DE102008037926B3

DE102008037926B3 - Vorrichtung zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften

Info

Publication number: DE102008037926B3
Application number: DE200810037926
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof. Dr. Jäger
Original assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Current assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: NL1037143C; NL1037143A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften (Fx, Fy, Fz), umfassend ein Tastelement (2), einen Taststift (3) und Federelemente (4, 5, 6) mit in diese integrierten Dehnungssensoren (7). Erfindungsgemäß sind zwischen dem Tastelement (2) und dem Taststift (3) zumindest zwei um 90 Grad zueinander versetzte Parallelfederelemente (4, 5) in Reihe und längs zum Taststift (3) angeordnet, wobei die Parallelfederelemente (4, 5) aus jeweils zwei parallel angeordneten Silizium-Blattfedern (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) und zwischen diesen angeordneten Abstandselementen (8.1 bis 8.6) bestehen und die Dehnungssensoren (7) piezoresistive Widerstände sind, welche in die Silizium-Blattfederelemente integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Stand der Technik sind Koordinatenmessgeräte bekannt, welche verschiedene Vorrichtungen zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften umfassen, mittels welcher beispielsweise Objektformen von Messobjekten wie maschinell hergestellte Werkstücke sehr genau vermessbar sind.
Aus der Druckschrift ”G. N. Peggs, A. J. Lewis, S. Oldfield: Design for a compact high-accuracy CMM; in: Annals of the CIRP, Vol. 48/1/1999, Seite 417–420” ist ein Mikrotaster bekannt, bei welchem mittels eines Tastelementes und eines Taststiftes Kräfte auf flexible Federelemente übertragbar sind, wobei diese Federelemente aus Berylliumkupfer gebildet sind. Eine Messung der Auslenkungen der Federelemente erfolgt mittels kapazitiven Sensoren.
Die Druckschrift ”S. Bütefisch et al: Mikrotaster für Anwendungen in der taktilen Wegmesstechnik, in: TM – Technisches Messen 5/2003, Seite 238–243” beschreibt einen piezoresistiven Mikrotaster, bei welchem piezoresistive Widerstände auf einer Siliziummembran zu Brücken zusammengeschaltet sind. Die Membran ist dabei mit einem Taststift zur Antastung der Messobjekte verbunden.
Weiterhin offenbart die WO 2006 010 395 A2 ein Sensormodul für einen Tastkopf eines taktilen Koordinatenmessgerätes. Dieses umfasst einen Rahmen, der eine feststehende Modulbasis bildet und damit eine erste Messebene definiert. Weiterhin ist ein relativ zu dem Rahmen beweglicher Teil des Koordinatenmessgerätes zu einer Aufnahme eines proximalen Endes eines Taststiftes vorgesehen, wobei der bewegliche Teil über zumindest zwei, vorzugsweise über vier, vonein ander getrennte Stege an denn Rahmen gehalten ist. Um eine erhöhte Steifigkeit zu erreichen, weist jeder dieser Stege im Querschnitt senkrecht zu einer ersten Messebene einen materialstarken Stegbereich auf, der zwischen zwei materialschwachen Stegbereichen ausgebildet ist, wobei der materialstarke Stegbereich eine Materialdicke besitzt, die größer ist als eine entsprechende Materialdicke der materialschwachen Stegbereiche.
Aus DE 196 41 720 A1 ist ein Tastkopf zur Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche bekannt, der die Messung von Koordinaten von Punkten an Werkstücken ermöglicht. Dabei ist der Taststift mit einer Tastkugel in den drei Hauptachsen mit Blattfedersystemen gelagert.
In US 2002/0014893 A1 sowie in US 4 050 049 A sind Messtaster beschrieben, die mit mikromechanischen Verfahren hergestellt wurden, wobei Silizium als Grundmaterial verwendet wird.
Nachteilig bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist jedoch, dass diese derart ausgebildet sind, dass die Möglichkeit besteht, dass der Taststift sich bei einer Antastung des Messobjektes verbiegt. Da der Taststift die Messkräfte auf Federelemente bzw. verschiedenartige Sensoren überträgt, stellt dessen Durchbiegung eine erhebliche Fehlerquelle dar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften anzugeben, welche die im Stand der Technik angegebenen Nachteile überwinden soll, das heißt eine Antastung der Messobjekte mit hoher Präzision und sehr guter Reproduzierbarkeit ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften umfasst ein Tastelement, einen Taststift und Parallelfederelemente mit Dehnungssensoren. Zwischen dem Tastelement und dem Taststift sind zumindest zwei um 90 Grad zueinander versetzte Parallelfederelemente in Reihe und längs zum Taststift angeordnet sind, wobei die Parallelfederelemente aus jeweils zwei parallel angeordneten Silizium-Blattfedern und zwischen diesen angeordneten Abstandselementen bestehen und die Dehnungssensoren piezoresistive Widerstände sind, welche in die Silizium-Blattfederelemente integriert sind.
Diese Federelemente und die in diesen integrierten Dehnungssensoren dienen zur Messung von Antastkräften in Querrichtung zum Taststift. Aufgrund der Anordnung der um 90 Grad zueinander versetzten und in Reihe angeordneten Federelemente mit den in diesen integrierten Dehnungssensoren unmittelbar nach dem Tastelement stellt eine Durchbiegung des Taststiftes keine Fehlerquelle bei der Vermessung der Messobjekte dar. Somit sind sehr genaue Messergebnisse erzielbar.
Da die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Technologien der Mikro- und Nanotechnik erfolgt, sind kleinste Abmessungen des Taststiftes und der Federelemente erzielbar. Daraus resultiert der Vorteil, dass auch Messobjekte mit kleinsten Abmessungen und sogar in diesen angeordnete Bohrungen gemessen werden können.
Am dem Tastelement abgewandten Ende des Taststiftes ist ein weiteres Federelement quer zu dem Taststift angeordnet, welches die Messung von Kräften in z-Richtung, also in Längsrichtung zum Taststift ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Parallelfederelemente aus zumindest zwei parallel angeordneten Silizium-Blattfederelementen und zwischen diesen angeordneten Silizium-Abstandselementen gebildet.
