DE19952592C1 - Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werkstücks, mit einer im wesentlichen in Spitzenrichtung (z-Richtung) beweglich gehaltenen und vorgespannten Tastspitze (4), die sich fest an einem ersten Beschleunigungswandler (2) befindet, der die Bewegungen der Tastspitze (4) und somit die Meßdaten in Beschleunigungsdaten umwandelt und der in Spitzenrichtung (z-Richtung) beweglich gehalten und vorgespannt und fest mit der Tastspitze (4) verbunden ist. Ein erster Integrator (26) integriert die von dem ersten Beschleunigungswandler (2) abgegebenen Beschleunigungsdaten zweimal über die Zeit und bildet so Längenmeßdaten, die dem Verlauf der abgetasteten Oberfläche entsprechen. Der Taster ist in der Lage, sowohl die Form als auch die Welligkeit oder die Rauhigkeit der Oberfläche eines Werkstücks abzutasten und als entsprechende Meßspannung wiederzugeben.

Description

Taster der betreffenden Art sind allgemein be­ kannt. Je nach Bauart läßt sich mit Ihnen die Form, die Welligkeit oder die Rauheit einer Oberfläche ab­ tasten und messen. Im folgenden werden unter dem Be­ griff "Verlauf" alle drei Möglichkeiten der Abtastung und Messung verstanden.

Durch DE 26 60 993 C2 ist ein Taster der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt. Er weist einen elektromechanischen Meßwandler auf, des­ sen mit einer Tastspitze versehener Tastarm in Ta­ strichtung vorgespannt ist. Der gesamte Meßtaster ist an einer Vorschubeinrichtung befestigt, die die Tast­ spitze des Meßwandlers über die zu prüfende Oberflä­ che führt. Der Meßwandler wandelt dabei die Bewegun­ gen der Tastspitze in Spitzenrichtung (z-Richtung) in entsprechende Meßdaten um. Da die Vorschubeinrichtung den Meßwandler mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, können die Meßdaten zeitabhängig beispielsweise auf einem mit kontanter Geschwindigkeit laufendem Papier­ streifen aufgezeichnet und somit wiedergegeben wer­ den. Dabei wird immer eine lineare Abhängigkeit un­ terstellt, wofür Voraussetzung eine konstante Vor­ schubbewegung ist, wodurch sich hohe Anforderungen an die Konstanthaltung der Vorschubbewegung ergeben. Es ist also nicht nur eine Vorschubeinrichtung erforder­ lich, sondern eine solche, die hohen Anforderungen genügt. Außerdem erfordert eine solche Vorschubein­ richtung besondere Maßnahmen, wie sie durch DE 27 25 072 A1 und DE 41 32 724 A1 bekannt sind, wenn die abzutastende Oberfläche aufgrund der Form des abzutastenden Werkstücks oder auch aufgrund von größeren Welligkeiten nicht eben ist und somit eine Veränderung der Richtung der Vorschubbewegung erfor­ derlich ist, um den elektromechanischen Meßwandler in seinem Arbeitsbereich zu halten. Dabei tritt aller­ dings die Form oder Welligkeit der Oberfläche nicht als Meßspannung in dem Meßwandler auf, sie geht daher verloren.

Durch DE 35 43 906 A1 ist ein Taster der im Oberbegriff des Anspruchs 14 genannten Art bekannt zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Tastspitze, die an einem im we­ sentlichen in Spitzenrichtung um ein Schwenklager verschwenkbaren Tastarm mit einem Abstand von dem Schwenklager angeordnet ist, und mit einem Wandler zur Umwandlung der Bewegung der Tastspitze in ent­ sprechende Meßdaten.

Ebenfalls durch DE 35 43 906 A1 ist ein Taster der im Oberbegriff des Anspruchs 16 genannten Art zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werk­ stücks bekannt mit einem Grundkörper, mit Mitteln zur gleichförmigen linearen Bewegung des Grundkörpers in einer Abtastrichtung, mit einem an dem Grundkörper um ein Schwenklager schwenkbar angeordneten Tastarm, mit einer an dem Tastarm entfernt von dem Schwenklager angeordneten Tastspitze und mit einem Meßwandler zur Erzeugung eines Meßsignals in Abhängigkeit von Bewe­ gungen der Tastspitze in Spitzenrichtung bei Abta­ stung einer Oberfläche.

Durch DE 196 37 554 A1 ist eine Vorrichtung zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werk­ stücks bekannt mit einer beweglich gehaltenen Tast­ spitze, mit Wandlern zur Umwandlung der Bewegungen der Tastspitze in entsprechende Meßwerte und mit wei­ teren Wandlern zur Umwandlung der Bewegungen des die Tastspitze tragenden Meßtasters in entsprechende Meß­ daten. Die weiteren Wandler sind Beschleunigungswand­ ler, zum Teil Drehbeschleunigungswandler, und wandeln die betreffenden Meßdaten in Beschleunigungsdaten um und sind fest mit dem Meßtaster verbunden, wobei ein Integrator vorgesehen ist, der die Beschleunigungs­ daten zweimal über die Zeit integriert und so Längen­ maße bildet, die den Positionen des Meßtasters ent­ sprechen. Die Beschleunigungswandler dienen nur zur Erfassung desjenigen Teils der Bewegung der Tastspit­ ze, die diese aufgrund einer Bewegung des sie tragen­ den Meßtasters ausführt, und vor allem der Erfassung und Korrektur einer an und für sich nicht gewünschten Relativbewegung zwischen Meßtaster und Meßobjekt.

Durch US 4 422 322 ist eine Vorrichtung zur Ab­ tastung des Verlaufs einer Straßenoberfläche bekannt. Als Tastorgan dient ein Meßfahrzeug mit seinen auf der zu vermessenden Straßenoberfläche rollenden Rä­ dern. Ein Wandler dient zur Umwandlung der Bewegungen des Meßfahrzeugs senkrecht zur Straßenoberfläche in entsprechende Meßdaten, wobei der Wandler ein Be­ schleunigungswandler ist, der Meßdaten in Beschleuni­ gungsdaten umwandelt und fest mit der gefederten Mas­ se des Meßfahrzeugs verbunden ist. Ein Integrator integriert die Beschleunigungsdaten zweimal über die Zeit und bildet so Längenmeßdaten, die dem Verlauf der abgetasteten Straßenoberfläche entsprechen. Zur Abtastung einer Werkstückoberfläche ist diese bekann­ te Vorrichtung nicht geeignet.

Durch US 5 850 289 ist eine Vorrichtung zur Ab­ tastung eines Objekts zur Bestimmung von Form und dreidimensionaler Oberflächencharakteristik bekannt, bei der die Abtasteinrichtung frei zu dem Objekt be­ wegt wird und die Bewegungs- bzw. Positionsdaten der Abtasteinrichtung über einen Beschleunigungswandler ermittelt werden. Die Abtastung erfolgt in der Weise, daß ein optisches Muster auf die Oberfläche des Ob­ jekts projiziert und die Änderung des Musters optisch geprüft und daraus ein Signal zur Korrektur der Bewe­ gung der Abtasteinrichtung gebildet wird. Zur Abta­ stung der Rauheit einer Oberfläche eines Werkstücks ist diese bekannte Vorrichtung nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche, also der Form, der Welligkeit oder Rauheit eines Werkstücks, zu schaffen, mit dem beliebige Unebenhei­ ten der Oberfläche eines Werkstücks, also die Form, Welligkeit oder Rauheit abtastbar und in entsprechen­ de Meßdaten umwandelbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 oder 12 oder 14 oder 16 angegebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, bei der Abtastung der Oberfläche nicht die Auslenkungen einer Tastspitze zugrundezulegen, sondern die durch die Auslenkungen hervorgerufenen Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten, um aus diesen dann durch Integration über die Zeit den Wert der Auslenkung zu ermitteln.

Zu diesem Zweck werden gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung Linearbeschleunigungen ausgewer­ tet. Dazu ist gemäß Anspruch 1 der erste Wandler als erster Beschleunigungswandler ausgebildet, der die Meßdaten in Beschleunigungsdaten umwandelt und der in Spitzenrichtung (z-Richtung) beweglich gehalten und vorgespannt und fest mit der Tastspitze verbunden ist. Dieser erste Beschleunigungswandler ist dadurch in der Lage, einen großen Bewegungsbereich zu erfas­ sen, also sowohl große Höhenunterschiede entsprechend dem Formverlauf einer Oberfläche als auch kleine Hö­ henunterschiede entsprechend der Welligkeit der Ober­ fläche und auch kleinste Höhenunterschiede entspre­ chend der Rauhigkeit der Oberfläche. Durch nachge­ schaltete Filter, nämlich Tiefpaßfilter für die Form, Bandpaßfilter für die Welligkeit und Hochpaßfilter für die Rauheit lassen sich die gewünschten Meßgrößen voneinander trennen.

Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungs­ form der Erfindung ist ein zweiter Beschleunigungs­ wandler vorgesehen zur Umwandlung der Bewegung des Tasters in einer Längsrichtung (x-Richtung) im we­ sentlichen senkrecht zu der Spitzenrichtung (z-Rich­ tung) in entsprechende Beschleunigungsdaten. Diesem zweiten Beschleunigungswandler ist ein zweiter In­ tegrator nachgeschaltet, der die Bewegungsdaten des zweiten Beschleunigungswandlers zweimal über die Zeit integriert und so in Längenbewegungsdaten umwandelt. Mit dem Begriff "Bewegung" wird dabei eine Bewegung des Tasters quer zur Meßrichtung (z-Richtung) ver­ standen. Diese Bewegung wird bei einem Meßvorgang mit dem Taster in beliebiger Weise bewirkt. Sie kann wie bei bekannten Tastern zwar mit einem Vorschubgerät bewirkt werden, dessen Geschwindigkeit nicht konstant sein muß wie bei bisher bekannten Vorschubgeräten, vielmehr besteht der große Vorteil, daß auch eine Bewegung über die abzutastende Oberfläche von Hand erfolgen kann, bei der naturgemäß keine gleichmäßige Geschwindigkeit bei der Bewegung erreicht werden kann. Der tatsächliche Bewegungsverlauf und damit die abgetastete Strecke wird erfindungsgemäß nachträglich durch die zweimalige Integration errechnet. Da auch die Beschleunigungsdaten aus dem ersten Beschleuni­ gungswandler in gleicher Weise wie die Bewegungsdaten aus dem zweiten Beschleunigungswandler zweimal über die Zeit integriert werden, werden somit die Meßbewe­ gungen, also die jeweils gemessenen Höhenwerte, den jeweiligen Orten des Tasters bei seiner Bewegung in Längsrichtung (x-Richtung) zugeordnet, so daß genau der Höhenverlauf der Oberfläche des Werkstücks be­ stimmt ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung sind Wiedergabemittel vorgesehen, in die die Längenmeßdaten und die Längen­ bewegungsdaten eingespeist sind, derart, daß von ih­ nen die Auslenkungen der Tastspitze in Spitzenrich­ tung (z-Richtung) in Abhängigkeit (z(x)) von der Be­ wegung der Tastspitze in Längsrichtung senkrecht (x- Richtung) zu der Spitzenrichtung (z-Richtung) wie­ dergegeben werden. Die Wiedergabemittel können dabei eine Bildröhre sein oder auch ein Papierstreifen, auf dem die Meßdaten in Abhängigkeit von den Längenbewe­ gungsdaten aufgezeichnet werden.

Eine zweckmäßige Weiterbildung dieser Ausfüh­ rungsform der Erfindung sieht vor, daß ein dritter Beschleunigungswandler vorgesehen ist, der seitliche Bewegungen (y-Richtung) des Tasters senkrecht zur Spitzenrichtung (z-Richtung) und senkrecht zur Längs­ richtung (x-Richtung) in entsprechende seitliche Be­ schleunigungsdaten umwandelt, wobei ein dritter In­ tegrator vorgesehen ist, der die seitlichen Beschleu­ nigungsdaten zweimal über die Zeit integriert und so in entsprechende seitliche Längenbewegungsdaten um­ wandelt, die in die Wiedergabemittel eingespeist sind, derart, daß von den Wiedergabemitteln eine To­ pographie einer von der Tastspitze abgetasteten Ober­ fläche wiedergegeben wird. Dies ermöglicht es, den Taster in beliebige Richtungen quer zur Spitzenrich­ tung (z-Richtung) über die abzutastende Oberfläche zu bewegen, wobei dann bei jeder Bewegung neue Abtast­ bahnen durchfahren werden, und bei ausreichender Dichte dieser Abtastbahnen ergibt sich dann die Topo­ graphie der abgetasteten Oberfläche.

In der praktischen Ausführung sind die Integra­ toren, die die Signale der Beschleunigungswandler zweimal über die Zeit integrieren, durch zwei ein­ zelne hintereinandergeschaltete Integratoren gebil­ det.

Die von den Beschleunigungswandlern abgegebenen Daten können Analogdaten sein, wobei den Beschleuni­ gungswandlern Analog/Digitalwandler nachgeschaltet sind, deren Ausgangssignale durch nachgeschaltete digitale Integratoren zweimal über die Zeit inte­ griert werden. Wie bereits erwähnt können den Ana­ log/Digitalwandlern Bandpässe vorgeschaltet sein, durch die bestimmte Frequenzbereiche, beispielsweise entsprechend der Form, der Welligkeit oder der Rau­ heit der Oberfläche, herausgefiltert werden können.

Die Wiedergabemittel können in der bereits er­ wähnten Weise durch eine Bildröhre oder ein Schreib­ gerät, beispielsweise einen Papierstreifenschreiber, gebildet sein.

Erfindungsgemäß ist die Tastspitze fest mit dem ersten Beschleunigungswandler verbunden. Je nach Bau­ art des Beschleunigungswandlers muß somit von der Tastspitze die Masse des Beschleunigungswandlers be­ wegt werden. Bei schnellen Abtastbewegungen können dabei hohe Beschleunigungen auftreten und damit ent­ sprechend starke Belastungen der Abtastspitze, die dadurch einem entsprechend hohen Verschleiß unterwor­ fen sein kann. Es ist daher zweckmäßig, die Tastspit­ ze auswechselbar mit dem ersten Beschleunigungswand­ ler zu verbinden. Natürlich ist es auch möglich, der Abtastspitze unterschiedliche Spitzenradien zu geben, so daß die Abtastspitze nur gröberen Auslenkungen, beispielsweise entsprechend der Welligkeit oder der Form der Oberfläche, folgt, so daß hohe Beschleuni­ gungen und damit ein hoher Verschleiß der Abtastspit­ ze vermieden sind.

Zweckmäßigerweise sind Dämpfungsmittel vorgese­ hen, die die Bewegungen des ersten Beschleunigungs­ wandlers dämpfen und somit Eigenschwingungen oder Resonanzen unterdrücken.

Der erste und der zweite Beschleunigungswandler können zusammen mit dem ersten und dem zweiten In­ tegrator und den Wiedergabemitteln in einem gemein­ samen Gehäuse angeordnet sein, aus dem die Tastspitze herausragt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit der Hand das Gehäuse so über eine abzutastende Ober­ fläche zu führen, daß die Tastspitze über die Ober­ fläche gleitet. Auf den Wiedergabemitteln erscheint dann die Höhenkontur der abgetasteten Bahn auf der Oberfläche.

Bei dieser Ausführungsform hat das Gehäuse zweckmäßigerweise die Form eines Kugelschreibers, wobei die Tastspitze aus der Spitze des Gehäuses her­ ausragt. Der Taster kann also bei der Abtastung der Oberfläche so gehandhabt werden, als würde mit einem Kugelschreiber eine Linie auf der Oberfläche des Werkstücks geschrieben. Bei diesem Abtastvorgang er­ scheint dann auf dem Display der Verlauf der Ober­ fläche des Werkstücks, also je nach Filterung die Oberflächenkontur, die Welligkeit oder die Rauheit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Grund­ gedankens der Erfindung werden die Drehbeschleunigun­ gen oder Drehgeschwindigkeiten eines Tastarms ausge­ wertet, an dem sich die Tastspitze befindet. Aus den Drehbeschleunigungsdaten werden durch zweimalige In­ tegration über die Zeit jeweils die Drehwinkel er­ mittelt und daraus die Auslenkungen der Tastspitze berechnet. Wird die Drehgeschwindigkeit ermittelt, so werden die Drehwinkel durch einmalige Integration über die Zeit ermittelt und daraus dann die Auslen­ kungen errechnet. Die Abtastbewegung (in x-Richtung) erfolgt dabei gleichförmig linear.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich auch in der Weise praktisch realisieren, daß an dem Tastarm ein erster Beschleunigungssensor angeordnet ist, des­ sen Sensorrichtung in der Schwenkebene des Tastarmes liegt und der ein erstes Ausgangssignal a abgibt, das in einer Recheneinrichtung eingespeist ist, die das erste Ausgangssignal a mit dem Radius r multipli­ ziert, mit dem die Tastspitze von dem Schwenklager entfernt angeordnet ist. Es sind Mittel zur gleich­ förmigen linearen Bewegung eines den Tastarm halten­ den Grundkörpers vorgesehen. Durch die gleichförmige lineare Bewegung erfährt der erste Beschleunigungs­ sensor keine Beschleunigungen, so daß dadurch auch kein Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses entsteht dadurch, daß sich bei einer Auslenkung des Tastarmes die Wirkung der Erdbeschleunigung auf den Beschleuni­ gungssensor ändert, der so ein Ausgangssignal abgibt, das von der Neigung des an dem Tastarm angeordneten Beschleunigungssensors in bezug zur Richtung der Erd­ beschleunigung abhängt. Da der Winkel der Auslenkung des Tastarmes bei der Abtastung einer Oberfläche durch die Tastspitze von dem Radius r abhängig ist, indem die Tastspitze an dem Tastarm entfernt von dem Schwenklager angeordnet ist, läßt sich unter Berück­ sichtigung des Radius r ein Wert für die Bewegung der Tastspitze in Spitzenrichtung (z-Richtung) ermitteln.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Sensorrich­ tung parallel zur Spitzenrichtung (z-Richtung) und die lineare Bewegung des Grundkörpers parallel zur Erdoberfläche verläuft, derart, daß das Ausgangssi­ gnal a des ersten Beschleunigungssensors dem Sinus des Kippwinkels α des Tastarmes zu der Erdoberfläche entspricht. Bei nicht zu großen Kippwinkeln besteht unter diesen Bedingungen weitgehend lineare Abhängig­ keit zwischen Kippwinkel und der Auslenkung der Tast­ spitze.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung dieser Ausführungsform des Grundgedankens der Erfindung be­ steht darin, daß ein zweiter Beschleunigungssensor vorgesehen ist, dessen Sensorrichtung in der Schwenk­ ebene des Tastarmes mit dem ersten Beschleunigungs­ sensor einen Winkel von 90° bildet und ein zweites Ausgangssignal b abgibt. Aus diesen beiden Ausgangs­ signalen a und b läßt sich dann der Winkel α mit arctan a/b ermitteln und daraus dann die Auslenkung der Tastspitze z mit r.sinusα. Diese Ausführungs­ form des Grundgedankens der Erfindung setzt also nicht eine bestimmte Richtung der Bewegung des Ta­ sters und eine bestimmte Lage des Tasters in bezug zur Richtung der Erdbeschleunigung voraus.

Die bei der Erfindung verwendeten Beschleuni­ gungssensoren sind allgemein bekannt. Sie weisen bei­ spielsweise ein kleines in Federn aufgehängtes Ge­ wicht auf, dessen Auslenkung aufgrund von Beschleuni­ gungen kapazitiv gemessen werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau eines ersten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Grundge­ dankens mit einem linearen Beschleuni­ gungswandler,

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild den elek­ trischen Teil des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt perspektivisch ein praktisches Ausführungsbeispiel in der äußeren Form eines Kugelschreibers,

Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbei­ spiel für eine andere praktische Aus­ führung des Grundgedankens der Erfin­ dung unter Ausnutzung der Erdbeschleu­ nigung, und

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des in Fig. 4 schematisch dargestellten Beschleunigungssensors.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Beschleunigungs­ wandler 2, an dem fest eine Abtastspitze 4 angebracht und der selbst an einer Blattfeder 6 befestigt ist, die an einer schematisch dargestellten Halterung 8 befestigt ist, die beispielsweise die Form eines Ge­ häuses oder dergleichen haben kann, mit dem die Tast­ spitze 4 in einer durch einen Pfeil 10 angedeuteten Längsrichtung (x-Richtung) über eine abzutastende Oberfläche eines zu prüfenden Werkstücks geführt wer­ den kann, wobei die Tastspitze 4 zusammen mit dem Beschleunigungswandler 2 in Abhängigkeit von dem Ver­ lauf der Oberfläche Bewegungen in einer durch einen Pfeil 12 symbolisierten Spitzenrichtung (z-Richtung) ausführt. Dabei gibt der Beschleunigungswandler 2 Beschleunigungsdaten an einer Klemme 14 ab, die in einer nachfolgenden Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 weiterverarbeitet werden. Der Beschleunigungswandler 2 ist außerdem so ausgebildet, daß er aufgrund von Beschleunigungen in x-Richtung Beschleunigungsdaten an eine Klemme 16 liefert.

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild die elektro­ nische Schaltung zur Verarbeitung der an den Klemmen 14 und 16 erscheinenden Beschleunigungssignale, die von den in Richtung der Pfeile 10 und 12 wirksamen Beschleunigungswandlern in dem allgemein als Be­ schleunigungswandler 2 bezeichneten Element abgegeben werden. Die Klemme 14 ist über eine sehr flexible Leitung 18 mit einem Verstärker 20 verbunden, dessen Ausgang über ein Bandpaßfilter 22 mit einem Ana­ log/Digitalwandler 24 verbunden ist, der die in ana­ loger Form an der Klemme 14 erscheinenden Beschleuni­ gungssignale in digitale Signale umwandelt, die in einem angeschlossenen Integrator 26 zweimal über die Zeit integriert werden, so daß an dessen Ausgangs­ leitung 28 Meßsignale erscheinen, die dem Aus­ lenkungsweg der Tastspitze 4 in z-Richtung (Pfeil 12) proportional sind und an einen Vertikaleingang einer Bildröhre 30 angeschlossen sind. Die Elemente 18 bis 28 bilden den z-Kanal der elektronischen Schaltung.

In entsprechender Weise ist die Klemme 16 über eine sehr flexible Leitung 32, einen Verstärker 34, einen Bandpaß 36 und einen Analog/Digitalwandler 38 mit einem Integrator 40 verbunden, der das digtale Ausgangssignal des Analog/Digitalwandlers 38 zweimal über die Zeit integriert, so daß an einer Ausgangs­ leitung 42 des Integrators 40 ein Signal erscheint, das dem in x-Richtung entsprechend dem Pfeil 10 zu­ rückgelegten Weg der Tastspitze 4 entspricht. Die Ausgangsleitung 42 ist an den Horizontaleingang der Bildröhre 30 angeschlossen, so daß auf dessen Schirm eine Kurve 44 erscheint, die dem Verlauf der abgeta­ steten Oberfläche eines Werkstücks entspricht.

Die elektronische Einrichtung mit den Elementen 18 bis 44 gemäß Fig. 2 kann zusammen mit den in Fig. 1 dargestellten Elementen 2 bis 16 in einem gemein­ samen Gehäuse zusammenfaßt sein, aus dem die Tast­ spitze 4 herausragt, so daß es bei Gebrauch des Ta­ sters lediglich erforderlich ist, ihn mit beliebiger Geschwindigkeit über die abzutastende Oberfläche zu führen, derart, daß die Tastspitze 4 dem Verlauf der Oberfläche folgt. Die Geschwindigkeit der Führung in x-Richtung (Pfeil 10) ist dabei nicht von Bedeutung, weil der Wegverlauf der Tastspitze 4 aus den Be­ schleunigungen in x-Richtung errechnet wird. Die Ele­ mente 18 bis 44 können aber auch getrennt von den in Fig. 1 dargestellten Elementen angeordnet sein, wobei dann allerdings die Leitungen 18 und 32 verlängert sein müssen, gegebenenfalls unter Hinzufügung eines zusätzlichen Kabels.

Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Gehäuse 46 in der Form eines Kugelschreibers, in dem sämtliche in den Fig. 1 und 2 dargestellten Elemente und zusätzlich eine Versorgungsbatterie angeordnet sind und aus dem die Tastspitze 4 herausragt, während der in diesem Fall als Display 48 ausgebildete Bild­ schirm durch ein Fenster in dem Gehäuse 46 sichtbar ist, so daß eine Kurve 50 erscheint, wenn das Gehäuse 46 mit der Tastspitze 4 über die abzutastende Ober­ fläche geführt wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht das Gehäuse 46 der Halterung 8 in Fig. 1, und natürlich ist aus konstruktiven Gründen die in Fig. 1 schematisch dargestellte Blattfeder 6 durch eine passende Federkonstruktion ersetzt.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer anderen Realisierungsform des Grundgedankens der Erfindung. Eine Tastspitze 50 ist an einem um ein Schwenklager 54 verschwenkbaren Tastarm 52 in einem Abstand r von dem Schwenklager angebracht und so an einem nicht dargestellten Grundkörper gehalten, der in Richtung eines Pfeiles 56 durch eine nicht dar­ gestellte Vorschubeinrichtung gleichmäßig linear be­ wegt wird. Die Tastspitze liegt bei dieser Abtastbe­ wegung in bekannter Weise mit leichtem Druck an einer abzutastenden Oberfläche an. Dabei erfährt die Tast­ spitze 50 Auslenkungen in Spitzenrichtung, die als z- Richtung be­ zeichnet und durch einen Pfeil 58 symbolisiert ist. Die Bewegung des Tasters in Richtung des Pfeiles 56 ist in bezug zu der z-Richtung durch einen Pfeil 60 symbolisiert und als x-Richtung bezeichnet. Bei den Auslenkungen der Tastspitze 50 in z-Richtung führt der Tastarm 52 Schwenkbewegungen in Richtung eines Doppelpfeiles 62 aus.

Im Bereich des Schwenklagers 54 ist mit dem Tastarm 2 ein Meßwandler 64 verbunden, der so die Kippbewegungen des Tastarmes 2 um das Schwenklager 54 mitmacht.

Fig. 5 zeigt vergrößert und schematisch den in­ neren Aufbau des Meßwandlers 64 gemäß Fig. 4. Er weist ein kleines Gewicht 66 auf, das durch kleine Federn 68 frei schwebend an einem Gehäuse 70 gehalten ist. An dem Gewicht 66 befinden sich leitfähige Arme 72 und 74, die jeweils zwischen zwei leitfähige Plat­ ten 76, 78 bzw. 80, 82 ragen und bei Bewegungen des Gewichts 66 in Richtung eines Pfeiles 98 die Kapazi­ tät zu den Platten 76-82 oder zwischen diesen Platten ändern, die dann gemessen werden kann. Solche Ände­ rungen der Lage des Gewichts 66 und damit der genann­ ten Kapazitäten ergeben sich dann, wenn der Tastarm 52 bei der Abtastung in Richtung des Doppelpfeiles 62 kippt und sich somit auch der Einfluß der Erd­ beschleunigung auf die Auslenkungsmöglichkeit des Gewichts 66 in Richtung des Pfeiles 96 ändert.

An dem Gewicht 66 befinden sich in einem Winkel von 90° zu den Armen 72, 74 weitere Arme 84, 86, die mit leitfähigen Platten 88, 90 bzw. 92, 94 nach Art von Kondensatoren zusammenwirken. Entsteht bei einer Kippbewegung eine Erdbeschleunigungskomponente in Richtung eines Pfeiles 98, so ändern sich die Kapazi­ täten der Platten 88-94 entsprechend.

