DE19617023C1 - Oberflächenmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung von Oberflächen, insbesondere zur Messung von deren Profilen, z. B. Form oder Rauheit, mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1. Das Meßgerätgerät kann zur punktweisen oder auch zur linienweisen Abtastung bzw. Erfassung von Oberflächen dienen.

Meßgeräte zur Erfassung von Profil oder Rauheit einer Werkstückoberfläche weisen einen Tastarm oder -stift auf, der einen Tastkörper trägt und mit diesem eine Oberflächenkontur eines Werkstückes abtastet. Häufig wird dabei eine kontinuierliche Abtastung der Werkstück­ oberfläche entlang einer vorgegebenen Linie bewirkt, indem das Werkstück und das Oberflächenmeßgerät relativ zueinander bewegt werden. Dadurch gleitet ein an dem Tastelement gehaltener Tastkörper oder eine Tastspitze über die Werkstückoberfläche, wobei die Auslenkung des Tastelementes im Zusammenhang mit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Oberflächenmeßgerät beispielsweise mittels eines X-Y-Schreibers als Auswertegerät festgehal­ ten wird. Die von dem X-Y-Schreiber erstellte Figur bildet die Oberflächenkontur des Werkstückes ab und kann nachfolgend ausgemessen werden. Die erreichbare Genau­ igkeit ist hierbei im wesentlichen durch den X-Y-Schrei­ ber begrenzt.

Von dem Meßgerät verursachte Meßfehler treten erst in Erscheinung, wenn anstelle von X-Y-Schreibern präzise­ re Auswertegeräte verwendet werden.

Wird der Tastkörper über die Werkstückoberfläche geführt, treten wechselnde, auf das Tastelement einwir­ kende Kräfte auf, die als Reibungskräfte von dem Andruck des Tastkörpers an die Werkstückoberfläche bestimmt sind und die darüber hinaus von der Neigung des jeweiligen abgetasteten Flächenbereiches in Bezug auf die Bewegungs­ richtung des Tastelementes abhängen. Im Extremfalle kann es, beispielsweise beim Abtasten von bekannten Werkstüc­ ken, dazu kommen, daß das Tastelement mit dem Tastkörper durch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Ober­ flächenmeßgerät rechtwinklig zu einem Flächenbereich geführt wird. In einem solchen Fall können Überlastungen des Oberflächenmeßgerätes auftreten, die leicht zu Be­ schädigungen führen.

Darüber hinaus kann es beim rechnergesteuerten Abtasten von Werkstücken, insbesondere von unbebekannten Werkstücken, zu Kollisionen zwischen dem Tastelement und dem Werkstück kommen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Werkstückoberfläche linienhaft abgetastet wird, wobei das Tastelement zwischen einzelnen Abtastvorgängen jeweils angehoben und in eine neue Anfangsposition zu­ rückgefahren wird. Beim Zurückfahren läuft das von der Werkstückoberfläche abgehobene Tastelement mit relativ großer Geschwindigkeit. Sind an dem Werkstück unbekannte Vorsprünge oder dgl. vorhanden, kann es zu Kollisionen mit Beschädigungen des Oberflächenmeßgerätes kommen.

Auch bei manuellen Arbeitsvorgängen, beispielsweise dem Aufspannen von zu vermessenden Werkstücken oder bei der Entnahme derselben, gilt es, Kollisionen mit dem Tastelement zu vermeiden, um keine Beschädigungen des Oberflächenmeßgerätes zu verursachen.

Andererseits ist das Tastelement möglichst starr an ein Meßwandlersystem zu koppeln, um eine hohe Genauigkeit bei der Meßwerterfassung zu erreichen.

Aus der DE 43 45 091 C2 ist ein Meßtaster mit mehr­ dimensionalem Tastsystem bekannt, der ein Gehäuse mit einem darin angeordneten Meßwandlersystem aufweist. Das Meßwandlersystem ist über entsprechende Kraftübertra­ gungsmittel mit einer über Federgelenke schwenkbar gela­ gerten Tastarmtragplatte verbunden, die durch einen Ausschnitt des Gehäuses zugänglich ist. Die Tastarmtrag­ platte dient als Kupplungsmittel für eine Tastarmkupp­ lungsplatte, die starr mit dem Taststift oder Tastarm verbunden ist.

In gekuppeltem Zustand ist eine exakte starre Ver­ bindung zwischen der Tastarmtragplatte und der Tastarm­ kupplungsplatte vorhanden.

Aus der DE 35 32 184 C1 geht eine Meßmaschine her­ vor, die einen Tastkopf mit einem Tastelement aufweist. Der Tastkopf ist über eine bedarfsweise lösende Kupp­ lungseinrichtung mit einer Pinole verbunden. Die Kupplungseinrichtung läßt bei Überlast eine beschränkte Ausweichbewegung zwischen der Pinole und dem Tastkopf zu und koppelt ansonsten starr. Die Kupplungseinrichtung weist eine mit dem Tastkopf verbundene Halbkugel auf, die von einer Blattfeder in eine mit der Pinole verbundene Pfanne gedrückt wird. Die Blattfeder ist mit einem Ende mit der Pinole und mit ihrem anderen Ende mit dem Meßkopf verbunden.

Bei schwereren Kollisionen können dennoch Schäden auftreten.

Darüber hinaus ist aus der EP 0 523 906 B1 ein schaltender Tastkopf mit automatischer Taststiftdrehein­ richtung bekannt. Der Tastkopf weist ein mit einem Meß­ wandler gekoppeltes, hohlzylindrisches Trägerteil auf, in dessen ringförmige Stirnseite drei sternförmig angeord­ nete Walzenpaare eingelassen sind. Diese dienen der Ausrichtung einer scheibenförmigen Kupplungsplatte, von der sich ein Taststift radial weg erstreckt. An der dem hohlzylindrischen Trägerelement zugewandten Seite weist die Kupplungsplatte eine Gruppe auf einem Kreis angeord­ neter äquidistant voneinander beabstandeter Kugeln auf, deren Anzahl durch Drei teilbar ist. Zur Ausrichtung der Kupplungsplatte an dem Trägerteil finden drei Kugeln der Gruppe jeweils in den von einem Walzenpaar definierten Zwischenraum und legen damit die Drehposition der Kupp­ lungsplatte fest, wobei sie deren Mittelachse näherungs­ weise definieren. Die Kupplungsplatte kann in Stufen weitergedreht werden, deren Größe der Beabstandung der Kugeln voneinander entspricht. Zur Halterung der Kupp­ lungsplatte an dem Trägerteil weist dieses wenigstens einen Permanentmagneten auf. In der von dem Trägerteil definierten Mittelöffnung sitzt eine längsverschiebbar sowie drehbar angeordnete Welle, die von einem Motor antreibbar ist. Die Welle kommt mit ihrer Stirnfläche mit der Kupplungsplatte in Eingriff, wenn sie auf diese zu vorgeschoben wird. Durch einen entsprechenden Vorschub wird die Kupplungsplatte von den Walzen abgehoben, in die gewünschte Drehposition gebracht und durch Rückzug der Welle wieder an das Trägerteil angekoppelt. In dieser Position ist sie durch den Permanentmagneten gehalten.

Die Lage der Kupplungsplatte ist durch insgesamt drei Anlageorte definiert, die jeweils durch eine Kugel und ein Walzenpaar gebildet werden. Die Anlageorte sind durch die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreieckes defi­ niert und legen jeweils zwei Freiheitsgrade fest. Während hinsichtlich der Drehstellung der Kupplungsplatte eine gute Ausrichtung derselben erreicht wird, kann die Mit­ telachse der Kupplungsplatte in unterschiedlichen Drehpo­ sitionen etwas differieren oder wandern.

Darüber hinaus gestattet es der genannte Meßkopf, die Kupplungsplatte mit dem Taststift abzunehmen und bedarfsweise durch eine andere Kupplungsplatte mit Tast­ stift zu ersetzen oder auszutauschen. Die hinsichtlich der Positionierung des Taststiftes erreichbare Genau­ igkeit ist dabei, wie oben erläutert, beschränkt oder nur mit erhöhtem Aufwand verbesserbar.

Aus der DE 31 52 731 C2 ist ein Konturmeßinstrument bekannt, das einen in einem Gehäuse schwenkbar gelagerten Tastarm aufweist. Der Tastarm ragt durch eine an der Stirnseite des Gehäuses vorgesehene Öffnung nach außen und trägt an seinem freien Ende einen Taststift zum Erfassen der Kontur eines Werkstückes, wenn er über dessen Oberfläche geführt wird. Der Tastarm ist etwa in der Mitte eines aus dem Gehäuse ragenden Abschnittes mit einem Drehgelenk versehen, das eine Drehung des von dem Gehäuse abliegenden Armabschnittes gegen den übrigen Arm und das Gehäuse um eine Armlängsachse zuläßt. Das Drehge­ lenk ist mittels eines Kugel-Rastmechanismus in mehreren Drehstellungen arretierbar.

Das an dem Tastarm vorgesehene Drehgelenk dient der Einstellung unterschiedlicher Taststiftlängsrichtungen beim Abtasten von Oberflächen. Wenn jedoch an dem Tast­ stift oder an anderen Abschnitten des Tastarmes Kräfte angreifen, die ein zulässiges Maß überschreiten, kann eine Beschädigung des Konturmeßinstrumentes nicht ausge­ schlossen werden. Bei der Bedienung ist darauf Rücksicht zu nehmen.

Daraus sowie aus der eingangs genannten Problematik leitet sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ab, ein Oberflächenmeßgerät zu schaffen, das eine hohe Meßgenauigkeit aufweist und dessen Bedienung vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Oberflächenmeßgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Tech­ nik, bei dem der den Taststift haltende Abschnitt des Tastarmes bzw. Tastelementes über ein Drehgelenk sowie über weitere Kraftübertragungsmittel mit dem Meßwandler gekoppelt ist, ist die Kupplungseinrichtung bei der Erfindung als Trennstelle ausgebildet. Damit ist das Tastelement, das als Tastarm oder Taststift ausgebildet sein kann, bei Überlast von dem übrigen Oberflächenmeßge­ rät trennbar. Während die Kupplungseinrichtung bei norma­ lem Meßbetrieb die auftretenden Kräfte auf das Meßsystem und somit die auftretenden Bewegungen auf den Meßwandler überträgt, löst sie bei Auftreten von Überlast den Kraft­ fluß auf, so daß sich das Tastelement von dem Oberflä­ chenmeßgerät löst. Dadurch wird ein wirksamer Schutz gegen Überlastung, Kollisionen und Fehlbedienungen er­ reicht. Das Oberflächenmeßgerät wird dadurch robuster und die Bedienung wird dadurch vereinfacht.

Zu der Kupplungseinrichtung gehören vorzugsweise mehrere Anlagestellen oder -flächen für entsprechend profilierte Flächen des Tastelementes (Kupplungen). Die Kupplungen sind in einem möglichst großen Abstand zuein­ ander angeordnet und liegen auf einer mit der Tastarm­ längsrichtung übereinstimmenden oder zu dieser parallelen Geraden. Dadurch wird sowohl eine große Basis zur Über­ tragung von Bewegungen, d. h. Meßwerten, von dem Tast­ element auf den Meßwandler als auch eine starre, vor allem biegesteife Ankopplung des Tastelementes an einen Meßwandler oder ein Meßwandlersystem geschaffen.

Außerdem wird es dadurch neben einem massearmen Aufbau bei genügend großer Basis zur Meßwertübertragung ermöglicht, die Kupplungseinrichtung auf konstruktiv besonders einfache Weise so auszubilden, daß sie unabhän­ gig von der Richtung der einwirkenden Kraft bei Über­ schreiten eines Maximalbetrages öffnet. Dies kann bei­ spielsweise dadurch erreicht werden, daß die Kupplungs­ einrichtung keine rechtwinklig zu der Tastarmlängsrich­ tung ausgerichteten, miteinander in Anlage befindlichen Fläche enthält und daß keine sonstige in Eingriff bring­ bare Flächen vorhanden sind, die zu einer Anlage zwischen Tastelement und Gehäuse führen könnten. Noch allgemeiner ausgedrückt, enthält die Kupplungseinrichtung vorzugs­ weise keine Flächenanordnung oder miteinander in Anlage befindliche Flächen, die durch auf das Tastelement ein­ wirkende Schub- oder Zugkräfte in Anlagerichtung belastet werden.

Die Kupplungen der Kupplungseinrichtung sind vor­ zugsweise so ausgebildet, daß die erste Kupplung das Tastelement hinsichtlich dreier Freiheitsgrade, d. h. beispielsweise dreier Koordinatenrichtungen, festlegt, während die zweite Kupplung beispielsweise zwei Dreh- oder Schwenkrichtungen festlegt. Eine dritte Kupplung legt die letzte Schwenkrichtung fest, wodurch alle sechs Freiheitsgrade des starren Tastelementes an dem Meßwand­ ler oder das Meßwandlersystem gekoppelt sind. Damit ist eine vollständige Meßwertübertragung sichergestellt. Darüber hinaus bringt diese Aufteilung der Freiheitsgrade auf insgesamt drei Kupplungen den Vorteil, daß zumindest an den ersten beiden, die Meßwertübertragung bewirkenden Kupplungen beim Schließen der dritten Kupplung in einer Schwenkbewegung ein Reiben der Kupplungshälften oder An­ lageflächen aneinander erfolgt. Damit werden Staub- oder Schmutzschichten so weit beseitigt, daß die miteinander in Anlage befindlichen Flächen eine genaue Positionierung zueinander einnehmen. Dies erhöht die Genauigkeit der Meßwertübertragung von dem Tastelement zu dem Meßwandler.

Die Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise insbeson­ dere hinsichtlich der Längsrichtung des Tastelementes nach Art eines Rastmittels ausgebildet. Dadurch wird ein Lösen der Kupplungseinrichtung infolge von Kräften er­ möglicht, die in der Längsrichtung des Tastelementes wirken.

Ein dritter, durch die Drehung des Tastelementes um seine Längsachse definierter Freiheitsgrad ist für die Meßwertübertragung von untergeordneter Bedeutung. Jedoch wird auch hier eine höchstmögliche Festlegungsgenauigkeit erreicht, wenn die betreffende Kupplung in einem mög­ lichst großen Radialabstand zu der Längsachse angeordnet ist.

Die an dem ersten Anlageort angeordnete, drei Frei­ heitsgrade festlegende Kupplung weist vorzugsweise eine gewölbte Fläche auf, die bspw. sphärisch gewölbt sein kann. Bei einer einfachen Ausführungsform ist dies eine Kugelfläche. Bei einer abgewandelten Ausführungsform sind anstelle dessen drei Punktberührungen vorhanden, die ebenfalls drei Freiheitsgrade festlegen.

An dem zweiten Anlageort sind vorzugsweise lediglich zwei Punktberührungen ausgebildet. Möglich sind bspw. Kugel-Flächen-Berührungen oder Zylinder-Zylinder-Berüh­ rungen.

Für die Genauigkeit der Meßwertübertragung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der erste und der zweite Anlageort beidseits und möglichst in gleichen Abständen zu einer Drehachse des Tastelementes oder in der Nachbarschaft eines Drehpunktes angeordnet sind. Dadurch konzentriert sich die Masse der Kupplungsein­ richtung um die Drehachse, wodurch sich das Trägheits­ moment vermindert. Dies verbessert die Dynamik.

Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete, sind ein­ fache und zuverlässig wirkende Befestigungsmittel zum Vorspannen der Kupplungseinrichtung auf ihre Kuppelstel­ lung hin.

Das Abnehmen und Auswechseln von Tastelementen wird insbesondere bei Verwendung von Permanentmagneten zum Schließen der Kupplungseinrichtung erleichtert, wenn an der Kupplungseinrichtung wenigstens ein zwischen dem Tastelement und seiner Halterung wirkendes Nockenmittel vorgesehen ist, das durch Hebelwirkung ein Trennen der Kupplungseinrichtung erleichtert.

Wird, wie es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Fall ist, der Schwerpunkt des Tastelementes in seine von einer Lagereinrichtung festgelegte Drehachse bzw. in einen entsprechenden Drehpunkt gelegt, ist das Oberflä­ chenmeßgerät ohne Genauigkeitseinbußen in unterschiedli­ chen Lagen betreibbar. Wenn der Tastarm aus einem kohle­ faserverstärkten Material besteht, ist es möglich, zu­ gleich eine hohe Steifigkeit und Meßwertübertragungs­ genauigkeit als auch eine geringe Masse zu erreichen, die die dynamischen Eigenschaften des Oberflächenmeßgerätes verbessert und es erleichtert, den Schwerpunkt des Tast­ elementes in die Drehachse bzw. den Drehpunkt zu ver­ legen. Dies kann für einen Satz unterschiedlicher bereit­ gehaltener Tastelemente jeweils individuell geschehen, so daß der Wechsel von Tastelementen kein Nachjustieren von irgendwelchen Gegengewichten oder anderweitigen Kompensa­ tionseinrichtungen für die Lage des Schwerpunktes erfor­ dert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßtaster mit einem außerhalb seines Gehäuses angekuppelten Taststift, in einer Perspektivdarstellung,

Fig. 2 den Meßtaster nach Fig. 1, mit abgenommenem Taststift, in Perspektivdarstellung,

Fig. 3 den Meßtaster nach den Fig. 1 und 2, mit abge­ nommenem Taststift und freiliegenden Kupplungen in perspektivischer Darstellung und in einem anderen Maßstab,

Fig. 4 den Taststift und die Kupplungen des Meßtasters nach den Fig. 1 bis 3, in einer schematisierten Darstellung,

Fig. 5 die Kupplungen und den Taststift des Meßtasters nach den Fig. 1 bis 3, in einer schematisierten Draufsicht,

Fig. 6 ein an einem Stativ gehaltenes Konturenmeßgerät mit einem schwenkbar gelagerten Tastarm, in einer vereinfachten Perspektivdarstellung,

Fig. 7 eine den Tastarm des Konturenmeßgerätes nach Fig. 6 haltende Kupplungseinrichtung, in einer stark schematisierten Darstellung, und

Fig. 8 den von dem Konturenmeßgerät nach Fig. 6 ge­ trennten Tastarm in einer perspektivischen Ansicht auf seine Kupplungen.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein als dreidimensionaler Formmeßta­ ster dienendes Meßgerät 1 veranschaulicht, der einen vollständig außerhalb seines Gehäuses 2 gelagerten Tast­ stift 3 aufweist. Das ein nicht weiter dargestelltes Meßwandlersystem enthaltende Gehäuse 2 umschließt einen bspw. an einem Arm einer Meßmaschine gehaltenen Grundrah­ men, an dem der Taststift 3 über eine Kupplungseinrich­ tung 4 und eine entsprechend ausgebildete, in dem Gehäuse 2 befindliche Lagereinrichtung schwenkbar gelagert ist, die einen in dem Tastarm liegenden Hauptdrehpunkt H definiert.

Die Kupplungseinrichtung 4 verbindet den im wesent­ lichen gerade ausgebildeten, im rechten Winkel von der Unterseite des Gehäuses 2 weg ragenden Taststift 3 mit dem in dem Gehäuse 2 angeordneten Wandlersystem zur Umwandlung einer Auslenkung des Taststiftes 3 bzw. seines an seinem freien Ende angeordneten Tastkörpers 5 in elektrische Signale. Der Taststift 3 ist dabei so an­ geordnet, daß seine Längsmittelachse 6 durch einen nut­ artigen, freigestellten, durchgehenden Kantenbereich 7 des Gehäuses 2 verläuft. Vorzugsweise ist der einsprin­ gende Kantenbereich 7 dabei derart ausgebildet, daß der Taststift 3 an seinen beiden Seiten von Teilen oder Abschnitten des Gehäuses 2 überragt ist.

In diesem insbesondere auch aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Kantenbereich 7 ist der Taststift 3 an zwei bezüglich der Längsachse 6 des Taststiftes hintereinander angeordneten und voneinander beabstandeten Kupplungen 11, 12 gehalten, die entsprechende Anlageelemente 13, 14 aufweisen und Anlageorte für den Taststift 3 definieren. Zusätzlich ist eine weitere, außerhalb des Kantenberei­ ches 7 angeordnete Kupplung 15 vorgesehen, die ein An­ lageelement 16 aufweist, das einen Anlageort für einen sich im wesentlichen in radialer Richtung von dem Tastarm 3 weg erstreckenden Hebel 17 definiert.

Während die Kupplungen 11, 12 in geringem Abstand zu der Längsachse 6 des Tastarmes 3 angeordnet sind, ist der Abstand zwischen der Längsachse 6 und der Kupplung 15 größer.

Der Abstand der Kupplungen 11, 12 voneinander ist wenigstens so groß wie ein Drittel der Länge des Tast­ stiftes 3 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel nahezu halb so groß. Dadurch wird eine ausreichend große Basis zur Übertragung der Bewegungen des Taststiftes 3 über die Anlageelemente 13, 14 auf das im Inneren des Gehäuses 2 liegende Meßsystem geschaffen.

Zur Lagerung des Taststiftes 3 an den Anlageelemen­ ten 13, 14 ist dieser an seinem oberen Ende mit einem vorzugsweise ferromagnetischen Anlagestück 21 und in seinem mittleren Bereich mit einem manschettenartigen Anlagestück 22 versehen. Der Abstand zwischen den An­ lagestücken 21, 22 stimmt mit dem Abstand zwischen den Anlageelementen 13, 14 überein.

Die Ausbildung der die Wandung des Gehäuses 2 bei entsprechenden, relativ knapp bemessenen Öffnungen 23, 24, 25 durchragenden, als Kupplungsstücke oder -hälften wirkenden Anlageelemente 13, 14, 16 ist insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich. Die Anlageelemente 13, 14, 16 sitzen auf einem in dem Gehäuse 2 um eine wählbare Achse schwenkbaren oder um einen Punkt (Hauptdrehpunkt H) schwenkbar gelagerten Rahmen. Das Anlageelement 13 wird durch eine nach Art eines Prismas ausgebildete Aufnahme gebildet, in der axial, d. h. in Richtung der Längsachse 6, gegeneinander versetzt und im rechten Winkel zuein­ ander zwei Stifte 28, 29 eingelassen sind. Diese dienen, wie insbesondere Fig. 4 zeigt, der Anlage und Ausrichtung des Anlagestückes 21. Dieses weist zur Aufnahme des Stiftes 28 eine Ringnut 31 mit vorzugsweise dreieckigem Querschnitt auf. Oberhalb der Ringnut 31 ist eine Zylin­ derfläche 32 ausgebildet. Unterhalb der Ringnut 31 weist das Anlagestück 21 an seiner von dem freien oberen Ende des Taststiftes 3 abliegenden Seite eine Zylinderfläche 33 auf, die in angekuppeltem Zustand an dem Stift 29 anliegt.

Die an dem Anlagestück 21 vorgesehene Zylinderfläche 33 wirkt mit zwei an dem Anlagemittel 13 vorgesehenen Permanentmagneten 34, 35 zusammen. Diese sind so angeord­ net und polarisiert, daß sie das Anlagestück 21 an das Anlagemittel 13 anziehen, wobei die genaue Position des Anlagestückes 21 durch die Stifte 28, 29 bestimmt wird. Zwischen den Permanentmagneten 34, 35 und der Zylinder­ fläche 33 bleibt ein, wenn auch kleiner, Luftspalt.

Wie in Fig. 4 angedeutet ist, ist das Anlagestück 21 und damit der Taststift 3 an der Kupplung 11 in drei Koordinatenrichtungen K1, K2, K3 festgelegt. Der Stift 28 legt im Zusammenwirken mit der Nut 31 die Koordinaten­ richtungen K2 und K3 fest. Dies sind eine bezüglich der Längsachse 6 radiale Richtung (K3), die in Fig. 4 senk­ recht auf der Zeichenebene steht, sowie die Richtung der Längsachse 6 (K2). Ergänzend bestimmt der Stift 29 mit der Anlage der Zylinderfläche 33 eine dritte, bezüglich der Längsachse 6 radiale Koordinatenrichtung K1. Ins­ gesamt sind somit drei in unterschiedlichen Richtungen wirkende Punktberührungen ausgebildet.

Die Kupplung 12 wird in seiner Funktion durch zwei rechtwinklig zueinander gehaltene Stifte 37, 38 bestimmt, die mit einer an dem Anlagestück 22 vorgesehenen, auf einem Zylindermantel liegenden Anlagefläche 39 zusammen­ wirken. Dabei steht jeweils eine Mantellinie des jeweili­ gen Stiftes 37, 38 mit der Anlagefläche 39 in Punktberüh­ rung. Der Stift 37 legt mit der Anlagefläche 39 eine Schwenkrichtung S1 fest und verhindert somit ein Schwen­ ken des Taststiftes 3 in Richtung des Pfeiles S1 in Fig. 4. Entsprechend legen der Stift 38 und die Anlagefläche 39 die Lage des Taststiftes bezüglich einer Schwenkbewe­ gung in Richtung des senkrecht auf der Zeichenebene stehenden Pfeiles S2 fest.

An oder in dem Anlageelement 14 vorgesehene Perma­ nentmagnete 40a, 40b halten den Taststift 3 im Bereich des Anlagestückes 22 an dem Anlageelement 14, wobei sie in Haltestellung einen geringfügigen Abstand zu dem An­ lagestück 22 aufweisen.

Der Taststift 3 ist somit an den nahe bei der Längs­ achse 6 angeordneten Kupplungen 11, 12 hinsichtlich der für die Meßwertübertragung wesentlichen Freiheitsgrade präzise an das Meßwandlersystem gekoppelt.

Ein letzter, eine Drehung des Taststiftes 3 um seine Längsachse 6 bedeutender Freiheitsgrad wird durch die Anlage des Hebels 17 mit einer an diesem ausgebildeten Planfläche 41 an einer an dem Anlageelement 16 angeord­ neten Kugel 42 festgelegt. Der Hebel 17 wird durch einen Permanentmagneten 43 mit der Kugel 42 in Anlage gehalten.

Insbesondere zur Erleichterung des Lösens der von den Kupplungen 11, 12, 15 definierten Kupplungseinrich­ tung 4 ist an dem Anlagestück 22 an der dem Hebel 17 gegenüberliegenden Seite eine Nase oder ein Nocken 45 vorgesehen, der eine plan oder bedarfsweise leicht ver­ rundet ausgebildete Druckfläche 46 aufweist. Diese ist so angeordnet, daß sie von dem prismenartig ausgebildeten Anlageelement 14 etwas beabstandet ist, wenn die Anlage­ fläche 39 an den Stiften 37, 38 anliegt und wenn der Hebel 17 mit seiner Planfläche 41 an der Kugel 42 der Kupplung 15 anliegt.

Das insoweit beschriebene Meßgerät 1 arbeitet wie folgt und wird folgendermaßen bedient:
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Meßgerät 1 ist der Taststift 3 über die Kupplungseinrichtung 4 für die zu übertragenden Meßkräfte starr an das in dem Gehäuse 2 an­ geordnete Meßwandlersystem angekoppelt. Beim Antasten von Meßpunkten mit dem Tastkörper 5 werden die Bewegungen des Taststiftes 3, d. h. Schwenkbewegungen um den Hauptdreh­ punkt H und/oder Axialbewegungen, ohne Verfälschung auf das Meßsystem übertragen. Überschreiten an nahezu belie­ biger Stelle auf den Taststift einwirkende Kräfte einen Maximalwert, löst sich der lediglich durch die Permanent­ magnete 34, 35, 40a, 40b, 43 gehaltene Taststift 3, d. h. die Kupplungseinrichtung 4 öffnet.

Im einzelnen bewirkt eine in Richtung der Längsachse 6 gerichtete, die Maximalkraft überschreitende Kraft ein Ausrasten und Abrutschen der Ringnut 31 von dem Stift 28, womit sich der Taststift 3 nahezu widerstandsfrei ver­ schieben läßt (in Fig. 1 nach oben). Die Haltekraft der Permanentmagnete läßt spätestens dann signifikant nach, wenn die Anlagestücke 21, 22 aus deren Bereich heraus verschoben sind, wodurch der Taststift 3 von dem übrigen Meßgerät 1 getrennt ist.

Ähnlich öffnet die Kupplungseinrichtung 4 für alle radial an dem Tastkörper 5 oder dem sich unterhalb des Bodens des Gehäuses 2 erstreckenden Abschnittes des Taststiftes 3 einwirkenden Kräfte. Das Meßwandlersystem und die Lagereinrichtung sind dadurch wirksam vor Über­ lastung geschützt.

Durch die Anordnung des sich zwischen den Kupplungen 11, 12 erstreckenden Abschnittes des Tasters 3 innerhalb der in dem Kantenbereich 7 angeordneten Nut sind selbst Kollisionen von Werkstücken mit dem Meßtaster 1 in dem Kantenbereich 7 relativ ungefährlich für den Meßtaster 1. Hier schützt das den Taststift 3 seitlich übergreifende Gehäuse 2 vor zwischen den Kupplungen 11, 12 angreifenden Druckkräften (radiale Richtung bezüglich der Längsachse 6).