Vorteile einer derartigen Federführung sind insbesondere eine Spiel-, Verschleiß- und Wartungsfreiheit. Weiterhin ist die Anordnung der Federelemente mangels gleitender Gelenke bis auf die innere Reibung der Blattfederelemente nahezu reibungsfrei, was wiederum zu sehr genauen Messergebnissen führt.
Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass die Durchbiegung des Taststiftes die Messung der Kräfte in x- und y-Richtung und somit auch die Position des Antastelementes in x- und y-Richtung nicht beeinflusst, da die Parallelfedern zur Messung der x- und y-Größen unmittelbar nach dem Tastelement angeordnet sind.
Die Messung von Kräften in z-Richtung wird dadurch ermöglicht, dass am dem Tastelement abgewandten Ende des Taststiftes ein Federelement quer zum Taststift angeordnet ist. Da hierbei der Taststift in Längsrichtung beansprucht wird, werden Fehler infolge von Deformationen des Taststiftes auch hier weitestgehend verhindert.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass Abstandselemente und/oder der Taststift ebenfalls aus Silizium bestehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Parallelfedern ein aus den Silizium-Blattfederelementen und den Silizium-Abstandselementen gebildetes Formteil.
Eine hohe Messgenauigkeit und die weitere Eliminierung von Fehlereinflüssen gelingen dadurch, dass die piezoresistiven Widerstände zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung,
2 eine Ausführungsform, bei der Federelemente und Abstandselemente als Formteil ausgebildet sind,
3 eine weitere Ausgestaltung, bei der auch das quer zum Taststift angeordnete Federelement in ein Formteil einbezogen ist,
4 einen Ausschnitt der Vorrichtung,
5 einen Längsschnitt durch den der Messstelle zugewandten Teil der Vorrichtung
und
6 die Anordnung der Vorrichtung in einem Koordinatenmessgerät.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften F_x, F_y, F_z enthält ein Tastelement 2, einen Taststift 3 und die Parallelfederelemente 4, 5 und 6.
Die Parallelfederelemente 4, 5 und 6 werden aus jeweils parallel zueinander angeordneten Silizium-Blattfederelementen 4.1, 4.2, 5.1, 5.2 bzw. 6.1, 6.2 gebildet, wobei die jeweils parallel zueinander angeordneten Silizium-Blattfederelemente 4.1, 4.2 bzw. 5.1, 5.2 bzw. 6.1, 6.2 gleiche Eigenschaften, insbesondere gleiche Abmessungen und Federkonstanten aufweisen. In die Silizium-Blattfederelemente 4.2, 5.1 und 6.1 sind Dehnungssensoren 7 integriert, welche jeweils zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind.
Zwischen den Silizium-Blattfederelementen 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 sind Abstandselemente 8.1 bis 8.6 angeordnet, die ebenfalls aus Silizium bestehen.
Zwischen dem Tastelement 2 und dem Taststift 3 befinden sich die zwei um 90 Grad zueinander versetzten Parallelfederelemente 4 und 5, die in Reihe und längs zum Taststift 3 angeordnet sind, wobei das Tastelement 2 am unteren Abstandselement 8.1 des Federelementes 4 angeordnet ist.
Weiterhin ist ein Abstandselement 8.3 vorgesehen, mit dem das obere Federelement 5 mit dem Taststift 3 verbunden ist. In einer in 2 näher dargestellten Ausgestaltung der Erfindung dient der Taststift 3 als oberes Abstandselement 8.3 des Federelementes 5.
Zusätzlich ist ein mittleres Abstandselement 8.2 so ausgebildet, dass es gleichzeitig zur Beabstandung der Silizium-Blattfederelemente 4.1, 4.2 und der Silizium-Blattfederelemente 5.1, 5.2 dient.
Mit den in Reihe angeordneten Federelementen 4 und 5 und den in diesen integrierten Dehnungssensoren 7 kann die Messung der in 4 gekennzeichneten Kräfte F_x und F_y erfolgen, welche quer zum Taststift 3 in die Richtungen x und y wirken.
Quer zum Taststift 3 ist an dessen Ende, welches sich am dem Tastelement 2 abgewandten Ende befindet, das Federelement 6 angeordnet. Mit Hilfe der in den Silizium-Blattfederelement 6.1 angeordneten Dehnungssensoren 7 kann die in Längsrichtung zum Taststift 2 wirkende Kraft F_z bestimmt werden.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der das Ende des Taststiftes 3 mit dem Abstandselement 8.3 ein Formteil bildet.
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung 1, wobei der Taststift 3, die in Reihe geschalteten Federelemente 4 und 5, das quer zu dem Taststift 3 angeordnete Federelement 6 sowie die Abstandselemente 8.1 bis 8.6 als ein aus Silizium gefertigtes Formteil ausgebildet sind.
In 4 ist ein Ausschnitt der Vorrichtung 1 dargestellt, wobei die Kraft F_x welche in Richtung x quer zu dem Taststift 3 wirkt, proportional zur Dehnung ε_x des Federelementes 5 bzw. den in diesem angeordneten Dehnungssensoren 7 ist.
Weiterhin wirkt die um 90 Grad zur Kraft F_x versetzte Kraft F_y senkrecht auf das Federelement 4, so dass die Kraft F_y anhand einer zu dieser proportionalen Deh nung ε_y des Federelementes 4 bzw. der in diesem angeordneten Dehnungssensoren 7 ermittelbar ist.
Hieraus resultiert ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, welcher darin besteht, dass die Durchbiegung des Taststiftes die Messung der Kräfte F_x und F_y und die Position des Abstandselements in x- und y-Richtung nicht beeinflusst.
5 zeigt einen Teilschnitt der in 4 dargestellten Anordnung, in welcher detailliert dargestellt ist, dass das Abstandselement 8.2 gleichzeitig zur Beabstandung der Silizium-Blattfederelemente 4.1, 4.2 und der Silizium-Blattfederelemente 5.1, 5.2 dient. Weiterhin ist die Befestigung des Tastelementes 2 an dem Abstandselement 8.1 näher dargestellt.
In 6 ist ein Koordinatenmessgerät 9 dargestellt, in welchem die Vorrichtung 1 zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften F_x, F_y, F_z angeordnet ist.
Das Koordinatenmessgerät 9 dient zur Bestimmung von geometrischen Abmessungen von räumlichen Messobjekten 10, in gleichzeitig drei Richtungen x, y und z. Bei der Messung ist die Vorrichtung an verschiedene Messpunkte bewegbar, wobei jeder Punkt im Messbereich mit seinen kartesischen Koordinaten ermittelbar ist. Die Vorrichtung 1 ist mittels eines Befestigungselementes 11 an einer Pinole 12 befestigt, welche am Gestell 13 angeordnet ist.

