahlengang des ersten Teilbündels (5) und im Strahlervgang des zweiten, durch die Teilerfläche des ersten Strahlenteilers (7) abgelenkten oder diese passierenden Teilbündel (6) je ein in der Ebene strahllageempfindlicherfotoelektrischer Empfänger (20; 21) angeordnet ist.

4. Tasteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des zweiten Teilbündels (6) unmittelbar hinter dem ersten Strahlenteiler (7) ein die Strahllage dieses Teilbündels (6) unveränderndes optisches Element (10) vorgesehen ist.