Auf diese Weise ist ein wirksamer Kollisionsschutz erbracht, der bei hoher Präzision bei der Übertragung der Meßwerte eine sehr einfache Bedienung ermöglicht, bei der Kollisionen des Taststiftes 3 mit Hindernissen nicht zur Beschädigung des Meßgerätes 1 führen.

Soll der Taststift 3 von dem übrigen Meßgerät 1 abgenommen werden, wird zunächst der Hebel 17 von dem Gehäuse weg geschwenkt. Dabei drückt der Nocken 45 das Anlagestück 22 von den Permanentmagneten 40a, 40b ab, wodurch der Taststift 3 in Radialrichtung frei ver­ schwenkbar wird. Wird dieser nun von dem Gehäuse 2 weg nach oben verschwenkt, drückt die an dem Anlagestück 21 vorgesehene Zylinderfläche 32 das Anlagestück 21 von den Permanentmagneten 34, 35 ab, so daß sich der Taststift 3 leicht abnehmen läßt.

Zum Ankoppeln des Taststiftes 3 oder eines ähnlichen längeren oder kürzeren Taststiftes wird dieser zunächst mit seinem Anlagestück 21 an das Anlagemittel 13 ange­ setzt, wobei die Permanentmagnete 34, 35 eine Anziehung bewirken. Durch eine gewisse Axialverschiebung rastet die Ringnut 31 an dem Stift 28 ein. Eine leichte Schwenkbewe­ gung führt den Taststift 3 mit seinem Anlagestück 22 an das Anlagemittel 14. Die dabei entstehende Relativbewe­ gung zwischen dem Anlagestück 21 und den Stiften 28, 29 bewirkt die Entfernung von im Anlagebereich befindlichem Staub oder ähnlichen Verschmutzungen.

Sobald das Anlagestück 22 in den Bereich der Perma­ nentmagnete 40a, 40b gelangt, ziehen diese das Anlage­ stück 22 an die Stifte 37, 38. Im letzten Schritt wird nun der Hebel 17 zu der Kupplung 15 geschwenkt, wobei der Taststift 3 eine Drehung um seine Längsachse 6 vollführt. Die dabei an den Kupplungen 11, 12 auftretende Reibung führt zu einer sicheren Positionierung der Anlagestücke 21, 22 an den jeweiligen Stiften 28, 29, 37, 38. Damit ist die Position des Tastkörpers 5 mit guter Reproduzier­ barkeit auf einfache Weise festgelegt. Das Ansetzen und Abnehmen von Taststiften 3 ist sehr einfach und geht schnell vonstatten.

Eine alternative Ausführungsform eines Meßgerätes ist in Fig. 6 dargestellt, die ein Konturenmeßgerät 61 veranschaulicht. Dieses ist an einem entsprechend einge­ richteten, eine vertikal aufragende Säule 62 aufweisenden Stativ 63 gehalten. Das Konturenmeßgerät 61 dient der zweidimensionalen Erfassung von Oberflächenprofilen von Werkstücken, die ruhend auf einem nicht weiter darge­ stellten, entsprechenden Tisch gehalten sind. Das Kon­ turenmeßgerät 61 weist zur Abtastung der Oberflächenkon­ tur eine Tastspitze 64 auf, die an dem freien Ende eines schwenkbar gelagerten Armes 66 gehalten ist, der vorzugs­ weise durch ein kohlefaserverstärktes Kunststoffrohr (CFK) gebildet ist.

Der Arm 66 ist an seinem von der Tastspitze 64 abliegenden Ende in einem Kuppelgehäuse 67 gefaßt. Das Kuppelgehäuse 67 sitzt auf einer um eine Schwenkachse 68 gelagerten Wippe 69 und ist lösbar mit dieser verbunden. Die Wippe 69 wird von einer Linearführung getragen, die innerhalb eines Gehäuses 71 angeordnet ist. Die Linear­ führung enthält eine nicht weiter dargestellte, bezüglich des Gehäuses 71 und einer an der Säule 62 vorgesehenen höhenverstellbaren Halterung 72 ortsfest gelagerte Füh­ rungsschiene, auf der ein Schlitten motorgetrieben längs­ verstellbar gelagert ist. Der Schlitten trägt über eine Schwenklagerung und eine Verbindungswelle die Wippe 69. Die Verbindungswelle durchgreift das Gehäuse 71 bei einer schlitzartigen, parallel zu der Führungsschiene verlau­ fenden Öffnung 73.

Das Kuppelgehäuse 67 und die Wippe 69 enthalten eine Kupplungseinrichtung 74, die schematisiert in Fig. 7 veranschaulicht ist. Zu der Kupplungseinrichtung 74 gehören drei voneinander beabstandete, Anlageorte defi­ nierende Kupplungen 81, 82, 83, zu denen Kupplungsteile 84, 85, 86 auf Seiten der Wippe 69 sowie als Gegenstücke zu diesen dienende Kugeln 87, 88, 89 auf Seiten des Kuppelgehäuses 67 gehören. Das Kuppelgehäuse und die Kugeln 87, 88, 89 sind auch aus Fig. 8 ersichtlich. Eine in dem Kuppelgehäuse 67 angeordnete, die Kugeln 87, 88, 89 starr miteinander sowie mit dem Arm 66 verbindende Halterung 67a ist im einzelnen aus Fig. 8 ersichtlich und in Fig. 7 einschließlich einer Längsachse 91 des Armes 66 lediglich strichpunktiert angedeutet.

Die im Querschnitt L-förmige Wippe 69 weist einen sich parallel zu der Längsachse 91 des Armes 66 erstrec­ kenden Auflageschenkel 92 auf, der die beiden in Längs­ richtung des Armes 66 voneinander beabstandeten Kupp­ lungshälften oder -teile 84, 85 trägt. Das Kupplungsteil 84 ist eine spärische gewölbte Pfanne, die geringfügig konisch ausgebildet ist, um mit der Kugel 87 eine Linien­ berührung zu definieren. Demgegenüber ist das Kupplungs­ teil 85 ein Prisma. Ein von der Schwenkachse 68 und dem Auflageschenkel 92 aufragender Anlageschenkel 93 trägt das Kupplungsteil 86, das als Planfläche ausgebildet ist.

Den Kupplungsteilen 84, 85 sind jeweils Permanentma­ gnete 94a, 94b oder Permanentmagnetpaare zugeordnet. Diese sind derart etwas außermittig angeordnet, daß ein die Kupplung 81 in Schließrichtung spannendes Moment entsteht. Die Kupplung 81 kommt damit ohne Permanentma­ gnet aus, wodurch jedoch im Kollisionsfalle ein besonders leichtes Lösen des Armes 66 erreichbar ist.

Bedarfsweise kann auch ein dritter Permanentmagnet 94c vorgesehen sein, der an der Kupplung 83 angeordnet ist und diese geschlossen hält.

Während die Kugeln 87, 88 im Ausführungsbeispiel auf einer die Spitze 95 der Tastspitze 64 berührenden Linie 91′, die parallel zu der Längsachse 91 des Armes 66 verläuft, oder in deren Nähe angeordnet sind, ist die Kugel 89 in einigem Abstand zu der Linie 91′ angeordnet.

An der Kupplung 81 ist eine Kugel-Pfanne-Verbindung gebildet, die drei Freiheitsgrade oder Koordinatenrich­ tungen K1, K2, K3 festlegt. Die hier ausgebildete in Idealfalle linienhafte Berührung zwischen der Kugel 87 und dem Kupplungsteil 84 kann im Realfall auch lückenhaft sein (im Extremfall drei Punktberührungen). An der Kupp­ lung 82 ist eine Kugel-Prismen-Lagerung definiert, die die Position des Armes 66 in zwei Schwenkrichtungen S1, S2 definiert. An der dritten Kupplung 83 ist lediglich ein Freiheitsgrad festgelegt, der einer Drehung D des Kupplungsgehäuses 67 um die Linie 91′ entspricht. Damit sind insgesamt alle sechs Freiheitsgrade K1, K2, K3, S1, S2, D festgelegt.

Der Arm 66 und das Kuppelgehäuse 67 sind permanent­ magnetisch an die Wippe 69 angekoppelt. Überschreitet eine an der Tastspitze 64 oder dem Arm 66 angreifende Kraft die Haltekraft der Permanentmagnete, trennen sich das Kuppelgehäuse 67 und der Arm 66 von der Wippe 69.

Dadurch wird Kollisionsschutz sichergestellt. Die Lager­ einrichtung, mittels derer die Wippe 69 um die Schwenk­ achse 68 drehbar gelagert ist, ist so ausgebildet, daß auch senkrecht auf den Auflageschenkel 92 wirkende Kräfte ohne Beschädigungen für die Lagerung-und/oder ein in dem Gehäuse 71 gehaltenes Meßsystem abgefedert werden.

Um ein Trennen des Kuppelgehäuses 67 von der Wippe 69 zu erleichtern, sind an dem Kuppelgehäuse zwei vonein­ ander beabstandete Nockenflächen 96, 97 ausgebildet, die nach einer Trennung der Kupplung 83 wirken. Wie schon bei dem Meßtaster 1 beim Abnehmen des Taststiftes 3, wird auch hier zum Abnehmen des Armes 66 zuerst die Kupplung 83 für den Freiheitsgrad D geöffnet. Dieser stimmt mit keiner Meßrichtung überein, so daß die ausgeübten Kräfte nicht auf das Meßwandlersystem einwirken. Die anderen Kupplungen 81, 82 (11, 12) werden mit Hilfe der Nocken­ flächen 96, 97 (45, 32) in für das Meßwandlersystem schonender Weise geöffnet.

Es kann ein Satz unterschiedlich langer an Kuppel­ gehäusen 67 gefaßter Arme 66 vorhanden sein, die bedarfs­ weise austauschbar sind. Das Ankuppeln erfolgt durch Einsetzen der Kugel 87 in das Kupplungsteil 84, Ver­ schwenken des Kuppelgehäuses 67 zum Einführen der Kugel 88 in das Kupplungsteil 85 und Drehen des Kuppelgehäuses 67 um die Linie 91′, um die Kugel 89 mit dem Kupplungs­ teil 86 in Anlage zu bringen. Die dadurch an den einzel­ nen Lagerstellen auftretenden Reibvorgänge bewirken eine präzise Anlage der Kugeln an den jeweiligen Kupplungs­ teilen 84, 85, 86.

Jeder Arm 66 ist durch in dem Kuppelgehäuse 67 angebrachte justierte Gewichte 98 (Fig. 8) so vorausgewo­ gen, daß der Schwerpunkt der aus Arm 66, Kuppelgehäuse 67 und Wippe 69 gebildeten Einheit auf der Schwenkachse 68 liegt. Dies ermöglicht es, das Konturenmeßgerät 61 ohne gesonderte Korrektur in von der Horizontalen abweichenden Lagen zu verwenden.

Ein Oberflächenmeßgerät 1 weist ein mittels einer vorzugsweise permanentmagnetischen Kupplungseinrichtung 4 an ein Meßsystem gekoppeltes Tastelement 3 auf. Die Kupplungseinrichtung erbringt einen Kollisionsschutz, indem sie bei an dem Taststift 3 angreifenden Kräften, die eine Maximalkraft überschreiten, automatisch trennt. Die Kupplungseinrichtung 4 enthält insgesamt drei Kupp­ lungen, von denen die erste drei Freiheitsgrade festlegt, die zweite zwei Freiheitsgrade und die dritte einen Freiheitsgrad festlegt. Die erste und die zweite Kupplung sind bezüglich einer Richtung hintereinander angeordnet, die den beabsichtigten Tastpunkt schneidet. Der Abstand zwischen den Kupplungen ist dabei möglichst groß, wodurch eine ausreichende Basis zur Meßwertübertragung geschaffen wird. Außerdem sind die Kupplungen in möglichst geringem Abstand zu der Längsachse 6 des Tastelementes oder auf dieser Längsachse 6 angeordnet.