1: Vorrichtung
2: Tastelement
3: Taststift
4: Parallelfederelement
4.1: Silizium-Blattfederelement
4.2: Silizium-Blattfederelement
5: Parallelfederelement
5.1: Silizium-Blattfederelement
5.2: Silizium-Blattfederelement
6: Parallelfederelement
6.1: Silizium-Blattfederelement
6.2: Silizium-Blattfederelement
7: Dehnungssensor
8.1...8.6: Abstandselement
9: Koordinatenmessgerät
10: Messobjekt
11: Befestigungselement
12: Pinole
13: Gestell
F_x: Kraft in x-Richtung
F_y: Kraft in y-Richtung
F_z: Kraft in z-Richtung

Claims

Vorrichtung (1) zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften (F_x, F_y, F_z), umfassend ein Tastelement (2), einen Taststift (3) und Parallelfederelemente (4, 5, 6) mit Dehnungssensoren (7), dadurch gekennzeichnet, dass am dem Tastelement (2) abgewandten Ende des Taststiftes (3) ein Parallelfederelement (6) quer zum Taststift (3) angeordnet ist und zwischen dem Tastelement (2) und dem Taststift (3) zumindest zwei um 90 Grad zueinander versetzte Parallelfederelemente (4, 5) in Reihe und längs zum Taststift (3) angeordnet sind, wobei die Parallelfederelemente (4, 5) aus jeweils zwei parallel angeordneten Silizium-Blattfedern (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) und zwischen diesen angeordneten Abstandselementen (8.1 bis 8.6) bestehen und die Dehnungssensoren (7) piezoresistive Widerstände sind, welche in die Silizium-Blattfederelemente integriert sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (8.1 bis 8.6) aus Silizium bestehen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taststift (3) und die um 90 Grad zueinander versetzten und in Reihe geschalteten Federelemente (4 und 5) jeweils mittels eines Abstandselementes (8.3) verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelfeder ein aus den Silizium-Blattfederelementen (4.1, 4.2, 5.1,5.2, 6.1, 6.2) und den Silizium-Abstandselementen gebildetes Formteil ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taststift (3) aus Silizium besteht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium-Taststift, die Silizium-Blattfederelemente (4.1, 4.2, 5.1,5.2, 6.1, 6.2) und die Silizium-Abstandselemente ein Formteil bilden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Widerstände zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind.