DE2835615A1 - Optoelektronischer koordinatenmesstaster - Google Patents

Description

• Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster
• Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Koordinatenmeßtaster, bei dem auswechselbare, um ihre Hauptachse drehbare Tastelemente in zwei Achsen schwimmend gelagert sind, und der auf Yiehrkoordinternneßgeräten unbekannte Konturen dynamisch entasten und erfassen kann.
• Es sind Koordinatenmeß taster bekannt, bei denen die Tastelemente in zwei oder drei Achsen frei schwimmen; beim Anfahren der unbekannten Kontur werden dann meistens eine oder mehrere Achsen in ihrer Nullage gekleinint, wodurch das Tasteleiaent nur in bestimmte, festgelegte Richtungen durch die Prüflingskontur ausgelenkt werden kann. Bei allen bekannten Antastverfahren werden hierbei systematische Fehler immer dann wirksam, wenn die Anfahrrichtung des Tastelementes mit der Normalen auf der Tangentialebene durch den Meßpunkt nicht exakt übereinstimmt. Dieser Anfahrfehler muß, sofern er aufgrund seines nennenswerten Betrags nicht unberücksichtigt bleiben darf, durch wenigstens zweimaliges Antasten hinreichend eng benachbarter TXeßpunkte erfaßt und softwaremäßig korrigiert werden.
• Ferner wird bei den bekannten -dynamiscrien Meßtastern die höchste zulässige Antastgeschwindigkeit unter anderem dadurch festgelegt, daß der mechanische Stoßimpuls im Antastaugenblick einen geschwindigkeitsabhängigen Reaktionsimpuls in der Lagerung des Tastelements bewirkt, der wiederum meßwertverfälschende Krafteinwirkungen auf die Meßtasterhalterung zur Folge hat.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Koordinatenrl,eßtaster zu schaffen, der bei umfassenden Rinsatzmöglich'.eiten in der mehrdimensionalen Koordinatenmessung und bei hoher Meßgenauigkeit die beschriebenen Nachteile umgeht, indem der Anfahrfehler bei jedem Meßvorgang mit einmaligem Antasten erfaßt wird und die nachteilige Wirkung der Lagerreaktionskräfte auf die A5eßgenauigkeit durch eine geeignete konstruktive Ausführung des Meßtasters beseitigt wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Meßtasterkonzept gelöst, das auf der Kombination folgender Merkmale basiert a) Auswechselbare Tastelemente werden, in zwei Achsen schwimmend gelagert, spiel- und reibungsfrei um einen definierten Nullpunkt ausgelenkt.
• b) Die Tastelemente sind zusätzlich um ihre Hauptachse spiel-und reibungsfrei drehbar.
• c) Ein positionsempfindlicher Signalgeber bildet ein tastereigenes ebenes Koordinatenmeßsystem.
• In Weiterführung dieses grundlegenden Erfindungsgedankens wird das Tastelement beispielsweise mit Hilfe eines Kugel-oder Kreuzgelenkes spiel- und reibungsfrei um seine Nullage ausgelenkt. Einen evtl. prinzipiell vorhandenen drehwinkelabhängigen Versatz der Lagerachsen berücksichtigt man bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen und/ oder größeren Auslenkwinkeln als systematischen Fehler; die Bestimmung dieses Fehlers kann mit dem unten beschriebenen Wegaufnehmer erfolgen. Die spiel- und reibungsfreie Drehung des Tastelements um seine Hauptachse wird auf einfache Weise z.B. durch vorgespannte Winiaturkugellager ermöglicht. Zur Erzeugung des Rückstellmomentes bietet sich der Einbau von diskreten Federelementen oder die Vvrwendung-von Kreuzfedergelenken an.
