DE3050013C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektri
schen Resonanz-Berührungsgeber der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 28 41 424
bekannten Art.
In Koordinatenmeßmaschinen ist der Berührungsge
ber eine der wichtigsten Baugruppen, welche die Genauig
keit der Maschine, ihre Vielseitigkeit und ihren
Automatisierungsgrad in wesentlichem Maße bestimmen. Der
Meßfehler der Berührungsgeber ist eine der bedeutendsten
Fehlerursachen in der Koordinatenmeßmaschine. Bei Messung
von kleinen Längen mit Hilfe von Präzisions-Koordinaten
meßmaschinen wird der Fehler des Berührungsgebers dominie
rend. Bekannte Berührungsgeber für automatisierte
und ferngesteuerte Präzisions-Koordinatenmeßmaschinen
werden den heutigen Anforderungen an Ge
nauigkeit, Empfindlichkeit und Vielseitigkeit
nicht gerecht. Die Mängel dieser Geber sind unge
nügende Stabilität bei Fixierung des Zeitpunktes, in dem
die Oberfläche des Meßobjekts in vogegebener Richtung
berührt wird, ungleiche Absolutwerte der
Verschiebung des Kontaktaufsatzes aus der Ausgangsstellung bis zum Ansprechen
der Maschine, unbeständiger Meßdruck bei Berührung der
Oberfläche von Werkstücken zur Bestimmung von Größen
abweichungen in verschiedenen Richtungen sowie ungenügen
de Genauigkeit der Kontaktaufsatz-Rückführung in die Ausgangs
stellung nach der Signalabarbeitung.
Ein bekannter Berührungsgeber mit elektrischen Kon
takten (GB-PS 14 45 977)
enthält einen mit einem Kontaktaufsatz
versehenen Taststift, der an einem Flansch befestigt ist.
Die Flanschzentrierung im Gehäuse wird mit Hilfe von
drei Rollen erreicht, die im Flansch in der zur Flansch
achse senkrechten Ebene unter Winkeln von je 120° zueinan
der liegen und mit drei Prismen zusammenwirken, die durch
drei Paare von Stützkugeln gebildet sind. Die Kugeln be
finden sich im Gebergehäuse und sind vom letzteren iso
liert. Diese Stützkugeln und die den Flansch zentrieren
den Rollen dienen gleichzeitig als Kontakte eines Se
rienstromkreises. Bei Berührung der Meßobjektoberfläche
durch den Kontaktaufsatz während der Messung verschiebt
sich der Flansch relativ zum Gehäuse, wobei ein oder
mehrere Kontakte des elektrischen Stromkreises getrennt
werden. Die Unterbrechung des Stromkreises bestimmt den
Zeitpunkt, in dem der Kontaktaufsatz die Meßobjektober
fläche berührt.
Beim beschriebenen Elektrokontaktgeber wird aber
der Berührungszeitpunkt nicht genau genug fixiert, wo
bei in verschiedenen Meßrichtungen auch ein unterschiedlicher
Meßdruck angelegt wird. Dies ist dadurch zu erklären, daß
der Meßdruck die Longitudinalkraft zu überwinden hat, die
den Flansch mit dem Taststift beim Zusammenfallen der Meß
richtung und der Taststiftachse an das Gehäuse andrückt,
oder das Moment überwinden muß, das durch dieselbe, den
Flansch ans Gehäuse andrückende Kraft bei Messung der
Werkstückparameter in anderen Richtungen erzeugt wird.
Dieses Moment entsteht infolge der unterschiedlichen Län
ge der Hebelarme, die durch den Berührungspunkt des Kon
taktaufsatzes und der Meßobjektoberfläche sowie durch den An
lagepunkt der Flanschandruckkraft einerseits und durch
die Achse andererseits begrenzt werden, um die der Flansch
bei Stromkreisunterbrechung gedreht wird.Der Meßfehler
des Berührungsgebers ist durch große Gleitreibungskräfte
bedingt, die an den Kugeln und Rollen während der gerin
gen Flanschverschiebung in bezug auf das Gehäuse bei
Kontakttrennung entstehen. Der Geber ist außerdem nur mit
einem Taststift ausgestattet, weswegen die Meßgenauigkeit,
die Vielseitigkeit des Gebers und
die Leistungsfähigkeit der Koordinatenmeßmaschine bei
Messungen an Werkstücken mit komplizierten Formen unbe
friedigend bleiben. Zur Unterbrechung des elektrischen
Stromkreises während der Messung muß eine ziemlich große
Kraft angelegt werden, um den Taststift mit dem Kontakt
stück zu verschieben. Dadurch ergeben sich auch wesentli
che Meßfehler.