Durch die so gebildeten, in einem Winkel von 90° zueinander stehenden Beschleunigungssensoren läßt sich der Kippwinkel α in Richtung der Doppelpfeile 52 nach der Formel arctan a/b bestimmen, worin a und b die durch die jeweiligen Kondensatoren bewirkten Meß­ signale sind. Ist der Winkel α ermittelt, so läßt sich daraus nach der Formel z = r . sinα die Auslen­ kung der z-Richtung der Tastspitze 50 ermitteln, wo­ bei r der Abstand der Tastspitze 50 von dem Schwenk­ lager 54 ist.

Claims (18)

1. Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werkstücks,

• - mit einer im wesentlichen in Spitzenrich­ tung (z-Richtung) beweglich gehaltenen und vorgespannten Tastspitze (4),
• - mit einem ersten Wandler zur Umwandlung der Bewegungen der Tastspitze (4) in Spitzen­ richtung (z-Richtung) in entsprechende Meß­ daten,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der erste Wandler ein erster Beschleu­ nigungswandler (2) ist, der die Meßdaten in Beschleunigungsdaten umwandelt und der in Spitzenrichtung (z-Richtung) beweglich ge­ halten und vorgespannt und fest mit der Tastspitze (4) verbunden ist, und
• - daß ein erster Integrator (26) vorgesehen ist, der die Beschleunigungsdaten des er­ sten Beschleunigungswandlers (2) zweimal über die Zeit integriert und so Längenmeß­ daten bildet, die dem Verlauf der abgeta­ steten Oberfläche entsprechen.

2. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein zweiter Beschleunigungswandler vor­ gesehen ist zur Umwandlung der Bewegung des Tasters in einer Längsrichtung (x-Richtung) im wesentlichen senkrecht zu der Spitzen­ richtung (z-Richtung) in entsprechende Be­ schleunigungsdaten, und
• - daß ein zweiter Integrator (40) vorgesehen ist, der die Bewegungsdaten des zweiten Beschleunigungswandlers zweimal über die Zeit integriert und so in Längenbewegungs­ daten umwandelt.

3. Taster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wiedergabemittel vorgesehen sind, in die die Län­ genmeßdaten und die Längenbewegungsdaten eingespeist sind, derart, daß von ihnen die Auslenkungen der Tastspitze (4) in Spitzenrichtung (z-Richtung) in Abhängigkeit ((z(x)) von der Bewegung der Tastspitze (4) in Längsrichtung senkrecht (x-Richtung) zu der Spitzenrichtung (z-Richtung) wiedergegeben werden.

4. Taster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein dritter Beschleunigungswandler vor­ gesehen ist, der seitliche Bewegungen (y- Richtung) des Tasters senkrecht zur Spit­ zenrichtung (z-Richtung) und senkrecht zur Längsrichtung (x-Richtung) in entsprechende seitliche Beschleunigungsdaten umwandelt, und
• - daß ein dritter Integrator vorgesehen ist, der die seitlichen Beschleunigungsdaten zweimal über die Zeit integriert und so in entsprechende seitliche Längenbewegungs­ daten umwandelt, die in die Wiedergabemit­ tel eingespeist sind, derart, daß von den Wiedergabemitteln eine Topographie einer von der Tastspitze abgetasteten Oberfläche wiedergegeben wird.

5. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Beschleuni­ gungswandlern (2) abgegebenen Daten Analogdaten sind und daß den Beschleunigungswandlern (2) Analog/­ Digitalwandler (24, 38) nachgeschaltet sind, deren Ausgangssignale durch nachgeschaltete digitale In­ tegratoren (26, 40) zweimal über die Zeit integriert werden.

6. Taster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Analog/Digitalwandlern (24, 38) Bandpässe vorgeschaltet sind.

7. Taster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabemittel durch eine Bildröhre (30) oder ein Schreibgerät gebildet sind.

8. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (4) aus­ wechselbar mit dem ersten Beschleunigungswandler (2) verbunden ist.

9. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des ersten Beschleunigungswandlers (2) durch ein Dämpfungsmittel gedämpft sind.

10. Taster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Beschleunigungswandler (2) beweglich zusammen mit dem ersten und dem zweiten Integrator (26, 40) und den Wiedergabemitteln in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, aus dem die Tastspitze (4) herausragt.

11. Taster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (46) die Form eines Kugelschreibers hat, wobei die Tastspitze (4) aus der Spitze des Ge­ häuses (46) herausragt, und daß die Wiedergabeein­ richtung als Display (48) ausgebildet und in oder hinter einer seitlichen Öffnung des Gehäuses (46) angeordnet ist.

12. Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberflä­ che eines Werkstücks,

• - mit einer Tastspitze, die an einem im we­ sentlichen in Spitzenrichtung (z-Richtung) um ein Schwenklager verschwenkbaren Tastarm angeordnet ist, und
• - mit einem Wandler zur Umwandlung der Bewe­ gungen der Tastspitze in entsprechende Meß­ daten,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Tastarm ein Drehbeschleunigungs­ wandler angeordnet ist, der Drehbeschleuni­ gungen aufgrund von Auslenkungen des Tast­ armes in Drehbeschleunigungsdaten umwandelt,
• - daß die Drehbeschleunigungsdaten in einen Integrator eingespeist sind, der die Dreh­ beschleunigungsdaten zweimal über die Zeit integriert und so daraus Winkeldaten bildet, und
• - daß die Winkeldaten in eine Rechenvorrichtung eingespeist sind, die daraus unter Berück­ sichtigung des Abstandes der Tastspitze von dem Schwenklager des Armes die den Auslenkun­ gen der Tastspitze in Spitzenrichtung (z- Richtung) entsprechenden Meßdaten bildet.

13. Taster nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehbeschleunigungswandler im Bereich des Schwenklagers des Tastarmes angeordnet ist.

14. Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberfläche eines Werkstücks,

• - mit einer Tastspitze, die an einem im wesent­ lichen in Spitzenrichtung (z-Richtung) um ein Schwenklager verschwenkbaren Tastarm mit einem Abstand r von dem Schwenklager des Tastarmes angeordnet ist, und
• - mit einem Wandler zur Umwandlung der Bewe­ gungen der Tastspitze in entsprechende Meß­ daten,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Tastarm ein Drehgeschwindig­ keitswandler angeordnet ist, der Drehge­ schwindigkeiten aufgrund von Auslenkungen des Tastarmes in Drehgeschwindigkeitsdaten umwandelt,
• - daß die Drehgeschwindigkeitdaten in einen Integrator eingespeist sind, der die Dreh­ geschwindigkeitsdaten einmal über die Zeit integriert und so daraus Winkeldaten bil­ det, und
• - daß die Winkeldaten in eine Rechenvorrich­ tung eingespeist sind, die daraus unter Berücksichtigung des Abstandes der Tast­ spitze von dem Schwenklager des Tastarmes die den Auslenkungen der Tastspitze in Spitzenrichtung (z-Richtung) entsprechenden Meßdaten bildet.

15. Taster nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeschwindigkeitswandler im Bereich des Schwenklagers des Tastarmes angeordnet ist.

16. Taster zur Abtastung des Verlaufs einer Oberflä­ che eines Werkstücks,

• - mit einem Grundkörper,
• - mit Mitteln zur gleichförmigen linearen Bewegung des Grundkörpers in einer Abta­ strichtung (x-Richtung),
• - mit einem an dem Grundkörper um ein Schwenklager (64) schwenkbar angeordneten Tastarm (52),
• - mit einer an dem Tastarm (52) entfernt in einem Radius r von dem Schwenklager (54) angeordneten Tastspitze (50) und
• - mit einem Meßwandler (64) zur Erzeugung eines Meßsignals in Abhängigkeit von Bewe­ gungen der Tastspitze (50) in Spitzenrich­ tung (z-Richtung) bei Abtastung einer Ober­ fläche,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Tastarm (52) ein erster Be­ schleunigungssensor (72-82) angeordnet ist, dessen Sensorrichtung in der Schwenkebene des Tastarmes liegt und der ein erstes Aus­ gangssignal a abgibt, das in eine Rechen­ einrichtung eingespeist ist, die das erste Ausgangssignal a mit dem Radius r multipli­ ziert.

17. Taster nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorrichtung des ersten Beschleunigungs­ sensors (72-82) parallel zur Richtung (z-Richtung) der Tastspitze (50) und die lineare Bewegung des Grundkörpers parallel zur Erdoberfläche verläuft, derart, daß das Ausgangssignal a des ersten Beschleu­ nigungssensors (72-82) dem Sinus des Kippwinkels α des Tastarmes (52) zu der Erdoberfläche entspricht.

18. Taster nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Beschleunigungssensor (84-94) vor­ gesehen ist, dessen Sensorrichtung in der Schwenk­ ebene des Tastarmes (52) mit dem ersten Beschleuni­ gungssensor (72-82) einen Winkel von 90° bildet und ein zweites Ausgangssignal b abgibt, das in die Re­ cheneinrichtung eingespeist ist, die zunächst den Kippwinkel α nach der Formel
und daraus die Auslenkung z der Tastspitze (50) nach der Formel
z = r . sinα
berechnet.