• Eine Dämpfung hat hier die Aufgabe, die Meßbereitschaft des Tasters schnell wiederherzustellen, also dafür zu sorgen, daß das Tastelement nach jedem meßvorgang schnellstmöglich in seiner Nullage zur Ruhe kommt. Diese Forderung verbietet den Einsatz von Dämpfungen mit Festreibung. Da andererseits die Massen oder Massenträgheitsmomente der in Frage kommenden bewegungsabhängigen Dämpfungen im Vergleich zum Federrt.3sse- System des Taster sehr groß sind und dadurch - die zulässige Anfahrgeschwindigkeit des Meßtasters und das Massenträgheitsmoment des Tastelements sind einander umgekehrt proportional - die Antastgeschwindigkeit begrenzt werden könnte, sollten die beiden Drehachsen im Bedarfsfall lediglich einen gemeinsamen, mechanisch 3ust,iertaren Nullpunkt durch ein Grenzkraftgesperre Taster erhalten Ein weiterer wichtiger A-piekt ist der Einfluß der eaktionskraft in der Lagerung des Tastelements während des Antastvorgangs auf die Meßgenauigkeit. Hier wird die Ausnutzung des Prinzips des Stoßmittelrunktes vorgeschlagen, das besagt, daß in der Lagerung eines durch Stoß erregten physikalischen Pendels (Tastelement) dann keine Reaktionskrafte auftreten, wenn zwischen Pendelmasse, Pendel-Massenträgheitsmoment und Abstand zwischen dem Pendeldrehpunkt und dem Ort der Einleitung der Stoßkraft eine feste mathematische Beziehung besteht, die technisch- konstruktiv zu verwirklichen ist.
• Die Mehrzahl der analogen Wegaufnehmer in den bekannten Tastköpfen arbeitet induktiv, d.h. mit dem Tastelement verbundene Berritstabe tauchen in Spulen, deren Achsen ein kartesisches-Koordinatensystem bilden. Im Gegensatz dazu wird hier-der Einsatz eines optoelektronischen Aufnehmers vorgeschlagen. Sein wesentliches Bestandteil wird als positionsempfindliche Fotodiode serienmäßig gefertigt und erfaßt die Lage eines Lichfleckes weitestgehend unabhängig von dessen Durchmesser, sofern dieser kleinerals die lineare Abmessung des Aufnehmers bleibt. Auslenkungen des Tastelements werden durch ein einziges Lichtbündel erfaßt, dessen Achse nicht notwendigerweise mit der Hauptachse des Tastelements zusammenfallen muß. Die Verwendung geeigneter lichtemittlerender Dioden vergrößert die Masse des Tastelements nur unwesentlich, dies kommt seinem dynamischen Verhalten zugute; Eine zweite Lichtquelle, exzentrisch zur Hauptachse des Tastelements angebracht und mit diesem fest verbunden, ermöglicht den Einsatz als dreidimensionalen Schalttaster mit einem softwaremäßig verwirklichten frei wählbaren Schaltpunkt. Legt man die beiden Lichtquellen elektrisch antiparallel, so läßt sich die gewünschte Betriebsart durch das Umpolen der Versorgungsspannung einstellen.
• Ein eiterer Vorteil ist die problemlose Montage eines solchen Aurnehmere, denn seine Justierung, also das elektronische oder softwaremaßige Ausrichten seiner Koordinatenachsen und der Nullagen von Tastelement und Koordinatenur-sprung, erfolgt erst im montierten Zustand.
• Vor der Meßwerterfassung erfolgt auf dem Meßgerät das einmalige Kalibrieren des Winkels zwischen tastereigenem und meßgeräteigenem Koordinatenkreuz z.B. durch exakt senkrechtes Anfahren einer durch ihre Normale beschriebenen Bezugsfläche. Mit Kenntnis dieses Winkels wird bei jedem Anfahrvorgang die in der Ebene des Taster - Wegaufnehmers liegende Komponente des Geschwindigkeitsvektors der Meßgerätepinole in ihrer Richtung rechnerisch ermittelt und im weiteren als Referenzgerade verwendet, auf die sich dann der jeteils gemessene Anfahrwinkel bezieht. Dieser Anfahrwinkel wird bestimmt, indem die Tastkugel des Tastelements auf der Prüflingsoberfläche abrollt und die hierdurch auf der positionsempfindlichen Fotodiode erzeugte Spur des Lichtfleck-es ausgewertet wird Die eigentliche Meßwerterfassung geschieht nun folgendermaßen: Nach Berühren der Kontur wird das Tastelement ausgelenkt, der Meßtaster wird bei Erreichen eines bestimmten Auslenkwinkels des Tastelements angehalten (Ende der Phase 1) und mit konstanter Geschwindigkeit wieder zurückgefahren (Beginn der Phase 2). Die rechnerische Korrektur des Anfahrwinkels erfolgt entweder während der Phase 1 oder zu Beginn bzw. während der Phase 2. In dem Augenblick, wo die Mittellinie des Meßtasters und die Hauptachse des Tastelements zusammenfallen, oder wenn die Peripherie des Tastelements einen in der Aufnehmerebene liegenden virtuellen Kreis mit hinreichend kleinem Radius um die Mittellinie des Meßtasters herum durchstößt, wird der Meßwert erfaßt.