Ein weiterer bekannter piezoelektrischer Resonanz-Berührungs
geber enthält ein Gehäuse mit einem piezoelektrischen
Schwingungserreger und einem Kontaktaufsatz, dessen Be
festigungsart einen akustischen Kontakt mit dem piezoelek
trischen Schwindungserreger gewährleistet. Eine Elektro
de des letzteren liegt an Masse, während an die andere Elek
trode sinusförmige elektrische Signale angelegt werden.
Der piezoelektrische Schwingungserreger stellt ei
nen Quarzblock mit einem daran befestigten Kontaktaufsatz
und einer Elektrode dar, an die sinusförmige elektrische
Signale von einem Sinusgenerator angelegt wer
den. Von derselben Elektrode werden elektrische Signale
abgenommen, die einem Amplitudendetektor zugeführt werden.
Der Schwingungserreger und sein Kontakt
aufsatz bilden ein Schwingungssystem, welches erzwun
gene Schwingungen mit der Frequenz des vom Generator er
zeugten Signals ausführt, wobei diese Frequenz der Reso
nanzfrequenz des Schwingungssystems gleich ist. Bei
freiem Geber steigt der durch ihn fließende
Strom bis zu einem Maximum an. Sobald der Kontaktaufsatz
das Meßobjekt berührt, wird die Güte des Schwin
gungssystems und somit die Amplitude des im elektrischen
Geberkreis fließenden Stromes stark herabgesetzt. Dies
wird als Signal der Berührung des Meßobjektes durch den
Kontaktaufsatz benutzt.
Bei diesem Berührungsgeber sind ebenfalls seine nied
rige Meßgenauigkeit, beschränkte Anwendungsmöglichkeit
und großer Zeitaufwand für die Messung nachteilig. Die
se Mängel sind dadurch bedingt, daß der Geber nur ein
Kontaktendstück besitzt. Infolgedessen muß der Geber beim
Meßvorgang umgestellt werden, man ist also gezwungen, die
Lage des Kontaktaufsatzes in bezug auf die Koordinaten
achsen der Koordinatenmeßmaschine zu ändern. Dabei muß
die neue Lage des Kontaktaufsatzes relativ zu den festen
Koordinaten der Maschine präzisiert werden. Zur Berech
nung der Meßergebnisse, in denen der Radius des Kon
taktaufsatzes und der Verschiebungsweg seines Mittel
punktes von der Ausgangsstellung bis zu seinem Ansprech
punkt berücksichtigt werden müssen, muß man bei jeder
Geberumstellung entsprechende Korrekturgrößen in die
Rechenmaschine eingeben. Dies führt zur Änderung der La
ge des Kontaktaufsatzes in bezug auf seine berechnete
Stellung, d. h. zu einer schlechteren Meßgenauigkeit. Die
Neujustierung der Lage des Kontaktaufsatzes und die Einführung
von Korrekturgrößen in bezug auf das unbewegliche Ein
stellmaß erfordern einen größeren Zeitaufwand für die
Messung, verringern die Leistungsfähigkeit und verursachen
bedeutende zusätzliche Fehler. Die Abhängigkeit des Ge
berstromes von der Amplitudenänderung der vom Sinusge
nerator erzeugten Spannung setzt die Genauigkeit und
die Empfindlichkeit des Gebers herab. Dies ist dadurch
bedingt, daß die Schwellenwertschaltung der Koordinaten
meßmaschine auf das Ansprechen bei bedeutender Änderung
der Geberstromamplitude eingestellt wird. Anderenfalls
kommt es zum Fehlansprechen und zu Geberverschiebungen
entsprechend dem Programm, aber ohne Berührung der Meß
objektoberfläche durch den Kontaktaufsatz.
Schließlich ist bei dem aus der DE-OS 28 41 424 bekann
ten piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgeber die zur Erzeu
gung des Berührungsimpulses notwendige Kraft in den verschie
denen Meßrichtungen unterschiedlich. Sie ist am kleinsten,
wenn die Meßrichtung längs der Achse des Fühlers verläuft,
da hierbei die gesamte Kraft als Schwingungswiderstand wirkt.
Am größten ist die Kraft, wenn die Meßrichtung unter einem
rechten Winkel zur Fühlerachse verläuft, da sie nicht als
Schwingungswiderstand wirkt, sondern von ihr eine Reibungs
kraft ausgeht, die kleiner ist als die sie erzeugende An
druckkraft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgeber mit einem
einheitlich aufgebauten Schwingungssystem in der Art
eines Gehäuses und eines darin angeordneten Schwin
gungserregers zu entwickeln und dadurch die Meßgenau
igkeit bei Werkstückmessungen an Koordinatenmeßmaschi
nen zu erhöhen, die Leistungsfähigkeit der Maschinen
zu steigern und ihre vielseitige Anwendung zu ermögli
chen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemä
ßen piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber erfin
dungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonanz-Be
rührungsgebers sind Gegenstand der Patentansprüche
1 bis 10.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Resonanz-Berüh
rungsgeber wird also mit einem Gehäuse in der Art eines
hohlen Rotationskörpers aufgebaut, in dem ein hohles
piezoelektrisches Element eingebaut wird, dessen Form
der Gehäuseform entspricht. Dadurch ergibt sich die Mög
lichkeit, am Gehäuse mehrere mit Kontaktstücken versehene
Taststifte anzuordnen, die so gerichtet werden, daß Mes
sungen an allen Oberflächen komplizierter Formteile ohne
Umstellung des Gebers möglich werden. Infolgedessen wer
den die Meßgenauigkeit, die Leistungsfähigkeit und die
universelle Verwendung der Meßmaschine bedeutend ver
bessert. Die Anordnung der Taststifte, bei der ihre Achsen
in der Normalenrichtung zur Gehäuseoberfläche liegen,
ergibt die höchste Empfindlichkeit an verschiedenen Punk
ten der Oberfläche der Kontaktaufsätze bei Messungen in verschie
denen Richtungen. Das Vorhandensein wenigstens einer zu
sätzlichen, nicht an Masse liegenden Elektrode, die als Meßelektro
de benutzt wird, ermöglicht die Messung der Phasenver
schiebung des Signals in bezug auf die Sinusspannung, die
infolge des direkten piezoelektrischen Effekts entsteht.
Gleichzeitig gibt dies die Möglichkeit, gleiche Empfind
lichkeit aller Kontaktaufsätze zu sichern und die Taststifte
so anzuordnen, daß man die Schwingungen des piezoelektri
schen Erregers senkrecht oder längs zur Taststiftachse er
hält. Diese Möglichkeit gewährleistet eine hohe Genauig
keit und Stabilität des Geberbetriebs.
Durch die Entwicklung des einheitlichen Schwingungs
systems, das aus einem Gehäuse, einem piezoelektrischen
Schwingungserreger und aus Taststiften mit Kontaktaufsätzen be
steht und eine hohe Güte aufweist, ist der Aufbau eines
Gebers möglich geworden, der durch hohe Empfindlichkeit und
Meßgenauigkeit sowie durch Funktionsstabilität aller mit
Kontaktaufsätzen versehenen Taststifte gekennzeichnet ist.
Der Betrieb bei der Resonanzfrequenz des Schwingungssy
stems garantiert die maximale Empfindlichkeit des Gebers
und somit eine hohe Meßgenauigkeit der Koordinatenmeßma
schine.
Die Länge der Taststifte ist so gewählt, daß der Kon
taktaufsatz in der Schwingungszone des Taststiftes mit maxi
maler Amplitude liegt. Dieser Umstand trägt auch dazu bei,
daß die höchste Empfindlichkeit des Gebers erreicht wird.
Der Kontaktaufsatz weist eine hohe Schwingungsamplitude auf,
weil der Durchmesser des Taststiftes bedeutend kleiner als
der des Gebergehäuses ist. Das zusammensetzbare Gehäuse
mit seinen Taststiften und Kontaktaufsätzen vereinfacht
die Technologie der Geberherstellung. Bei der einteiligen
Ausführung der mit Kontaktaufsätzen versehenen Taststifte
und des Gehäuses erreicht man eine höhere Empfindlichkeit
und Langzeitstabilität der Anzeige bei Änderungen der Um
gebungsbedingungen, weil ein idealer akustischer Kontakt
zwischen den Kontaktaufsätzen, Taststiften und dem Gehäuse
gewährleistet wird.
Die zylindrische Gehäuseform gestattet es, die Taststifte
in der zur Zylinderachse senkrechten Ebene so an
zuordnen, daß ihre Achsen mit den Koordinatenachsen
richtungen der Koordinatenmeßmaschine zusammenfallen.
