DE19641720C2

DE19641720C2 - Probe head with electronic guidance

Info

Publication number: DE19641720C2
Application number: DE1996141720
Authority: DE
Inventors: Markus Rudolph; Bernd Gusek
Original assignee: MAHR GmbH
Current assignee: MAHR GmbH
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: DE19641720A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Tastvorrichtung, die zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche dient. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Tastvorrichtung, bei der in einem Tastvorgang sowohl die Koordinaten der Werkstückober fläche als auch deren räumliche Ausrichtung, das heißt deren Flächennormale, in dem betreffenden Meßpunkt be stimmbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche und insbesondere zur zusätzlichen Bestimmung der Flächennormale der Werk stückoberfläche in den betreffenden Meßpunkten.The invention relates to a push button device for at least pointwise determination of coordinates of a Workpiece surface. In particular, the Invention such a touch device in which in a Touching both the coordinates of the workpiece top area as well as their spatial orientation, that is whose surface normal be in the measurement point in question is tunable. In addition, the invention relates to a Method for at least pointwise determination of Coordinates of a workpiece surface and in particular for additional determination of the surface normal of the plant piece surface in the relevant measuring points.

Komfortable mechanische Meßgeräte und insbesondere Koordinatenmeßgeräte sind meist sehr langlebige Einrich tungen, die über einen Zeitraum hinweg benutzt werden, in dem sich die an eine Meßeinrichtung gestellten Anforde rungen wesentlich ändern können. Insbesondere ist damit zu rechnen, daß mit vorhandenen Meßmitteln und Koordina tenmeßgeräten Produkte oder Produktklassen auszumessen sind, deren grundlegende Eigenschaften zum Zeitpunkt der Anschaffung der Meßeinrichtung noch unbekannt sind. Comfortable mechanical measuring devices and in particular Coordinate measuring devices are usually very long-lasting devices that are used over a period of time in which is the requirement placed on a measuring device can change significantly. In particular, that is to be expected with existing measuring equipment and coordina to measure products or product classes are whose basic properties at the time of Purchase of the measuring device are still unknown.

Entsprechend können sich die Meßaufgaben ändern. Die Kon zeption von Meßeinrichtungen und Koordinatenmeßgeräten hat dem Rechnung zu tragen.The measuring tasks can change accordingly. The con Acceptance of measuring devices and coordinate measuring machines has to take this into account.

Darüber hinaus können sich die an Meßeinrichtungen und Koordinatenmeßgeräte zu stellenden Genauigkeitsanfor derungen oder Anforderungen hinsichtlich der zu messenden Größe ändern.In addition, the measuring devices and coordinate measuring machines for accuracy requirements changes or requirements with regard to the measured Change size.

Bei der Vermessung von Oberflächen mit zunächst völlig unbekannten Konturen gilt es überdies, zu ver meiden, daß sich der Taststift bzw. das Tastelement in Vertiefungen, Bohrungen oder an Hinterschneidungen fest klemmt oder verhakt, wodurch die Messung gestört werden könnte.When measuring surfaces with initially completely unknown contours also need to be ver avoid that the stylus or the sensing element in Wells, holes or undercuts stuck or hooked, which interferes with the measurement could.

Aus der DE 44 24 225 A1 ist ein Tastkopf für Koor dinatenmeßgeräte bekannt, der einen in drei verschiede nen, voneinander unabhängigen Richtungen beweglichen Taststift aufweist. Entsprechend sind drei zueinander orthogonale Führungen für den Taststift vorhanden. Jeder Führung ist ein elektromagnetischer Direktantrieb sowie ein Meßsystem zugeordnet. In Verbindung mit einer Regel schaltung dienen die Direktantriebe dazu, den Taststift zu dämpfen und in beliebig festlegbarer Richtung elek trisch zu fesseln (klemmen). Eine solche Fesselung kann bspw. erforderlich werden, um Meßpunkte gezielt anzuta sten, ohne daß das Tastelement in einer nicht gewünschten Richtung ausweicht.DE 44 24 225 A1 is a probe for Koor Dinatenmeßgeräte known, one in three different directions that are independent of one another Has stylus. Accordingly, there are three to each other Orthogonal guides for the stylus are available. Everyone Leadership is an electromagnetic direct drive as well assigned a measuring system. In connection with a rule circuit, the direct drives serve the stylus to dampen and in any definable direction elec to tie up (clamp). Such bondage can For example, become necessary to target measuring points Most without the probe element in an unwanted Direction evades.

Die elektromagnetische Fesselung des Tastelementes in vorgegebenen Richtungen kann insbesondere bei unbe kannten Werkstückoberflächen zu Problemen führen.The electromagnetic bondage of the probe element in given directions, especially at unbe Known workpiece surfaces lead to problems.

Aus der DE 42 12 455 A1 ist ein Koordinatenmeßgerät bekannt, daß Werkstückoberflächen mit prinzipiell bekann ter Kontur abtastet. Die Abtastung erfolgt punktweise, wobei ein Tastkörper entlang einer erwarteten und vor programmierten Werkstückkontur geführt wird. Aus den sich ergebenden Abweichungen zwischen der von dem Tastkörper tatsächlich erfaßten Werkstückkontur und der vorprogram mierten Kontur werden Korrekturwerte berechnet. Anhand dieser wird die erwartete Werkstückkontur an die tatsäch lichen Gegebenheiten angepaßt.DE 42 12 455 A1 describes a coordinate measuring machine known that in principle known workpiece surfaces the contour is scanned. The sampling takes place point by point, being a probe along an expected and forward programmed workpiece contour. From the itself resulting deviations between that of the probe body actually recorded workpiece contour and the pre-program corrected values are calculated. Based This will match the expected workpiece contour to the actual adapted to the circumstances.

Der Tastkörper ist nicht in einem Fesselungsbereich im Wesentlichen frei beweglich, sondern aus einer Sollage heraus federnd auslenkbar, wobei die Sollage an der Werkstückkontur entlang geführt wird. Dazu muß die Werk stückkontur prinzipiell bekannt sein.The probe is not in a bondage area essentially freely movable, but from a target position deflectable out resilient, the target position on the Workpiece contour is guided along. To do this, the plant be known in principle.

Aus der DE 43 45 091 A1 ist ein Meßtaster mit mechani scher Klemmung bekannt. Der Meßtaster weist einen Tast stift auf, der um drei Achsen schwenkbar gelagert ist. Zur Erzeugung einer Meßkraft dient ein einziges Kraft erzeugungssystem. Eine mechanische Klemmvorrichtung dient dazu, wahlweise ein oder zwei Schwenkachsen des Tast stifts zu sperren. Die dabei entstehenden Führungskräfte werden von der mechanischen Klemmvorrichtung aufgenommen und nicht erfaßt.DE 43 45 091 A1 is a probe with mechani shear clamping known. The probe has a probe pin that is pivoted about three axes. A single force is used to generate a measuring force generation system. A mechanical clamping device is used in addition, optionally one or two swivel axes of the key lock pin. The resulting managers are picked up by the mechanical clamping device and not recorded.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen variabel einsetzbaren Tastkopf zu schaffen.Proceeding from this, it is an object of the invention to to create variably usable probe.

Diese Aufgabe wird mit der Tastvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder 2 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 gelöst.This task is performed with the touch probe Features of claim 1 or 2 and with one Method with the features of claim 18 solved.

Die Tastvorrichtung, die ein Tastkopf, ein Meßtaster oder eine anderweitige Vorrichtung zur Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche durch Antastung sein kann, ist durch Kraftgeneratoren mit Kräften beauf schlagbar deren Richtung und Betrag von der Ansteuer einrichtung vorgebbar ist. Das Tastelement ist in mehreren Raumrichtungen bewegbar, wobei jeder Raumrichtung ein Kraftgenerator zugeordnet ist. Das Tastelement ist dabei nur innerhalb eines Bereiches mit gekrümmter Kontur bewegbar, wobei es am Verlassen dieses Bereiches durch Gegensteuerung der Ansteuereinrichtung über die Kraftge neratoren gehindert ist. Damit ist das Tastelement auf den genannten Bereich gefesselt und die gekrümmte, vor zugsweise gleichmäßig gekrümmte Kontur, das heißt Begren zung des Bereiches, in dem sich das Tastelement zulässi gerweise bewegt, eröffnet ein weites Feld von Anwendungs möglichkeiten der Tastvorrichtung. Der Bereich kann bspw. ein Kugelvolumen, innerhalb dessen das Tastelement beweg bar ist, eine Kugelfläche, auf der das Tastelement beweg bar ist, oder eine Kreisbahn sein, auf der das Tastele ment geführt ist. Andere räumliche Bereiche mit gekrümm ter Kontur sind ebenfalls möglich.The probe, which is a probe, a probe or other device for determining Coordinates of a workpiece surface by probing can be, is applied by force generators with forces beatable their direction and amount from the drive facility is predetermined. The probe element is in several Spatial directions movable, with each spatial direction Force generator is assigned. The touch element is there only within an area with a curved contour movable, leaving it by this area Counter-control of the control device via the Kraftge is hindered. The probe element is now open tied up the area mentioned and the curved, in front preferably evenly curved contour, that is, delimitation the area in which the probe element is permissible moved in some areas opens up a wide range of applications Possibilities of the touch device. The area can, for example. a spherical volume within which the probe moves bar is a spherical surface on which the probe element moves bar, or be a circular path on which the touch ment is led. Other spatial areas with curvature The contour is also possible.

Die Fesselung oder Führung des Tastelementes, das heißt die Beschränkung seiner Bewegungsfreiheit auf einen kugelförmigen Raum oder eine Kugelfläche, ermöglicht auf komfortable Weise die Abtastung unbekannter Werkstück oberflächen. Schon beim einfachen Antasten eines Meßpunk tes ist es über die Bestimmung der Koordinaten des Meß punktes hinaus möglich, die Flächennormale der Werkstück oberfläche in dem betreffenden Meßpunkt zu bestimmen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Tastvorrichtung so weit an die Werkstückoberfläche heranzufahren, daß der Bereich, auf den das Tastelement gefesselt ist, gewisser maßen in das Werkstück eintaucht, so daß das Tastelement den äußersten, gerade noch nicht in die Werkstückober fläche eingetauchten Punkt des Bereiches einnimmt. Dieser Punkt ist erreicht, wenn das Tastelement bei weiterer Zu stellung der Tastvorrichtung auf die Werkstückoberfläche zu droht, den Bereich zu verlassen. Die Normalenrichtung der Werkstückoberfläche im Meßpunkt stimmt mit der Rich tung überein, die durch die Strecke zwischen dem Antastpunkt und dem Zentrum oder Krümmungsmittelpunkt des Bereiches definiert ist.The bondage or guidance of the tactile element that is called the restriction of his freedom of movement to one spherical space or a spherical surface, allows on comfortable way to scan unknown workpiece surfaces. Simply by touching a measuring point It is about determining the coordinates of the measurement possible, the surface normal of the workpiece to determine the surface at the relevant measuring point. All that is required is the touch device to approach the workpiece surface so far that the Area to which the probe element is bound, certain dimensions immersed in the workpiece, so that the probe element the outermost, just not yet in the workpiece top area immersed in the area. This The point is reached when the probe element is closed again position of the feeler on the workpiece surface threatens to leave the area. The normal direction the workpiece surface at the measuring point agrees with the rich device that is determined by the distance between the probing point and the center or center of curvature of the Area is defined.

Durch die Verfolgung der Normalenrichtung der abge tasteten Werkstückoberfläche ist es auf einfache Weise möglich, auch unerwartete Vorsprünge, Anstiege, Bohrun gen, Ausnehmungen und dergleichen zu erfassen und den Tastkopf entsprechend nachzuführen.By tracking the normal direction of the abge palpated workpiece surface it is simple possible, also unexpected projections, climbs, drilling conditions, recesses and the like to detect and the Track probe accordingly.

Die Fesselung des Tastelementes in einem Bereich mit gekrümmter Kontur kann außerdem dazu dienen, zu verhin dern, daß das Tastelement in Bohrungen oder Ausnehmungen des zu vermessenden Werkstückes einrastet und in diesem verhakt. Dies könnte ansonsten geschehen, wenn ein Tast element über eine ansonsten plane Oberfläche geführt wird, in der eine unerwartete Öffnung befindlich ist. Die Meßkraft würde das Tastelement hier in die Öffnung ein fahren lassen, so daß es bei seitlicher Weiterbewegung des Tastelementes zur Kollision kommt. Ist die Beweglich keit des Tastelementes auf einen bspw. kugel- oder schlauchförmigen Bereich begrenzt, der nicht allzugroß ist, taucht das Tastelement lediglich ein entsprechendes Stück weit in die Öffnung ein, ohne sich darin zu verha ken.The bondage of the tactile element in an area with curved contour can also serve to prevent change that the sensing element in bores or recesses of the workpiece to be measured snaps into place hooked. Otherwise this could happen if a key element is guided over an otherwise flat surface in which there is an unexpected opening. The Measuring force the probe element would enter the opening here Let it go so that it moves further sideways of the probe element comes to a collision. Is the agile speed of the sensing element on a ball or limited tubular area, which is not too large the probe element only dips a corresponding one Slightly into the opening without getting caught in it ken.

Das Tastelement ist durch das mit ihm verbundene Meßsystem, die Kraftgeneratoren und die Ansteuereinrich tung elektronisch auf Bewegungen in einem ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum (Bereich) festgelegt. Damit ist eine elektronische Kulisse oder Führungseinrichtung realisiert, in der das Tastelement geführt ist und deren wesentlicher Vorzug gegenüber mechanischen Führungskulis sen darin besteht, daß ihre Eigenschaften in einem weiten Bereich variabel und einstellbar gestaltet werden können. Wird bspw. ein kugelförmiger (Kugelfläche oder Kugelvolu men) Bereich zugrundegelegt, kann bedarfsweise mit ge ringstem Aufwand dessen Mittelpunkt, dessen Radius sowie die Nachgiebigkeit der Bereichsgrenzen, das heißt die Steifigkeit der den Bereich eingrenzenden, elektronisch definierten Wand, eingestellt oder geändert werden. Die erforderlichen Einstellungen können nahezu trägheitslos erfolgen, so daß der Meßvorgang nicht verlangsamt wird. Damit ist von vornherein ein weites Feld von Einsatz möglichkeiten eröffnet und ein sehr variabler Einsatz der Tastvorrichtung möglich.The tactile element is connected to it Measuring system, the power generators and the control device electronically on movements in one, two or or three-dimensional space (area). In order to is an electronic backdrop or guide device realized in which the probe element is guided and their significant advantage over mechanical guide blocks consists in the fact that their properties are broad Range can be designed variable and adjustable. For example, if a spherical (spherical surface or spherical volume area), can be used with ge least effort, its center, its radius and the compliance of the area boundaries, i.e. the Stiffness of the area, electronically defined wall, set or changed. The required settings can be almost inertia take place so that the measuring process is not slowed down. This means that there is a wide field of application right from the start opened up possibilities and a very variable use of the Touch device possible.

Ein weiterer Vorteil der elektronischen Führung liegt in ihrer Reibungsfreiheit oder -armut für Bewegun gen des Tastelementes auf Bahnen innerhalb des Kulissen bereiches.Another advantage of electronic guidance lies in their lack of friction or lack of movement gene of the sensing element on tracks within the backdrop area.

Schließlich kann die Verlagerung des Mittel- oder Schwerpunktes des die elektronische Kulisse oder Führung definierenden Bereiches in Abhängigkeit von der Kraft erfolgen, mit der das Tastelement gegen die Begrenzung des Bereiches gedrückt wird. Stimmen die Richtung der Kraft und die Richtung der Mittelpunktsverlagerung über ein, kann ein federndes Verhalten der gesamten Führung erreicht werden, wobei die Federkennlinie elektronisch einstellbar ist. Diese Federung kann sowohl dazu dienen, eine Überlastung der Tastvorrichtung an den Grenzen des Bereiches zulässiger Bewegungen des Tastelementes auszu schließen, als auch dazu, eine definierte Antastkraft beim Bestimmen von Koordinaten einer Werkstückoberfläche sowie von deren Normalenrichtung zu liefern.Finally, the shift of funds or Focus of the electronic backdrop or leadership defining range depending on the force done with which the sensing element against the limit of the area is pressed. Vote the direction of Force and the direction of the center shift about one, a resilient behavior of the entire leadership can be achieved, the spring characteristic electronically is adjustable. This suspension can serve both an overload of the probe at the limits of Range of permissible movements of the probe element close, as well as a defined contact force when determining coordinates of a workpiece surface as well as to deliver their normal direction.

Die Kraftgeneratoren sind von der Ansteuereinrich tung gesteuert, die Mittel zur vorzugsweise variierbaren Vorgabe des Bereiches (der Führung) aufweist. Ein solches Mittel kann ein Funktionsgenerator zur Erzeugung ein-, zwei- oder dreidimensionaler Funktionen oder ein Spei cherbereich sein, in dem den Bereich beschreibende Daten abgelegt sind. The power generators are from the control device device controlled, the means for preferably variable Specification of the area (the leadership). Such one A function generator can be used to generate, two- or three-dimensional functions or a memory area in which data describing the area are filed.

Obwohl prinzipiell auch von der Kugel- oder Kreis(bogen)form abweichende Bereichskonturen möglich sind, sind diese wegen der einfachen geometrischen Ver hältnisse in der Regel vorteilhaft.Although in principle also from the ball or Circle (arc) deviating area contours possible are, because of the simple geometric ver ratios usually advantageous.

Insbesondere zur Bestimmung der Normalenrichtung der Werkstückoberfläche im Meßpunkt ist es vorteilhaft, wenn das Tastelement innerhalb der Kulisse oder Führung kräf tefrei bewegbar ist. Dies wird erreicht, indem die Kraft generatoren keine tangential zu der Führungsbahn gerich tete Kraft erzeugen. Zusätzlich kann jedoch, bspw. wenn die Abtastung einer Werkstückoberfläche mit der Tastvor richtung im Tastschnittverfahren erfolgen soll, eine Meßkraft auf das Tastelement aufgeschaltet werden. Diese ist dann tangential zu der Bereichsgrenze gerichtet, wobei der Bereich bspw. eine kreisbogenförmige Bahn ist.In particular to determine the normal direction of the Workpiece surface at the measuring point, it is advantageous if the feeler element inside the backdrop or guidance is free to move. This is accomplished by using the Force generators no tangent to the guideway generate power. In addition, however, for example the scanning of a workpiece surface with the probe direction in the tactile cut method, a Measuring force be applied to the probe element. This is then tangent to the area boundary, wherein the area is, for example, an arcuate path.

Weitere Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Further features of advantageous embodiments of the Invention are the subject of dependent claims.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, embodiments of the Invention shown. Show it:

Fig. 1 Eine Koordinatenmeßmaschine mit einem Meßtaster gemäß der Erfindung, in perspektivischer und vereinfachter Darstellung, Fig. 1 A coordinate measuring machine with a measuring probe according to the invention, in perspective and simplified representation,

Fig. 2 einen Meßtaster mit einem in drei Raumrichtun gen beweglich gelagerten Tastkörper, in schema tisierter Prinzipdarstellung, Fig. 2 shows a probe with a three Raumrichtun gen movably mounted probe body, in schematic tisierter schematic diagram,

Fig. 3 den Meßtaster nach Fig. 2 in einer das Funk tionsprinzip veranschaulichenden, ausschnitts weisen Prinzipdarstellung, Fig. 3 shows the probe of FIG. 2 in a radio tion principle illustrative, have cutout schematic diagram,

Fig. 4 einen Meßtaster in perspektivischer Prinzipdar stellung mit weggelassenen Meßkraftgeneratoren und weggelassenem Meßsystem, mit einem Tast element, das innerhalb eines kugelförmigen Bewegungsbereiches gefesselt ist, Fig. 4 shows a probe in a perspective Prinzipdar position with portions broken away and omitted measurement force measuring system, element with a pushbutton, which is bound within a spherical range of motion,

Fig. 5 einen Meßtaster mit alternativ ausgebildeter Lagereinrichtung des Tastelementes mit wegge lassenem Meßsystem, in einer schematisierten Prinzipdarstellung, Fig. 5 shows a probe with an alternative trained bearing means of the scanning element with Wegge lassenem measuring system, in a schematic principle representation,

Fig. 6 eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung für die Kraftgeneratoren zur elektronischen Erzeugung einer Führungskulisse in einer stark schemati sierten Prinzipdarstellung, Fig. 6 is a control and evaluation device for the power generators for electronically generating a guide slot in a highly overbased schemati schematic diagram,

Fig. 7 ein zu der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung gehöriger Abschnitt zur Bestimmung der Norma lenrichtung der Werkstückoberfläche in einem Meßpunkt, in einer schematisierten Darstellung, Fig. 7 is a associated with the control and evaluation section for determining the Norma lenrichtung the workpiece surface at a measurement point, in a schematic representation,

Fig. 8 und 9 das Antasten einer unbekannten Werkstückober fläche mit einem Tastelement, das in einem ku gelförmigen Bereich geführt ist, in schemati scher Darstellung, FIGS. 8 and 9, the probing an unknown workpiece upper surface with a scanning element, which is guided in a range ku gel, shear-in schemati representation,

Fig. 10 die Abtastung einer Werkstückoberfläche im Tastschnittverfahren mit einer Tastvorrichtung, deren Tastelement elektronisch auf einer kreis bogenförmigen, um einen virtuellen Drehpunkt gekrümmten Bahn geführt ist, und Fig. 10, the scan of a workpiece surface in the stylus method with a sensing device, the sensing element is performed electronically on a circular arc-shaped, curved around a virtual pivot point path, and

Fig. 11 die Abtastung einer Werkstückoberfläche im Tastschnittverfahren mit einer Tastvorrichtung nach Fig. 10, bei der der virtuelle Krümmungs mittelpunkt der kreisbogenförmigen Kulisse in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur des Werkstückes verlagert wird, in schematischer Darstellung. FIG. 11 shows the scanning of a workpiece surface using the probe cut method with a probe device according to FIG. 10, in which the virtual center of curvature of the circular arc-shaped link is shifted as a function of the surface contour of the workpiece, in a schematic representation.

Beschreibungdescription

Die in Fig. 1 an einer Koordinatenmeßmaschine 1 als Tastkopf 2 eingesetzte Tastvorrichtung weist einen Tast stift 3 auf, der es gestattet, an einem bei 4 angedeute ten, auf einem Tisch 5 gespannten Werkstück Formmessungen durchzuführen oder eine Punktantastung vorzunehmen. Die dazu erforderliche Bewegung des Tastkopfes 2 erfolgt über die Koordinatenmeßmaschine 1, die drei Schlitten auf weist, von denen ein erster Schlitten 6 in X-Richtung, ein zweiter Schlitten 7 in Y-Richtung und ein dritter Schlitten 8 in Z-Richtung verfahrbar ist. Der Tastkopf 2 sitzt an einem Ausleger 9 des ersten Schlittens 6, an dem er um eine bei 10 angedeutete, schräge Achse schwenkbar gelagert ist.The sensing device used in Fig. 1 on a coordinate measuring machine 1 as a probe head 2 has a tactile pin 3 which it make allowed to perform measurements on a form attached interpret at 4 th, tensioned on a table 5, a workpiece or Punktantastung. The necessary movement of the probe 2 takes place via the coordinate measuring machine 1 , which has three carriages, of which a first carriage 6 in the X direction, a second carriage 7 in the Y direction and a third carriage 8 in the Z direction. The probe 2 is seated on a cantilever 9 of the first carriage 6 , on which it is pivotably mounted about an inclined axis indicated at 10 .

Der Taststift 3 ist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, in drei voneinander unabhängigen Richtungen X, Y und Z im wesentlichen linear bewegbar. Zur entsprechenden Lagerung dienen für jede Koordinatenrichtung X, Y und Z beispiel haft und schematisch in Fig. 3 angedeutete Feder parallelogramme 12, zu denen jeweils zwei Blattfedern 13, 14 gehören. Diese sind an ihrem jeweiligen einen Ende bezüglich der jeweiligen Koordinatenrichtung Z (X, Y) fest gehalten und tragen an ihrem anderen Ende eine Tastschaukel 16, die entweder weitere Führungseinrichtun gen oder den Taststift 3 trägt.As can be seen from FIG. 2, the stylus 3 can be moved essentially linearly in three mutually independent directions X, Y and Z. For the corresponding storage serve for each coordinate direction X, Y and Z exemplary and schematically indicated in Fig. 3 spring parallelograms 12 , which each include two leaf springs 13 , 14 . These are held firmly at their respective one end with respect to the respective coordinate direction Z (X, Y) and carry at their other end a probe swing 16 which either carries further guide devices or the stylus 3 .

Zur gezielten Bewegung der Tastschaukel 16 und zur Beaufschlagung des Taststiftes 3 mit einer Führungskraft sowie mit einer Meßkraft dient ein Kraftgenerator 17, der im wesentlichen als Linearmotor ausgebildet ist. Dieser kann auf elektromagnetischem oder elektrodynamischem Prinzip beruhen. Entsprechende Kraftgeneratoren 18, 19 (Fig. 5) sind den anderen Koordinatenrichtungen zugeord net. A force generator 17 , which is essentially designed as a linear motor, serves for the targeted movement of the feeler swing 16 and for the action of a guide force on the feeler pin 3 and a measurement force. This can be based on an electromagnetic or electrodynamic principle. Corresponding force generators 18 , 19 ( FIG. 5) are assigned to the other coordinate directions.

Zur Erfassung der Auslenkung des Taststiftes 3 dient ein Meßsystem, das für jede Koordinatenrichtung X, Y, Z einen Positionssensor 22 aufweist. Der Positionssensor 22 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein inkrementa ler Weggeber mit Glasmaßstab, wobei jedoch auch andere Wegsensoren, wie induktive Geber (Differentialtransforma toranordnungen), verwendbar sind.A measurement system comprising a position sensor 22 for each coordinate direction X, Y, Z serves to detect the displacement of the stylus. 3 The position sensor 22 is an incremental displacement sensor with a glass scale in the present embodiment, but other displacement sensors, such as inductive sensors (differential transformer arrangements) can also be used.

Aus Fig. 4 ergibt sich die Kinematik der von den Federparallelogrammen 12 (12X, 12Y, 12Z) gebildeten Lagereinrichtung, die alternativ durch die in Fig. 5 veranschaulichte Lagereinrichtung 24 des Taststiftes 3 ersetzt sein kann. Diese weist anstelle der in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar gelagerten Tastschaukel 16 (16x, 16y, 16z) einen Träger 25 auf, der über ein erstes Blatt federscharnier 26 an einem Zwischenträger 27 um eine V-Achse schwenkbar gelagert ist. Der Zwischenträger ist über ein weiteres Blattfederscharnier 28 an einem weite ren Zwischenträger 28 um eine U-Achse schwenkbar gela gert, die vorzugsweise im rechten Winkel zu der V-Achse ausgerichtet ist. Der Zwischenträger 29 ist über ein drittes Blattfederscharnier 30 um eine W-Achse schwenkbar an einem Basisträger 31 gelagert. Die W-Achse schließt mit der U- und der V-Achse jeweils einen spitzen Winkel ein, während die U- und die V-Achse rechtwinklig zuein ander stehen. Der Taststift 3 trägt an seinem von der Lagereinrichtung 24 abliegenden Ende ein Tastelement 3a (Tastkugel), das durch die von der Lagereinrichtung 24 gebildete Schwenklagerung in drei Raumrichtungen X, Y, Z auslenkbar ist. Zur gezielten Beaufschlagung des Tast elementes 3a mit Führungskräften, Antast- und Meßkräften dienen die elektrodynamischen Kraftgeneratoren 17, 18, 19, deren jeweiliger Abtrieb mit dem Träger 25 verbunden ist und die sich über nicht weiter dargestellte Mittel an dem Basisträger 31 abstützen. From Fig. 4, the kinematics of the bearing means formed by the Federparallelogrammen 12 (12 X, 12 Y, 12 Z), which may alternatively be replaced by the in Figure 5 is illustrated bearing arrangement. 24 of the stylus 3 is obtained. Instead of the feeler swing 16 ( 16 x, 16 y, 16 z) which is displaceably mounted in the X, Y and Z directions, it has a support 25 which can be pivoted about a V axis via a first leaf spring hinge 26 on an intermediate support 27 is stored. The intermediate support is pivoted via a further leaf spring hinge 28 on a wide intermediate support 28 about a U-axis, which is preferably oriented at right angles to the V-axis. The intermediate carrier 29 is mounted on a base carrier 31 via a third leaf spring hinge 30 so as to be pivotable about a W axis. The W axis includes an acute angle with the U and V axes, while the U and V axes are at right angles to each other. The stylus 3 carries at its end remote from the bearing device 24 the end of a probe element 3 a (probe ball) which can be deflected by the formed by the bearing means 24 pivot bearing in three spatial directions X, Y, Z. For targeted application of the tactile element 3 a with executives, probing and measuring forces serve the electrodynamic force generators 17 , 18 , 19 , the respective output of which is connected to the carrier 25 and which are supported on the base carrier 31 by means not shown.

Unabhängig von der Ausbildung der Lagereinrichtung bilden die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 eine Führung für das Tastelement 3a, so daß dieses lediglich innerhalb eines vorgegebenen Bereiches 33 mit vorzugsweise gleich mäßig gekrümmter Kontur oder Begrenzung bewegbar ist. Der Bereich 33 kann, wie in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht, kugelförmig, das heißt als Kugelfläche (zweidimensional) oder als Kugelvolumen (dreidimensional) festgelegt sein. Außerdem ist eine Kreisbahn (eindimensional) möglich.Regardless of the design of the bearing device, the force generators 17 , 18 , 19 form a guide for the sensing element 3 a, so that it can only be moved within a predetermined area 33 with a preferably uniformly curved contour or boundary. The area 33 can, as illustrated in FIGS. 4 and 5, be defined as spherical, that is to say as a spherical surface (two-dimensional) or as a spherical volume (three-dimensional). A circular path (one-dimensional) is also possible.

Zur Ansteuerung der Kraftgeneratoren 17, 18, 19 in einer solchen Weise, daß das Tastelement 3a wie in einer mechanischen Kulissenführung innerhalb eines festgelegten Bereiches geführt, das heißt hinsichtlich bestimmter Bewegungsrichtungen gefesselt ist, dient eine in Fig. 6 im Prinzipschaltbild dargestellte Ansteuereinrichtung 34. Diese ist an das Meßsystem 21 angeschlossen und erhält von diesem die erfaßten Koordinaten des Mittelpunktes des Tastelementes 3a. Diese ergeben sich aus der von der Ko ordinatenmeßmaschine 1 gelieferten Position des Tastkop fes 2 zuzüglich der Auslenkung des Tastelementes 3a aus seiner Ruhelage. Ausgangsseitig ist die Ansteuereinrich tung 34 an die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 angeschlossen, die den Taster 3 mit Kraft beaufschlagen.A control device 34 shown in the basic circuit diagram in FIG. 6 is used to control the force generators 17 , 18 , 19 in such a way that the sensing element 3 a is guided within a defined range as in a mechanical link guide, that is to say is tied with respect to specific directions of movement. This is connected to the measuring system 21 and receives from it the detected coordinates of the center of the probe element 3 a. These result from the ordinatenmeßmaschine of the Ko 1 delivered position of the Tastkop FeS2 plus the deflection of the feeler element 3 a from its rest position. On the output side, the Ansteuereinrich device 34 is connected to the power generators 17 , 18 , 19 , which apply force to the button 3 .

Die Ansteuereinrichtung 34, die sowohl als analoge oder digitale Schaltung als auch auf der Basis eines entsprechend programmierten Mikrorechners realisiert sein kann, enthält einen Funktionsblock 35, der die Form des Bereiches 33 vorgibt und somit die elektronisch zu reali sierende Kulisse definiert. Im Fall eines kugelförmigen Bereiches 33 genügen dazu die Koordinaten X_M, Y_M und Z_M des Mittelpunktes M sowie der Radius R.The control device 34 , which can be implemented both as an analog or digital circuit and on the basis of an appropriately programmed microcomputer, contains a function block 35 which specifies the shape of the area 33 and thus defines the backdrop to be implemented electronically. In the case of a spherical region 33 , the coordinates X _M , Y _M and Z _{M of} the center point M and the radius R are sufficient.

Ein weiterer Funktionsblock 36 (oder eine entspre chende Baugruppe bei analoger oder digitaler schaltungs technischer Lösung) ist sowohl an den Funktionsblock 35 zur Vorgabe der Soll-Kontur als auch an einen Funktions block 37 angeschlossen, der anhand der Signale des Meßsy stemes 21 die Ist-Koordinaten des Tastelementes 3a lie fert. Der Funktionsblock 36 dient in Verbindung mit nachgeschalteten Funktionsblöcken 38, 39 der Bestimmung einer Fehlergröße, aus der hervorgeht, ob, wie weit und in welcher Richtung das Tastelement 3a von dem vorgegebe nen Bereich 33, das heißt von der elektronisch definier ten Kulisse, abweicht. Dazu wird zunächst in Funktions block 36 der Fußpunkt des von dem Istpunkt auf die Kontur des Bereiches 33 gefällten Lotes bestimmt. In Funktions block 38 wird ein Richtungsvektor von dem Istpunkt zu dem Fußpunkt des Lotes bestimmt. Der nachgeschaltete Funktionsblock 39 bestimmt den Betrag dieses Vektors. An den betragsbildenden Funktionsblock 39 schließt sich ein Regler 41 (PD-Regler) an, der die von dem Funktionsblock 39 erhaltene Eingangsgröße, das heißt den Betrag des Abstandsvektors, auf Null regelt. Der Regler 41 ist als Teilzustandsregler mit Beobachtern zweiter Ordnung ausge bildet. An seinem Ausgang liegt ein den Betrag der Regel größe kennzeichnendes Signal an, das in einem Funktions block 42 mit Richtungsinformation verknüpft wird, die dieser Funktionsblock 42 von dem Funktionsblock 38 er hält. Dazu wird die Regelgröße jeweils mit den Komponen ten des Richtungsvektors multipliziert. Nach gegebenen falls erforderlicher Normierung in Funktionsblock 43 dienen die so erhaltenen Signale S_x, S_y, S_z als Ansteuer signale für die Kraftgeneratoren 17, 18, 19. Das Tast element 3a wird somit auf einer Kugelfläche geführt. Ver suchten Abweichungen von der Kugelfläche (Bereich 33) steuert die Ansteuereinrichtung 34 sofort gegen.Another function block 36 (or a corresponding module with analog or digital circuit technical solution) is connected both to the function block 35 for specifying the target contour and to a function block 37 which uses the signals of the measuring system 21 to determine the actual Coordinates of the probe element 3 a lie fert. The function block 36 is used in conjunction with downstream function blocks 38 , 39 to determine an error variable from which it emerges whether, how far and in which direction the sensing element 3 a deviates from the predetermined area 33 , that is to say from the electronically defined backdrop , For this purpose, the base point of the solder fell from the actual point to the contour of the area 33 is first determined in functional block 36 . In function block 38 , a direction vector is determined from the actual point to the base point of the solder. The downstream function block 39 determines the amount of this vector. To the amount forming function block 39, a controller 41 (PD controller) includes at which regulates the input value obtained by the function block 39, that is, the amount of the distance vector to zero. The controller 41 is formed as a partial state controller with second-order observers. At its output is in the amount of the controlled variable signal indicative of which block in a function is linked 42 with direction information from the function block 38, he holds this function block 42nd For this purpose, the controlled variable is multiplied by the components of the direction vector. According to the necessary standardization in function block 43 , the signals S _x , S _y , S _z thus obtained serve as control signals for the force generators 17 , 18 , 19 . The scan element 3a is thus guided on a spherical surface. Ver deviations from the spherical surface (area 33 ) the control device 34 counteracts immediately.

Die Beschränkung der Beweglichkeit des Tastelementes 3a auf ein Kugelvolumen kann bspw. erreicht werden, indem zusätzlich erfaßt wird, ob der Istpunkt in dem Innenraum des Bereiches 33 liegt, das heißt ob der Abstand des Istpunktes von dem Mittelpunkt M größer oder kleiner als der Kugelradius ist. Der Regler wird nur in Fällen akti viert, bei denen der Abstand des Istpunktes von dem Mittelpunkt M größer als der Radius ist und ist ansonsten inaktiv.The limitation of the mobility of the scanning element 3 a on a spherical volume may, for example, be achieved by additionally detects whether the actual point is located in the interior of the portion 33, that is, whether the distance of the Istpunktes from the center point M is larger or smaller than the ball radius is. The controller is only activated in cases where the distance of the actual point from the center M is greater than the radius and is otherwise inactive.

An die Ansteuereinrichtung 34 ist eine Auswerteein richtung 45 angeschlossen, die sowohl die Koordinaten des jeweiligen Meßpunktes als auch die Flächennormale der Werkstückoberfläche in dem Meßpunkt bestimmt. Die in Fig. 7 separat veranschaulichte Auswerteeinrichtung 45 erhält über zwei voneinander unabhängige Eingänge 46, 47 sowohl Information über die tatsächliche Position des Meßpunktes P_IST als auch die Koordinaten des Mittelpunktes M des kugelförmigen Bereiches 33. Ein zusätzlicher Eingang 48 ist an den Ausgang des Reglers 41 angeschlossen und erhält somit Information über den Betrag der Kraft, die von den Kraftgeneratoren 17, 18, 19 aufzubringen ist, um das Tastelement 3a innerhalb des zulässigen Bereiches 33 zu halten. Dieses an dem Eingang 48 anliegende Signal wird einer Vergleichereinrichtung K zugeführt, die an ihrem Ausgang dann ein Freigabesignal F abgibt, wenn das an dem Eingang 48 anliegende Signal einen voreingestell ten Grenzwert überschreitet. Das Freigabesignal F akti viert einen Funktionsblock 51, der die Richtung des Antastpunktes P_IST, von dem Mittelpunkt M aus gesehen, berechnet.An evaluation device 45 is connected to the control device 34 , which determines both the coordinates of the respective measuring point and the surface normal of the workpiece surface in the measuring point. The evaluation device 45 illustrated separately in FIG. 7 receives information about the actual position of the measuring point P _IST as well as the coordinates of the center M of the spherical area 33 via two mutually independent inputs 46 , 47 . An additional input 48 is connected to the output of the controller 41 and thus receives information about the amount of force to be applied by the force generators 17 , 18 , 19 in order to keep the sensing element 3 a within the permissible range 33 . This signal present at the input 48 is fed to a comparator device K, which then outputs an enable signal F at its output when the signal present at the input 48 exceeds a preset limit value. The enable signal F activates a function block 51 , which calculates the direction of the touch point P _IST , seen from the center point M.

Der Funktionsblock 51 kann sowohl hardwaremäßig als auch mittels eines entsprechenden Programmabschnittes auf einem Mikrorechner realisiert sein. Der Funktionsblock 51 bezieht den als Differenz zwischen dem Antastpunkt P_IST und M definierten Abstandsvektor zwischen dem Mittelpunkt des Bereichs 33 und dem Punkt, bei dem das Tastelement 3a sowohl die Grenze des Bereiches 33 als auch die Werk stückoberfläche berührt, auf den Betrag dieses Abstandes. Dieser kann sowohl gesondert bestimmt als auch fest vorgegeben sein, wenn der Radius des kugelförmigen Bereiches 33 unverändert ist. Der so bestimmte Vektor defi niert die Richtung des Flächennormalenvektors des angeta steten Flächenelementes.Function block 51 can be implemented on a microcomputer both in terms of hardware and by means of a corresponding program section. The function block 51 relates the distance vector defined as the difference between the touch point P _IST and M between the center of the area 33 and the point at which the touch element 3 a touches both the boundary of the area 33 and the workpiece surface to the amount of this distance , This can be determined separately as well as predefined if the radius of the spherical region 33 is unchanged. The vector determined in this way defines the direction of the surface normal vector of the touched surface element.

Zur Erleichterung des Verständnisses ist bei der vorliegenden Beschreibung von dem Mittelpunkt des Tast elementes 3a als Definition für P_IST ausgegangen worden. Tatsächlich liegt der wirkliche Antastpunkt in einem kon stanten Abstand zu diesem Punkt, der wegen der Kugelform des Tastkörpers in allen Raumrichtungen betragsmäßig unverändert ist. Fällt der Antastpunkt P_IST mit dem Mit telpunkt des Tastelementes 3a nicht zusammen, ist dieser konstante Abstandswert zusätzlich zu berücksichtigen.To facilitate understanding, in the present description, the center of the tactile element 3 a has been assumed as a definition for P _IST . In fact, the real touch point is at a constant distance from this point, which is unchanged in terms of amount in all spatial directions because of the spherical shape of the probe body. If the probing point P _IST does not coincide with the center point of the sensing element 3 a, this constant distance value must also be taken into account.

Die insoweit beschriebene Koordinatenmeßmaschine 1 und der Tastkopf 2 arbeiten wie folgt:
Die Schlitten 6, 7 und 8 der in Fig. 1 veranschau lichten Koordinatenmeßmaschine 1 werden, wenn das Werk stück 4 auf dem Tisch 5 aufgespannt ist, so angesteuert, daß das Tastelement 3a des Tastkopfes 2 zunächst in lose Anlage mit der Oberfläche des Werkstückes 4 gebracht wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Taststift 3 mit tels der vorstehend erläuterten elektronischen Führung in seiner Beweglichkeit auf den kugeloberflächenförmigen Bereich 33 festgelegt.The coordinate measuring machine 1 and the probe 2 described so far operate as follows:
The carriage 6 , 7 and 8 of the illustrated in FIG. 1 coordinate measuring machine 1 , when the workpiece 4 is clamped on the table 5 , are controlled so that the sensing element 3 a of the probe 2 is initially in loose contact with the surface of the workpiece 4 is brought. In the present example, the mobility of the stylus 3 is fixed to the spherical surface area 33 by means of the electronic guide explained above.

Mit dem Tastkopf 2 soll nun die Oberfläche des Werkstückes 4 punktweise erfaßt werden, wobei in jedem Oberflächenpunkt die Koordinaten X, Y, Z und der Norma lenvektor von Interesse sind. Wie aus Fig. 8 hervor geht, kommt das punktweise veranschaulichte Tastelement 3a erstmalig mit der Oberfläche des Werkstückes 4 in Berührung, wenn der von der elektronischen Kulissenfüh rung definierte kugelförmige Bereich 33 die Werkstück oberfläche berührt. With the probe 2 , the surface of the workpiece 4 is now to be detected point by point, the coordinates X, Y, Z and the standard vector being of interest in each surface point. As can be seen from Fig. 8, the point element 3 a illustrated point by point comes into contact with the surface of the workpiece 4 for the first time when the spherical region 33 defined by the electronic backdrop guide touches the workpiece surface.

Der Tastkopf 2 wird nun auf das Werkstück 4 zu weiter derart verstellt, daß der Mittelpunkt M in Rich tung des durch einen Pfeil 52 veranschaulichten Weges weiter auf das Werkstück 4 zu verlagert wird. Die genaue Richtung des Weges (Pfeil 52) spielt dabei keine oder allenfalls eine untergeordnete Rolle. Das Tastelement 3a, das auf die Oberfläche des kugelförmigen Bereiches 33 gefesselt ist, führt nun in Richtung des Pfeiles 53 eine seitliche Ausweichbewegung aus, bei der es auf der Ober fläche des Werkstückes 4 gleitet. Die Ansteuereinrichtung 34 setzt dieser Bewegung keinerlei Widerstand entgegen. Sie sorgt lediglich dafür, daß das Tastelement 3a den vorgegebenen kugelförmigen Bereich 33 nicht verläßt. Infolgedessen bewegt sich das Tastelement 3a im wesentli chen kräftefrei in der elektronischen Führungskulisse, so daß keine oder nahezu keine Andruckkraft an die Ober fläche des Werkstückes 4 entsteht. Entsprechend leicht gängig gleitet das Tastelement 3a an der Oberfläche des Werkstückes 4. Wesentlich ist, daß die Krümmung des Bereiches 33 größer ist als die Krümmung der Werkstück oberfläche im Meßpunkt.The probe 2 is now adjusted to the workpiece 4 in such a way that the center M in Rich direction of the path illustrated by an arrow 52 is further shifted to the workpiece 4 . The exact direction of the path (arrow 52 ) plays no or at most a minor role. The sensing element 3 a, which is tied to the surface of the spherical region 33 , now performs a lateral evasive movement in the direction of arrow 53 , in which it slides on the upper surface of the workpiece 4 . The control device 34 does not provide any resistance to this movement. It simply ensures that the sensing element 3 a the predetermined spherical portion 33 does not leave. As a result, the probe element 3 a moves in wesentli chen force-free in the electronic guide link, so that no or almost no pressure force on the upper surface of the workpiece 4 is created. The probe element 3 a slides correspondingly smoothly on the surface of the workpiece 4 . It is essential that the curvature of the area 33 is greater than the curvature of the workpiece surface at the measuring point.

Mit weiterer Bewegung des Mittelpunktes M des kugel förmigen Bereiches 33 in Richtung des Pfeiles 54 wird der verbleibende Bereich der Kulisse oder des Bereiches 33, in dem sich das Tastelement 3a bewegen kann, immer klei ner, bis, wie aus Fig. 9 hervorgeht, der Berührungspunkt zwischen der kugelförmigen Kontur des Bereiches 33 und der Oberfläche des Werkstückes 4 der einzige verbleibende Punkt ist, den das Tastelement 3a einnehmen kann. Die von der Zustellbewegung des Tastkopfes 2 auf das Werkstück 4 zu verursachte Verlagerung des Mittelpunktes M des kugel förmigen Bereiches 33 von der Oberfläche des Werkstückes 4 weg in dessen Tiefe hinein verursacht nun ein entspre chend entgegengerichtetes Signal an dem Ausgang des Reglers 41. Bildlich gesprochen wird das Tastelement 3a gegen die Seitenwand ihrer elektronischen Führung ge drückt, wodurch das Ausgangssignal des Reglers 41 sehr schnell sehr stark ansteigt. Dies dient als Kennzeichen dafür, daß der Meßpunkt wie gewünscht angetastet ist, und der Tastkopf 2 wird gestoppt. Die Vergleichereinrichtung K der in Fig. 7 veranschaulichten Auswerteeinrichtung 45 gibt nun ein Freigabesignal an den Funktionsblock 51 ab. Dieser berechnet den Richtungsvektor P_IST - M und normiert diesen auf seinen Betrag, um die Flächennormale im Meßpunkt zu bestimmen.With further movement of the center M of the spherical area 33 in the direction of arrow 54 , the remaining area of the backdrop or the area 33 in which the sensing element 3 a can move is always smaller until, as can be seen in FIG. 9, the point of contact between the spherical contour of the area 33 and the surface of the workpiece 4 is the only remaining point that the sensing element 3 a can take. The displacement of the center point M of the spherical region 33 from the surface of the workpiece 4 away into its depth caused by the infeed movement of the probe 2 on the workpiece 4 now causes a correspondingly opposite signal at the output of the controller 41 . Metaphorically speaking, the pushbutton element 3 a is pressed against the side wall of its electronic guide, as a result of which the output signal of the controller 41 increases very rapidly. This serves as a sign that the measuring point is touched as desired, and the probe 2 is stopped. The comparator device K of the evaluation device 45 illustrated in FIG. 7 now emits an enable signal to the function block 51 . This calculates the direction vector P _IST -M and normalizes it to its amount in order to determine the surface normal at the measuring point.

Dieser Vorgang wird für jeden Meßpunkt entsprechend wiederholt. Das mathematische Verfahren ist dabei un abhängig davon, ob das Tastelement 3a auf einen kugelflä chenförmigen, zweidimensionalen oder einen kugelvolumen förmigen, dreidimensionalen Bereich 33 festgelegt ist. In jedem Fall stimmt der Winkel, unter dem das Tastelement 3a von dem Mittelpunkt M im Antastpunkt aus gesehen wird, mit der Richtung oder dem Winkel der Flächennormalen überein.This process is repeated accordingly for each measuring point. The mathematical method is independent of whether the sensing element 3 a is fixed to a spherical, two-dimensional or spherical, three-dimensional region 33 . In any case, the angle at which the feeler element 3 a of the center M in the touch point is seen from true consistent with the direction or the angle of the surface normal.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann an stelle der körperlichen Zustellung des Tastkopfes 2 auf das Werkstück 4 zu auch eine mechanische Vorpositionie rung vorgenommen werden, wonach die weitere Zustellung durch elektronische Verlagerung des Mittelpunktes M des Bereiches 33 auf das Werkstück 4 zu erfolgt. Außerdem ist es möglich, durch geeignete Einstellung der Regelver stärkung des Reglers 41 eine gewisse Nachgiebigkeit des Bereiches 33 zu erreichen. Dies gestattet es, die Andruckkraft (Tastkraft) des Tastelementes 3a an die Oberfläche des Werkstückes 4 im Meßpunkt fein, das heißt auf einen gewünschten Wert, einzustellen. Deren Richtung stimmt automatisch mit der Flächennormalen überein.In a modified embodiment, instead of the physical infeed of the probe 2 on the workpiece 4 , a mechanical prepositioning can also be carried out, after which the further infeed takes place by electronic displacement of the center point M of the area 33 on the workpiece 4 . In addition, it is possible to achieve a certain flexibility of the area 33 by suitable adjustment of the control gain of the controller 41 . This makes it possible to fine-tune the pressing force (touch force) of the probe element 3 a on the surface of the workpiece 4 at the measuring point, that is to say to a desired value. Their direction automatically coincides with the surface normal.

Bei einer abgewandelten, in Fig. 10 veranschaulich ten Ausführungsform wird der Tastkopf 2 als Tastvorrich tung zur Abtastung eines Werkstückes 4 im Tastschnittver fahren verwendet. Das Tastelement 3a ist bei dieser Aus führungsform auf einen linienhaften, kreisbogenförmigen Bereich 33a gefesselt, der räumlich aber eindimensional ist. Der Bereich 33a ist um den virtuellen Mittelpunkt M gekrümmt. Dieser kann außerhalb des Tastkopfes 2 und gegebenenfalls sogar in dem Werkstück 4 liegen. Der kreisbogenförmige Bereich 33a ist in sich nicht geschlos sen sondern, gesehen von dem Mittelpunkt M, auf einen Winkelbereich beschränkt. Zusätzlich zu der Fesselung des Tastelementes 3a auf diesen Bereich, die in Normalenrich tung zu der Kontur des Bereiches 33a erfolgt, übernehmen die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 die Erzeugung einer Antastkraft in Tangentialrichtung zu dem Bereich 33a.In a modified embodiment shown in FIG. 10, the probe 2 is used as a device for scanning a workpiece 4 in the scanning process. The sensing element 3 a is tied to a linear, arcuate region 33 a in this embodiment, which is spatially but one-dimensional. The area 33 a is curved around the virtual center point M. This can be outside the probe 2 and possibly even in the workpiece 4 . The circular arc-shaped area 33 a is not closed in itself but, seen from the center M, limited to an angular range. In addition to the bondage of the sensing element 3 a to this area, which takes place in the normal direction to the contour of the area 33 a, the force generators 17 , 18 , 19 take over the generation of a contact force in the tangential direction to the area 33 a.

Mit der Fesselung des Taststiftes oder des Tast elementes 3a auf einen Kreisbogen 33a um den Mittelpunkt M kann auch eine gestufte Oberfläche eines Werkstückes 4 abgetastet werden, ohne daß der Taststift 3 bspw. hinter Vorsprüngen 55 hängenbleibt.With the bondage of the stylus or the sensing element 3 a on a circular arc 33 a around the center M, a stepped surface of a workpiece 4 can be scanned without the stylus 3 stuck behind projections 55, for example.

Die rein elektronische Festlegung des virtuellen Drehpunktes M ermöglicht dessen Verlagerung in Abhängig keit von dem erfaßten Oberflächenprofil, wie in Fig. 11 veranschaulicht ist. Vertiefungen 56 in der Oberfläche des Werkstückes 4, die bei festgelegter Lage der von dem Bereich 33a definierten Kulisse im Flankenbereich zu Schwierigkeiten beim Messen führen könnten, können auf diese Weise leicht ausgemessen werden. Wird bspw. eine Vertiefung erfaßt, kann der Mittelpunkt M verlagert werden, so daß der neue Mittelpunkt M_a nun unter der Oberfläche des Werkstückes 4 liegt. Das Tastelement 3a kann dadurch wiederum im wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche geführt werden. Gleiches gilt für eine gegenüberliegende Flanke der Vertiefung 56, bei der der Mittelpunkt M_b der von dem Bereich 33a definierten Kulisse wiederum verlagert ist.The purely electronic definition of the virtual pivot point M enables it to be shifted as a function of the detected surface profile, as illustrated in FIG. 11. Recesses 56 in the surface of the workpiece 4 , which could lead to difficulties in the measurement in the flank region when the backdrop of the region defined by the region 33a is fixed, can be easily measured in this way. If, for example, a depression is detected, the center M can be shifted so that the new center M _a now lies below the surface of the workpiece 4 . The sensing element 3 a can in turn be guided essentially perpendicular to the workpiece surface. The same applies to an opposite flank of the recess 56 , in which the center M _b of the backdrop defined by the area 33 a is in turn shifted.

Es ist außerdem möglich, die Größe, die Krümmung, die Nachgiebigkeit und die Form des Bereiches 33 in Abhängigkeit von erfaßten Meßwerten zu ändern. Dies ermöglicht eine automatische Anpassung der Messung an die zunächst unbekannte Oberflächenform eines Werkstückes 4.It is also possible to change the size, the curvature, the flexibility and the shape of the area 33 depending on the measured values detected. This enables the measurement to be automatically adapted to the initially unknown surface shape of a workpiece 4 .

Ein variabel einsetzbarer Tastkopf 2 weist eine elektronische Führung auf, die das Tastelement 3a in seiner Beweglichkeit auf Bereiche 33 mit räumlich ge krümmter Kontur beschränkt. Bei einer geometrisch ein fachen und übersichtlichen Lösung sind diese Bereiche wenigstens abschnittsweise kreis- oder kugelförmig. Die elektronische Führung enthält eine Regeleinrichtung, die über ein Meßsystem 21 die Position des Tastelementes 3a erfaßt und, falls erforderlich, über elektromotorische Kraftgeneratoren 17, 18, 19 gegensteuert. Innerhalb des so definierten Bereiches 33 ist das Tastelement 3a kräf tefrei bewegbar. Beim Antasten einer Werkstückoberfläche kann über die Lage innerhalb der Kulisse 33 zusätzlich zu den Raumkoordinaten X, Y, Z des Meßpunktes noch die Richtung der Flächennormalen der Werkstückoberfläche in dem betreffenden Meßpunkt bestimmt werden. Dies sichert vielfältige Verwendungsmöglichkeiten.A variably usable probe head 2 has an electronic guide which limits the mobility of the probe element 3 a to areas 33 with a spatially curved contour. In the case of a geometrically simple and clear solution, these areas are circular or spherical, at least in sections. The electronic guide contains a control device which detects the position of the sensing element 3 a via a measuring system 21 and, if necessary, countermeasures via electromotive force generators 17 , 18 , 19 . Within the area 33 defined in this way, the sensing element 3 a can be moved without force. When probing a workpiece surface, the position within the link 33 in addition to the spatial coordinates X, Y, Z of the measuring point can also be used to determine the direction of the surface normals of the workpiece surface in the relevant measuring point. This ensures a variety of uses.

Claims

1. Tastvorrichtung (2) zur wenigstens punktweisen Be stimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche,
mit einem ein Tastelement (3a) tragenden Tastarm (3), der über reibungsarme, spielfreie Lagermittel (13, 14, 26, 28, 30) an einem Basiskörper (31) beweglich gelagert ist,
mit elektrisch steuerbaren Kraftgeneratoren (17, 18, 19), die mit dem Tastarm gekoppelt sind und mittels derer das Tastelement mit einer Kraft definierbarer Größe und Richtung beaufschlagbar ist,
mit wenigstens einem Messsystem (21) zur Erfassung einer Auslenkung des Tastelements (3a) in Bezug auf den Basiskörper (31),
mit wenigstes einer Ansteuereinrichtung (34), an die das Messsystem (21) und die Kraftgeneratoren (17, 18, 19) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Tastelement (3a) mittels der Kraftgeneratoren (17, 18, 19) auf einen Flächen- oder Raumbereich (33) mit gekrümmter Kontur gefesselt ist.1. probe device ( 2 ) for at least pointwise determination of coordinates of a workpiece surface,
with a probe arm ( 3 ) carrying a probe element ( 3 a), which is movably mounted on a base body ( 31 ) via low-friction, play-free bearing means ( 13 , 14 , 26 , 28 , 30 ),
with electrically controllable force generators ( 17 , 18 , 19 ) which are coupled to the feeler arm and by means of which the feeler element can be acted upon with a definable size and direction,
with at least one measuring system ( 21 ) for detecting a deflection of the probe element ( 3 a) in relation to the base body ( 31 ),
with at least one control device ( 34 ) to which the measuring system ( 21 ) and the force generators ( 17 , 18 , 19 ) are connected,
characterized by
that the scanning element is tied up (3a) by means of the force generators (17, 18, 19) to an area or volume region (33) with a curved contour.

2. Tastvorrichtung (2) zur wenigstens punktweisen Be stimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche,
mit einem ein Tastelement (3a) tragenden Tastarm (3), der über reibungsarme, spielfreie Lagermittel (13, 14, 26, 28, 30) an einem Basiskörper (31) beweglich gelagert ist,
mit elektrisch steuerbaren Kraftgeneratoren (17, 18, 19), die mit dem Tastarm gekoppelt sind und mittels derer das Tastelement mit einer Kraft definierbarer Größe und Richtung beaufschlagbar ist,
mit wenigstens einem Messsystem (21) zur Erfassung einer Auslenkung des Tastelements (3a) in Bezug auf den Basiskörper (31),
mit wenigstes einer Ansteuereinrichtung (34), an die das Messsystem (21) und die Kraftgeneratoren (17, 18, 19) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Tastelement (3a) mittels der Kraftgeneratoren (17, 18, 19) auf einem Bereich (33) mit gekrümmter Kontur gefesselt ist und
dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (35) zu vari ierbaren Vorgabe des Bereiches (33) aufweist.2. probe device ( 2 ) for at least pointwise determination of coordinates of a workpiece surface,
with a probe arm ( 3 ) carrying a probe element ( 3 a), which is movably mounted on a base body ( 31 ) via low-friction, play-free bearing means ( 13 , 14 , 26 , 28 , 30 ),
with electrically controllable force generators ( 17 , 18 , 19 ) which are coupled to the feeler arm and by means of which the feeler element can be acted upon with a definable size and direction,
with at least one measuring system ( 21 ) for detecting a deflection of the probe element ( 3 a) in relation to the base body ( 31 ),
with at least one control device ( 34 ) to which the measuring system ( 21 ) and the force generators ( 17 , 18 , 19 ) are connected,
characterized,
that the sensing element (3a) by means of the force generators (17, 18, 19) is tied up on a portion (33) having a curved contour and
that the control device ( 34 ) has means ( 35 ) for variably specifying the area ( 33 ).

3. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Kontur wenigstens ab schnittsweise eine konstante Krümmung und einen konstanten Radius zu einem Krümmungsmittelpunkt (M) aufweist. 3. Touch device according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the curved contour at least from sectionally a constant curvature and a constant Radius to a center of curvature (M).

4. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (3a) auf beliebigen Bahnen innerhalb des vorgegebenen Bereichs (33) ohne von den Kraftgeneratoren (17, 18, 19) verursachte Gegenkräfte bewegbar ist.4. feeler device according to claim 1 or 2, characterized in that the feeler element ( 3 a) is movable on any path within the predetermined range ( 33 ) without counter-forces caused by the force generators ( 17 , 18 , 19 ).

5. Tastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Fläche randlos ist.5. Touch device according to claim 1, characterized draws that the surface is borderless.

6. Tastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der vorgegebene Bereich (33a) eine Kurve ist.6. Touch device according to claim 2, characterized in that the predetermined area ( 33 a) is a curve.

7. Tastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kurve geschlossen ist.7. Touch device according to claim 6, characterized shows that the curve is closed.

8. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (35) enthält, durch die der vorgegebene Bereich (33) in Reaktion auf die Größe der Messkraft veränderbar ist.8. Probe device according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 34 ) contains means ( 35 ) through which the predetermined area ( 33 ) can be changed in response to the magnitude of the measuring force.

9. Tastvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, dass das Mittel (35) zur Veränderung des vorgege benen Bereichs (33) den Mittelpunkt der Kontur verlagert.9. Touch device according to claim 8, characterized in that the means ( 35 ) for changing the pregiven area ( 33 ) shifts the center of the contour.

10. Tastvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass der Mittelpunkt in einer vorgegebenen Rich tung (N) verlagert wird.10. Touch device according to claim 9, characterized records that the center point in a given Rich device (N) is shifted.

11. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des vorgegebenen Be reiches (33) seine Größe verändert wird. 11. Touch device according to claim 1 or 2, characterized in that to change the predetermined loading range ( 33 ) its size is changed.

12. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (41) enthält, durch die das Tastelement (3a) mit einstell barer Nachgiebigkeit in dem vorgegebenen Bereich (33) ge fesselt ist.12. Touch device according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 34 ) contains means ( 41 ) through which the probe element ( 3 a) with adjustable resilience in the predetermined area ( 33 ) is captivated.

13. Tastvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die Nachgiebigkeit in Reaktion auf die Größe der Messkraft veränderbar ist.13. Touch device according to claim 12, characterized records that compliance in response to size the measuring force is changeable.

14. Tastvorrichtung nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel darauf ansprechen, dass die Messkraft einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.14. Touch device according to claim 8 or 12, characterized characterized that the means respond to that Measuring force exceeds a predetermined maximum value.

15. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) einen Lageregler (36, 38, 39, 41, 42, 43) enthält, der mit den drei an seine Ausgänge angeschlossenen Kraftgeneratoren (17, 18, 19) ausschließlich in Richtung der Flächennormalen der Kontur gerichtete Kräfte erzeugt.15. Touch device according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 34 ) contains a position controller ( 36 , 38 , 39 , 41 , 42 , 43 ), which with the three force generators ( 17 , 18 , 19) connected to its outputs ) generated forces directed only in the direction of the surface normal of the contour.

16. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) eine Ein richtung zur Erzeugung einer Messkraft enthält, die eine tangential zu der Fläche (33) oder der Kurve (33a) gerich tete Tastkraft erzeugt.16. Touch device according to claim 1 or 6, characterized in that the control device ( 34 ) contains a device for generating a measuring force which generates a touch force tangential to the surface ( 33 ) or the curve ( 33 a).

17. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine an das Messsystem (21) an geschlossene Auswerteinrichtung (45) aufweist, die die Richtung von einem Mittelpunkt (M) des Bereichs (33) zu dem Tastpunkt (P_IST) bestimmt. In that it comprises 17 scanning device according to claim 1 or 2, characterized in that one of the measuring system (21) to closed-evaluation device (45) indicating the direction from a center (M) of the region (33) to the contact point (P _IST) certainly.

18. Verfahren zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche und insbesondere zur zusätzlichen Bestimmung der Richtung der Flächennorma len der Werkstückoberfläche, bei dem das Tastelement einer Tastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Antastung der Werkstücko berfläche elektronisch innerhalb eines vorgegebenen Be reichs mit gekrümmter Kontur gehalten wird, wobei das Tast element innerhalb des gekrümmten Bereichs beweglich ist.18. Procedure for at least point-by-point determination coordinates of a workpiece surface and in particular for additional determination of the direction of the surface norm len the workpiece surface, in which the sensing element according to a sensing device one of claims 1 to 17 for probing the workpiece surface electronically within a given area is held with a curved contour, the key element is movable within the curved area.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass das Tastelement in dem Bereich weitestgehend kräftefrei geführt ist.19. The method according to claim 18, characterized in net that the probe element in the area as far as possible is guided without forces.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass zur Bestimmung der Richtung der Flächennormalen des angetasteten Punktes der Werkstückoberfläche der Tast kopf an die Werkstückoberfläche herangefahren wird, bis das die Werkstückoberfläche berührende Tastelement auf seiner Bahn innerhalb des Bereichs einen Bahnendpunkt erreicht und bei diesem zur Ruhe kommt, und dass die Richtung von dem Mittelpunkt des Bereichs zu dem Bahnendpunkt bestimmt und als Normalenrichtung des angetasteten Punktes der Werkstü ckoberfläche ausgegeben wird.20. The method according to claim 18, characterized in net that to determine the direction of the surface normal the probed point of the workpiece surface up to the workpiece surface until the the probe element touching the workpiece surface on its Path reaches a path end point within the range and comes to rest at this, and that the direction of that The center of the area to the path end point is determined and as the normal direction of the probed point of the workpiece surface is issued.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass der Bereich hinsichtlich seiner Eigenschaften in Abhängigkeit von der erfassten Form der Werkstückoberfläche verändert wird.21. The method according to claim 18, characterized in net that the area in terms of its properties in Depends on the recorded shape of the workpiece surface is changed.