• Dabei werden vor jedem Meßvorgang Abweichungen des Tastelements von seiner definierten Nullage elektronisch oder softwaremäßig eliminiert. Durch das beschriebene Vorgehen wird die Zeitspanne zwischen Antastaugenblick und Meßwerterfassung optimal lang, so daß beim Stoßvorgang erregte Material- und Meßgerätschwingungen bis zur Aufnahme des Meßwertes abgeklungen sind, was eine grundsätzliche Voraussetzung für präzises Messen bei hohen Antastgeschwindigkeiten ist. Als weiterer Vorteil ergibt sich die meß-!kraftfreie Erfassung des Meßwertes, die jegliche Berücksichtigung von Taststiftdurchbiegungen überflüssig macht.
• Ein wesentlicher mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß ein solcher Taster im Gegensatz zu den bekannten Meßtastern mit vergleichbar weitem Einsatzbereich sehr kostengünstig hergestellt werden kann, weil nur wenige feinmechanische Bauteile benötigt werden, wobei für die genauigkeitsbestimmenden funktionswichtigsten Tasterkomponenten wie Lagerung und Wegaufnehmer sogar serienmäßig gefertigte, handelsübliche Bauelemente verwendet werden. Darüberhinaus ist ein Großteil der stets anfallenden mechanischen Justier- und Kalibrierarbeiten rein elektronisch und/ oder rein softwaremäßig zu erledigen. Unbekannte Prüflingskonturen können mit solchem Taster schräg angefahren werden, ohne daß Meßfehler auftreten, da der Anfahrwinkel beim Antasten miterfaßt und softwaremäßig berücksichtigt werden kann. Durch Ausnutzen des Prinzips des Stoßmittelpunktes wird die meßwertverfälschende Lagerreaktionskraft eliminiert. Schließlich ist das erfindungsgemäße Meßtasterkonzept ohne nennenswerte Änderungen für den Einsatz als dreidimensional wirkender Schalttaster geeignet.
• Nachstehend sei eine Ausführungsform des elektrooptischen Koordinatenmeßtasters anhand von Fig. 1 beschrieben. Der Schnittpunkt der Achsen (6) und (7) zweier Kreuzfedergelenklager fällt praktisch genau in den Stoßmittelpunkt des Tastelementes (5). Zwei vorgespannte Instrumentenkugellager (4), deren gemeinsamer Scnwerpunkt ebenfalls nahe dem Stoßmittelpunkt liegt, ermöglichen das Abrollen auf dem Prüfling. Als zweiachsiger Wegaufnehmer wurde eine positionsempfindliche Fotodiode (1) verwendet, deren Meßbereich jeweils 10 mm beträgt. Sie wird, nachdem die Tastermechanik fertig montiert worden ist, ohne mechanische Justierung in das Gehäuse (8) eingesetzt. Die virtuelle Verlängerung der Tastelementachse in die Ebene des Koordinatensystems hinein erfolgt durch das von der Infrarotdiode (3) erzeugte Lichtbndel (2). Zu Ermittlung schräg im Raum liegender Konturen kann der gesamte meßtaster z.B. um die Achse (6) in die erforderliche Richtung geschwenkt werden kann. Der Winkel braucht nicht explizit bekannt sein, er kann huber ein geeignetes Kalibrierverfahren mit Hilfe eines kugel-oder würfelförmigen Bezugskörpers erfaßt und im angeschlossenen Rechner bei der Auswertung berücksichtigt werden.
• Soll die durch ScYiwerkraftwirkung verursachte Auslenkung des Tastelements aus der definierten Nullage nicht elektronisch oder softwaremäßig eliminiert werden, so kann die positionsempfindliche Fotodiode als Teil einer Regelstrecke benutzt werden, um diese Auslenkung über einen elektroinechanischen Kraftgeber auszuregeln.
• Ohne aufwendige hardwaremäßige Umbauten ist dieser Meßtaster gleichermaßten als Schalttaster für dreidimensionale Koordinatenmessungen geeignet, indem man hierfür anstelle der Tastkugel einen sternförmigen Taster zusammen mit einer exzentrisch zur Taststiftachse montierten und mit dieser fest verbundenen Lichtquelle verwendet. Dies läßt sich ohne weitere Erklärung anhand von Fig. 1 nchprüfen.