Gewöhnlich erfolgen in diesen Richtungen 70 bis 80% al
ler Messungen. Bei der kugelförmigen Ausführung des Ge
häuses erreicht man die höchst mögliche universelle
Verwendbarkeit des Gebers durch die Wahl einer für die
Lösung der jeweiligen Meßaufgabe optimalen Taststiftzahl,
wobei die Taststifte z. B. längs der Koordinatenachsen der
Maschine um 90° gegeneinander versetzt angeordnet wer
den. Bei der kegelförmigen Ausführung des Gehäuses kann
man die Taststifte in Richtungen anordnen, die mit den
Koordinatenhauptebenen der Koordinatenmeßmaschine nicht
zusammenfallen, wobei die Messung von Werkstücken mit
komplizierten Formen möglich wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen piezo
elektrischen Resonanz-Berührungsgebers anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 im Teilschnitt
des Gehäuses und Längsschnitt der Befestigungsbaugruppe
einen piezoelektrischen Resonanzgeber mit
Befestigungsbaugruppe und Meßobjekt sowie Diagramme der
Taststiftschwingungen,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des piezoelektri
schen Resonanzgebers in Richtung der Linie II-II von
Fig. 1 sowie ein Blockschaltbild mit Elektrodenanschluß,
Fig. 3 Kennlinien von Schwingungen, die im piezoelek
trischen Erreger des Berührungsgebers
in der zu seiner Achse senkrechten Ebene entstehen,
Fig. 4 eine isometrische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des
piezoelektrischen Resonanz-Berührungsgebers mit kugel
förmigem Gehäuse,
Fig. 5 den Längsschnitt einer dritten Ausführungsform des piezoelektri
schen Resonanz-Berührungsgebers mit kegelförmigem Ge
häuse,
Fig. 6 den Schnitt VI-VI der Fig. 5,
Fig. 7 Diagramme von Schwingungen die im ein
heitlichen Schwingungssystem des Gebers
entstehen,
Fig. 8 Amplituden-Frequenz-Kennlinien des ein
heitlichen Schwingungssystems im vorgeschlagenen Geber
vor der Berührung und im Zeitpunkt der Berührung des
Meßobjekts und
Fig. 9 Kennlinien der Abhängigkeit der Phase des
im Geber verwendeten einheitlichen
Schwingungssystems von der Frequenz der vom Generator
erzeugten Spannung.
Der in Fig. 1 gezeigte Resonanz-Berüh
rungsgeber enthält ein Gehäuse 1, das die Form
eines hohlen Rotationskörpers hat und einen mit akusti
schem Kontakt befestigten piezoelektrischen Schwingungs
erreger 2 umfaßt. Der Schwingungs
erreger 2 ist ebenfalls hohl und entsprechend der Form des
Gehäuses 1 ausgeführt. Am Gehäuse 1 sind in der betref
fenden Variante fünf Taststifte 3 angeordnet, deren Ach
sen in der Normalenrichtung zur Gehäuseoberfläche liegen
(in Fig. 1 sind nur drei Taststifte sichtbar). An
den Enden der Taststifte 3 sind Kontaktaufsätze 4 be
festigt. Zur Gewährleistung des akustischen Kontaktes mit
den Taststiften 3 sind die Kontaktaufsätze 4 bei dieser Auf
bauvariante an die Taststifte 3 mit einem Klebstoff auf
der Basis von Epoxyharz angeklebt.
Das Gehäuse 1 bildet zusammen mit dem piezoelek
trischen Schwingungserreger 2, den Taststiften 3 und den
Kontaktaufsätzen 4 ein einheitliches Schwingungssystem,
in dem die Eigenschwingungsfrequenz des Gehäuses 1 mit den
Taststiften 3 und den Kontaktaufsätzen 4 gleich der Frequenz
des sinusförmigen elektrischen Signals ist, das dem
Erreger 2 zugeführt wird.
Das Gebergehäuse 1 ist mit einem Flansch 5 eines
Halters 6 der Befestigungsbaugruppe 7 in einer verschieb
baren Traverse 8 der in Fig. 1 nicht gezeigten Koordinaten
meßmaschine fest verbunden. Zur Baugruppe 7 gehört auch
ein in der Traverse 8 fest eingebautes Gehäuse 9,
ein am Gehäuse 9 befestigter Deckel 10 und eine im Ge
häuse 9 angeordnete Feder 11. Die Baugruppe 7 ist auch
zum Schutz der Taststifte 3 vor Beschädigung bei Ver
messung eines zu prüfenden Werkstücks 12 bestimmt.
Zwischen dem Gehäuse 1 und dem
Schwingungserreger 2 befindet sich eine an Masse liegende Elek
trode 13. An der Innenfläche des Er
regers 2 sind eine Erregerelektrode 14 und eine
Meßelektrode 15 be
festigt, die 10mal kleiner
als der Gehäusedurchmesser ist.
Die Erregerelektrode 14 (Fig. 2) ist an den Ausgang
eines Sinusgenerators 16 angeschlossen.
Die Erregerelektrode 14 besteht hier aus
zwei diametral gegenüberliegenden Teilen. Die Meß
elektrode 15 ist an den Signaleingang 17 eines Phasen
detektors 18 angeschlossen, an dessen Steuereingang 19
der Ausgang des Sinusgenerators 16 liegt.