Claims (21)

1. Meßgerät zur Erfassung von Profil und/oder Rau­ heit eines Werkstückes,
mit einem Gehäuse, das wenigstens einen Meßwandler zur Umwandlung einer mechanischen Auslenkung in ein elektrisches Signal enthält,
mit einem beweglich gelagerten, eine Längsachse definierenden Tastelement mit einem Tastkörper oder einer Tastspitze, dessen Auslenkung über eine bedarfsweise lösbare Kupplungseinrichtung auf den Meßwandler über­ tragen wird, wobei zu der Kupplungseinrichtung mehrere Anlageorte gehören,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei Anlageorte (11, 12; 81, 82) in einer Richtung (6; 91′) hintereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind, die zu der Längsachse des Tastelementes (3; 66) parallel ist, und
daß die Kupplungseinrichtung (4; 74) derart ausge­ bildet ist, daß sie bei einer an dem Tastelement (3; 66) angreifenden, eine Maximalkraft überschreitenden Kraft beliebiger Richtung trennt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die beiden Anlageorte (11, 12; 81, 82) derart hinterein­ ander und voneinander beabstandet angeordnet sind, daß sie eine Linie definieren, die den Tastkörper (5) oder die Tastspitze (64) schneidet.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden voneinander beabstandeten Anlageorte (11, 12; 81, 82) eine Ebene enthalten, die die Längsrichtung (6, K2; 91, K2) des Tastelementes (3; 66) enthält.

4. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageorte (11, 12; 81, 82) von außerhalb des Gehäuses (2; 71) zugänglich sind.

5. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anlageort (11; 81) durch eine Kupplung (11; 81) definiert ist, die das Tastelement (3; 66) hinsicht­ lich dreier Freiheitsgrade (K1, K2, K3) festlegt, während der zweite Anlageort (12; 82) durch eine Kupplung (12; 82) definiert ist, die das Tastelement (3; 66) in zwei weiteren Freiheitsgraden (S1, S2) festlegt.

6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kupplung (11; 81) das Tastelement (3; 66) in einer ersten Radialrichtung (K1), in einer zweiten Radialrichtung (K3) und in seiner Längsrichtung (K2) festlegt und daß die zweite Kupplung (12; 82) das Tast­ element (3; 66) in zwei Schwenkrichtungen (S1, S2) mit der ersten Kupplung (11; 81) als Schwenkmittelpunkt fest­ legt.

7. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (4; 74) an wenigstens einer (11; 81) der beiden in Längsrichtung voneinander beab­ standeten Kupplungen (11, 81; 12, 82) wenigstens ein meßwandlerseitiges Element (29; 84) aufweist und daß dem Tastelement (3; 66) eine diesem zugehörige Anlagefläche (31; 87) zugeordnet ist, die bezüglich der Längsrichtung (6, K2; 91, K2) des Tastelementes (3; 66) mit dem meß­ wandlerseitigen Element (29; 84) nach Art eines Rastmit­ tels in Eingriff steht.

8. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kupplungseinrichtung (4; 74) ein dritter, durch eine Kupplung (15; 83) definierter Anlageort ge­ hört.

9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Kupplung (15; 83) das Tastelement (3; 66) hinsichtlich einer Schwenk- oder Drehbewegung (D) um eine Parallele (6; 91′) zu seiner Längsachse (6, K2; 91, K2) festlegt.

10. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Kupplung des ersten Anlageortes (11) wenigstens drei Punktberührungen zwischen ihren Kupp­ lungselementen (21, 28, 29) ausgebildet sind.

11. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Kupplung des ersten Anlageortes (81) eine Linienberührung zwischen seinen Kupplungselementen (84, 87) ausgebildet sind.

12. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Kupplung des zweiten Anlageortes (12; 82) zwei Punktberührungen zwischen ihren Kupplungselemen­ ten (22, 37, 38; 85, 88) ausgebildet sind.

13. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der dritte Anlageort (15; 83) durch die Punkt­ berührung zwischen einer ebenen Fläche (41; 86) und einer gewölbten Fläche (42; 89) definiert ist.

14. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste und der zweite Anlageort (81, 82) im wesentlichen symmetrisch zu einer mittels einer Lager­ einrichtung festgelegten Schwenkachse (68) des Tastele­ mentes (66, 64) angeordnet sind.

15. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplungseinrichtung (4; 74) durch Magnete in ihrer Kuppelposition gehalten ist.

16. Meßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnete Permanentmagnete (34, 35, 40a, 40b, 43; 94a, 94b, 94c) sind.

17. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplungseinrichtung (4; 74) wenigstens ein zwischen dem Tastelement (3; 66) und seiner Halterung wirkendes Nockenmittel (45; 96, 97) zur manuellen Tren­ nung der Kupplungseinrichtung (4; 74) aufweist.

18. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Anlageort (11, 12; 81, 82) Nockenmittel (45, 32; 96, 97) zur manuellen Trennung des Tastelementes (3; 66) von seiner Halterung angeordnet sind.

19. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Tastelement (3; 66) einen Tastarm aus kohle­ faserverstärktem Kunststoff aufweist.

20. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das bei der Kupplungseinrichtung (4; 74) von dem übrigen Meßgerät (1; 61) trennbare Tastelement (3; 66) bezüglich seiner von einer Lagereinrichtung des Meßge­ rätes (1) festgelegten Drehachse (H; 68) ausgewogen ist.

21. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwerpunkt der mit dem Tastelement (3; 66) verbundenen schwenkbaren Einheit auf einer von einer Lagereinrichtung definierten Dreh- oder Schwenkachse (H; 68) des Tastelementes (3; 66) angeordnet ist.