Claims (1)

1. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster Patentansprühe: 1. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster zum berührenden Antasten und Erfassen unbekannter Konturen auf Mehrkoordinatenmeßgeräten, gekennzeichnet durch die Kombination folgender merkmale.

   a) Auswechselbare Tastelemente werden, in zwei Achsen schwimmend gelagert, spiel- und reibungsfrei um einen definierten Nullpunkt ausgelenkt.

   b) Die Tastelemente sind zusätzlich um ihre Hauptachse spiel- und reibungsfrei drehbar.

   c) Ein positionsempfindlicher Signalgeber bildet ein tastereigenes, ebenes Koordinatenmeßsystem.

   2. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster nacn 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalgeber eine analog anzeigende positionsempfindliche Fotodiode zusammen mit einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen eingesetzt wird.

   5. Optoelektroniscaer Koordinatenmeßtaster nach 1, dadurch gekennzeic'inet, daß die schwimmende Lagerung der ausNechselbaren Tastelemente durch Kreuz- oder Kugelgelenke verwirkliche wird.

   4. Optoelektronisc er Koordinatenmeßtaster nich 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen Gelenkdreqpunkt und dem Ort der Einleitung der Stoßkraft eine bestimmte Beziehung - das Prinzip des Stoßmittelpunktes - erfüllt, was zur Folge hat, daß im Gelenkdrenpunkt keine Stoßreaktionskraft auftritt.

   5 Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß ite positionsempfindliche Fotodiode nach Einbau in den Koordinatenmeßtaster rein elektronisch justiert wird.

   6. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster nich 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei jedem Tteßvorgang Abweichungen des Tastelementes von seiner definierten Nullage rein elektronisch eliminiert werden.

   7. Optoelektroniscler Koordinatenmeßtaster nach 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß ein an den Koordinatenmeßtaster angeschlossener elektronischer Rechner die Justierung und Eliminierung rein softwaremäßig vornimmt.

   8. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach dem Antastvorgang die Spur des Lichtfleckes auf der positionssmpfindlicen Fotodiode herangezogen wird, um den Anfahrwinkel des Koordinatenmeßtasters zu bestimmen.

   9. Optoelektronischer Koordinatenmeßtsster nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Schwenken des gesamten Koordinatenmeßtasters die positionsempfindliche Fotodiode als Teil einer Regelstrecke benutzt werden an, mit der die durch Schwerkraftwirkung verursachte Auslenkung des Tastelements aus der definierten Nullage über einen elektromechanischen Kraftgeber ausgeregelt wird.

   10. Optoelektronischer Koordinatenmeßtaster nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verwendung sternlörmiger Tastelemente und einer mit dem Tastelemont verbundenen, zu dessen Hauptachse exzentrisch angebrachter Lichtquelle seinen einsatz als dreidimensional irkender Schalttaster ermöglicht.