Von der Meßelektrode 15 wird dem Eingang 17 ein
Signal zugeführt, dessen Phasenänderung in bezug auf die
Phase des Sinussignals des einheitlichen Schwingungs
systems den Zeitpunkt der Berührung des zu messenden Werk
stücks 12 durch den Kontaktaufsatz 4 (Fig. 1) angibt.
Die Länge L jedes Taststiftes 3 ergibt sich aus der
Summe (l₀+lI), wobei l₀ der Abstand zwischen der Außen
fläche des Gehäuses 1 und dem experimentell ermittelten
Schwingungsknotenpunkt a des Taststiftes 3 ist. Die
Schwingungskennlinie des Taststiftes 3 zeigt, daß die
Schwingungsamplitude im Knotenpunkt a gleich Null ist.
Den Wert lI berechnet man aus der Beziehung
Hierbei ist
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse 1, den Taststift 3 und den Kontaktaufsätzen 4 be stehenden Systems,
n=0, 1, 2, . . .
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse 1, den Taststift 3 und den Kontaktaufsätzen 4 be stehenden Systems,
n=0, 1, 2, . . .
Im Ergebnis erhält man die Länge L jedes Taststiftes
3, bei der die Kontaktstücke 4 im Maximum der Schwingungs
amplitude des Taststiftes 3 liegen.
Die Taststifte 3 haben eine annähernd zylindrische
Form. Der Durchmesser d jedes Taststiftes 3 berechnet man
aus dem Verhältnis D/d<5 wobei D den größten Außen
durchmesser des Gehäuses 1 bezeichnet. Eine bessere Empfindlich
keit des Gebers ergeben dünne Taststifte 3.
Jeder Taststift 3 ist mit dem Gehäuse 1 fest ver
bunden. Bei dieser Auführungsform des Gebers sind die Taststifte
3 an das Gehäuse 1 mit einem Klebestoff auf der
Epoxydharzbasis angeklebt. Es ist auch eine andere Vari
ante möglich, bei der jeder Taststift und das Gehäuse 1
einteilig ausgeführt werden. Bei diesem idealen akusti
schen Kontakt des Gehäuses 1 mit den Taststiften 3 ergibt
sich eine bessere Empfindlichkeit des Gebers.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ermittelt man die
Befestigungsstellen der Taststifte 3 am Gehäuse 1 ent
sprechend der Anordnung der Erregerelektrode 14 und der
Meßelektrode 15. Fig. 3 zeigt Schwingungskennlinien des
Erregers 2 in der zu seiner Längsach
se senkrechten Ebene in Abhängigkeit von der Schwingungs
amplitude des der Erregerelektrode 14 zugeführten sinus
förmigen elektrischen Signals. Man erkennt, daß das
Amplitudenmaximum mit der Längsachse jeder der vier
Elektroden zusammenfällt. Zur Erhöhung der Geberempfind
lichkeit wird deswegen jeder Taststift 3 am Gehäuse 1 im
Bereich des Amplitudenmaximums des piezoelektrischen Er
regers 2 befestigt. Dicke und gestrichelte Linien zeigen,
welche Form der Erreger 2 bei Schwin
gungen in der zu seiner Längsachse senkrechten Ebene an
nimmt. In den Punkten b befinden sich "tote Zonen",
in denen die Schwingungsamplitude gleich Null ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das
Gehäuse 1 die Form eines Zylinders und trägt fünf
Taststifte 3. Dabei sind vier Taststifte 3 an der
Seitenfläche des Gehäuses 1 in der zur Geberlängsachse
senkrechten Ebene 90° gegeneinander versetzt angeordnet,
während der fünfte Taststift 3 längs der Geberachse an
der Stirnfläche des Gehäuses 1 befestigt ist.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist das
Gehäuse 1 kugelförmig ausgebildet und weist
fünf um 90° gegeneinander versetzte Taststifte 3 auf.
Vier Taststifte 3 liegen in der zur Geberachse senk
rechten Ebene, während der fünfte längs dieser Achse an
geordnet ist.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse 1
die Form eines Kegels, an dem sechs Taststifte 3 im glei
chen Abstand von der Kegelspitze befestigt sind, wobei
die Fußpunkte der Taststifte 3 in der zur Kegelachse senk
rechten Ebene in gleichem Abstand voneinander liegen.
Die Achsen der Taststifte 3 stehen senkrecht auf der
Seitenfläche des Gehäuses 1. Dabei besteht jede Erreger-
und Meßelektrode 14 bzw. 15 aus drei Teilen, die an
der Innenfläche des Erregers 2 hinter
einander verteilt sind. Die Fußpunkte der Taststifte 3
sind hierbei in den Abschnitten des Gehäuses 1 angeord
net, die durch die Längsachsen der Elektroden geschnit
ten werden. Dies ist zur Erhaltung der maximalen Empfind
lichkeit der Kontaktaufsätze 4 erforderlich.
Die Taststifte 3 werden zylindrisch oder mit geringer
Konizität ausgeführt. Die Form der Kontaktaufsätze 4 kann
auch variiert werden: sie können kugelförmig, zylindrisch
oder ringförmig ausgebildet werden.
In Fig. 7 sind Schwingungen grafisch dargestellt, die
im einheitlichen Schwingungssystem entstehen, wobei auf
der Abszisse die Phase ϕ und auf der Ordinate
die Spannung aufgetragen sind. Die Sinuskurve U₁
kennzeichnet die Schwingungen der Spannung, die vom Ge
nerator 16 der Erregerelektrode 14 zugeführt werden; die
Sinuskurve U₂ zeigt die Schwingungen, die im Schwingungs
system infolge des direkten piezoelektrischen Effekts
entstehen; sie ist auf der Abszisse um den Winkel
Δϕ₀ in bezug auf die Kurze U₁ verschoben; die Sinuskurve
U₃ stellt die Schwingungen dar, die im Schwingungs
system bei der Berührung des Meßobjekts 12 durch das
Kontaktstück 4 entstehen, und ist längs der ϕ-Achse
um den Winkel Δϕ₁ in bezug auf die Kurve U₂ verschoben.
Die Linie U₄ zeigt die Spannung am Ausgang des Phasen
detektors.
In Fig. 8 sind die Amplituden-Frequenz-Kennlinien
des einheitlichen Schwingungssystems dargestellt. Hier
bei ist die Kurve U₄ die Amplituden-Frequenz-Kennlinie
des Gebers vor Berührung der Oberfläche des Meßobjekts
12; U₅ ist die Amplituden-Frequenz-Kennlinie des Gebers
im Zeitpunkt der Berührung der Oberfläche des Meßobjek
tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4.
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Phase des Schwin
gungssystems von der Schwingungsfrequenz, ϕ₁ stellt
hierbei die Phasenänderung im Schwingungssystem in Ab
hängigkeit von der Frequenz vor Berührung des Meßobjekts
12 durch den Kontaktaufsatz 4 dar, während die Kurve ϕ₂ die
Phasenänderung über der Frequenz im Zeitpunkt der Be
rührung der Oberfläche des Meßobjekts 12 durch den Kon
taktaufsatz 4 veranschaulicht.
Der piezoelektrische Resonanz-Berührungsgeber funk
tioniert wie folgt.
An die Erregerelektrode 14 (Fig. 2) wird vom Sinus
generator 16 eine sinusförmige hochfrequente
Wechselspannung angelegt, unter deren Wirkung der
Erreger 2 quer zu seiner Längsachse mit einer
Frequenz schwingt, die der Schwingungsfrequenz der sinus
förmigen Spannung U₁ des Generators 16 entspricht. Die
Schwingungen des Erregers
2 bewirken Schwingungen im Gehäuse 1 und in den mit den
Kontaktstücken 4 versehenen Taststiften 3. Die Taststifte 3
sind senkrecht zur Achse des Gehäuses 1 angeordnet und
schwingen wie in Fig. 1 dargestellt ist. In der Axialrich
tung des Erregers 2 entstehen ferner
Schwingungen, deren Phase um eine halbe Periode von der
Schwingungsphase in der Radialrichtung abweicht.
Infolge des akustischen Kontaktes zwischen dem
Schwingungserreger 2 und dem Gehäuse 1 ent
stehen im letzteren auch mechanische hochfrequente Schwin
gungen längs der Achse, die zum axial liegenden Taststift 3
und seinem Kontaktaufsatz 4 übertragen werden. Diese
Schwingungen sind ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.
Das einheitliche Schwingungssystem, das aus dem
Erreger 2, dem Gehäuse 1 und den
Taststiften 3 mit Kontaktaufsätzen 4 besteht, weist eine hohe
Güte auf. Die Amplituden-Frequenz-Kennlinie U₄ (Fig. 8)
dieses Systems hat ein scharf ausgeprägtes Maximum U4max
bei der Frequenz f der Sinusspannung des Generators
16, die der Eigenschwingungsfrequenz f₀ der
Schwingungsfrequenz entspricht. Aus diesem Grunde wird
die Frequenz der vom Generator 16 gelieferten Spannung
U₁ gleich der Eigenschwingungsfrequenz des
Schwingungssystems eingestellt.
Die mechanischen Schwingungen, die im Schwingungs
system infolge des direkten Piezoeffekts entstehen, er
zeugen im Erreger 2 eine Spannung U₂
(Fig. 7). Die Frequenz dieser Spannung U₂ entspricht
der Frequenz der mechanischen Schwingungen im
Erreger 2 sowie der Frequenz der vom Generator
16 erzeugten sinusförmigen Spannung U₁ und ist in be
zug auf die letzere um den Winkel Δϕ₁ phasenverschoben,
der von den Kennwerten des Schwingungssystems
abhängig ist. Von den Meßelektroden 15 (Fig. 2) wird die
Spannung U₂ dem Signaleingang 17 des Phasendetektors 18
zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen den
Spannungen U₁ und U₂ (Fig. 7) zugeführt. Zum
Steuereingang 19 (Fig. 2)des Phasendetektors 18 gelangt
vom Generator 16 die Spannung U₁. Je nach der Phasen
differenz Δϕ₀ erscheint am Ausgang des Detektors 18
die Summenspannung ±U₄ (Fig. 7). Im eingeschwungenen
Zustand, wenn keine Berührung der Oberfläche des Meßobjek
tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4 erfolgt, ist die Größe U₄
konstant.
Bei Berührung der Meßobjektoberfläche durch den Kon
taktaufsatz 4 (Fig. 1) wird die Güte des
Schwingungssystems stark herabgesetzt. Dabei verringert
sich die Amplitude der mechanischen Schwingungen des
Systems, die Amplitude U₂ wird um die Größe ΔU kleiner
und gleich U₅ (Fig. 8). Es erfolgt eine zusätzliche Pha
senverschiebung der elektrischen Wechselspannung U₂ in
bezug auf die Spannung U₁ um den Winkel Δϕ₁ (Fig. 7).
Im Zeitpunkt der Berührung der Oberfläche des Meßobjek
tes 12 durch den Kontaktaufsatz 4 ändern sich stark die
Amplituden-Phasen-Charakteristik und der Frequenzgang
des Systems. Am Ausgang des Detektors 18 ändert sich die
resultierende Spannung ±U₄ je nach der
Größe von Δϕ₁. Bei Δϕ₁ gleich O Radiant wird U₄ zu +U₄,
während bei Δϕ₁ gleich π U₄ den Wert -U₄ annimmt.
Die am Ausgang des Phasendetektors 18 entstehende
Spannung U₃ benutzt man als Steuersignal für die in Fig. 2
nicht gezeigte Schwellenwertschaltung. Die letztere lie
fert ein Kommandosignal, das auf das Ansprechen des Ge
bers beim Erreichen eines bestimmten vorgegebenen Pegels
der Spannung U₄ hinweist. Das Kommandosignal wird einer
Rechenmaschine zugeführt, die nach einem Programm die
Verschiebung des Gebers in der Koordinatenmeßmaschine zur
Ermittlung der Kennwerte des Meßobjekts steuert.
Die starke Änderung der Phasenverschiebung der zu
vergleichenden Spannungen bei der Verringerung der Güte
des Schwingungssystems im Zeitpunkt der Berührung der
Oberfläche des Meßobjektes 12 durch den Kontaktaufsatz 4
und die Tatsache, daß die dabei entstehenden Kräfte nur
durch die Gleitreibung unabhängig von der Lage des Berüh
rungspunktes an der Oberfläche des Kontaktaufsatzes 4 be
dingt sind, ermöglichen die Messung in verschiedenen Rich
tungen des Raumes mit hoher Genauigkeit. Die Meßgenauig
keit wird auch dadurch erhöht, daß die Grenzen der ela
stischen Verformung der Taststifte 3 bei Verschiebungen
des Kontaktaufsatzes 4 während der Messung nicht überschrit
ten werden und keine gegenseitige mechanische Verrückung
der Geberbaugruppen erfolgt.
Die Übereinstimmung von Abmessungen des Meßobjekts
und eines Vergleichsmusters wird mit Hilfe des
Gebers wie folgt festgestellt. Mit einem Einstell
maß, hier einer Kugel, werden
die Koordinaten der Mittelpunkte der Kontaktaufsätze 4 ein
mal für alle Messungen von Werkstückgrößen mit der Koor
dinatenmeßmaschine präzisiert, wobei man die Korrektur
größen ermittelt, in denen die Radien der Kontaktaufsätze
4 und ihr Verschiebungsweg von der Ausgangsstellung bis
zum Ansprechen des Gebers berücksichtigt werden. Darauf
bestimmt man mit verschiedenen Kontaktaufsätzen 4 folgerich
tig die Abmessungen des Meßobjekts 12 in allen im Programm
vorgesehenen Punkten, ohne der Geber neu zu justieren und
umzustellen. Die Anzahl der dabei benötigten Taststifte 3
und ihre Orientierung in den Koordinatenachsen der Meß
maschine werden ausgehend von der Kompliziertheit der Meß
objektform vorher bestimmt. Der Geber mit kugelförmigem
Gehäuse 1 (Fig. 1) wird bevorzugt für Messungen an
Werkstücken benutzt, deren Kontrollpunkte in fünf Ebenen
liegen. Der Berührungsgeber mit kegelförmigem Gehäuse 1
(Fig. 5) ist für Messungen an Werkstücken mit komplizier
ter Konfiguration von Ebenen besser geeignet, die unter
einem Winkel zu den Koordinatenebenen der Meßmaschine lie
gen. Die in Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Geber funktionieren
im Prinzip ähnlich.
Claims (10)
1. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber mit einem
Gehäuse (1), mit einem am Gehäuse angebrachten Taststift
(3), einem Kontaktaufsatz (4) und einem piezoelektri
schen Schwingungserreger (2), der den Taststift (3) in
eigenfrequente Schwingungen versetzt, und mit einer Meß
elektrode (15) zur Aufnahme der mechanischen Schwingun
gen des Taststiftes (3), dadurch gekennzeich
net, daß das Gehäuse (1) in Form eines hohlen Rota
tionskörpers ausgebildet ist, in dem der hohl ausgebil
dete und der Form des Gehäuses (1) entsprechend piezo
elektrische Schwingungserreger (2) das Gehäusee akustisch
kontaktierend angeordnet ist, daß wenigstens ein zusätz
licher Taststift (3) mit Kontaktaufsatz (4) vorgesehen
ist, daß die Achsen der Taststifte (3) am Gehäuse
entlang der Normalen zur Gehäusefläche hin gerichtet
sind, und daß die an den Enden der Taststifte (3) unter
Gewährleistung eines akustischen Kontakts angeordneten
Kontaktaufsätze (4) zusammen mit den Taststiften (3) und
dem piezoelektrischen Schwingungserreger (2) ein ein
heitliches Schwingungssystem bilden, wobei die Eigen
schwingungsfrequenz des Gehäuses (1) mit den Taststiften
(3) und den Kontaktaufsätzen (4) gleich der Schwingungs
frequenz des Schwingungserregers (2) ist.
2. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge L jedes Taststiftes (3) durch den Ausdruck
L=l₀+LIbestimmt ist, wobei
l₀ der Abstand zwischen der Außenfläche des Gehäuses (1) und dem Schwingungsknotenpunkt (a) des Taststiftes (3) ist, ist, worin
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes (3) bedeutet,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse (1), den Taststiften (3) und den Kontaktstücken (4) bestehen den Systems bezeichnet und
n=0, 1, 2, . . . ist.
l₀ der Abstand zwischen der Außenfläche des Gehäuses (1) und dem Schwingungsknotenpunkt (a) des Taststiftes (3) ist, ist, worin
C die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Taststiftes (3) bedeutet,
f₀ die Eigenschwingungsfrequenz des aus dem Gehäuse (1), den Taststiften (3) und den Kontaktstücken (4) bestehen den Systems bezeichnet und
n=0, 1, 2, . . . ist.
3. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Taststift (3) eine annähernd zylindrische Form hat.
4. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durch
messer d jedes Taststiftes (3) durch das Verhältnis D/d<5
gegeben ist, wobei D den größten Außendurchmesser des Gehäuses
(1) bezeichnet.
5. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Taststift (3) mit dem Gehäuse (1) fest verklebt
ist.
6. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Taststift (3) und das Gehäuse (1) einteilig ausge
führt sind.
7. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die
zylindrische Form des Gehäuses (1) mit fünf daran angeordneten
Taststiften (3), von denen vier Taststifte (3) an der zylin
drischen Oberfläche des Gehäuses (1) in einer Ebene und unter
einem gegenseitigen Winkel von 90° verteilt sind und der
fünfte Taststift (3) längs der Gehäuseachse an der Stirnseite
des Gehäuses (1) angeordnet ist.
8. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
ein kugelförmiges Gehäuse (1), an dem fünf rechtwinklig zuein
ander liegende Taststifte (3) angeordnet sind, wobei vier von
diesen Taststiften (3) in der zur Geberachse senkrechten Ebene
liegen und ein Taststift (3) längs der Geberachse gerichtet
ist.
9. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
kegelförmiges Gehäuse (1), an dem sechs Taststifte (3) in
gleichem Abstand von der Kegelspitze und voneinander angeord
net sind.
10. Piezoelektrischer Resonanz-Berührungsgeber nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Phasenänderung des elektrischen Ausgangssignals gegen
über der Phase des Sinussignals des Schwingungserregers (2)
zur Erkennung des Zeitpunktes der Berührung des Meßobjekts
(12) durch den Kontaktaufsatz (4) herangezogen ist.
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