DE3406212A1 - Method and device for measuring the shape of a surface - Google Patents

Abstract

A description is given of a method and a device for measuring the shape of a surface with the aid of a stylus having a stylus tip which is guided longitudinally along the surface to be measured. Fixed to the stylus is an ultrasonic transmitter which emits one after another in short intervals pulse-like ultrasonic pressure waves which are received by a plurality of ultrasonic receivers. A computer is provided which uses a suitable program to calculate the transit times of the shock pulses and from this the instantaneous location of the stylus tip using the instantaneous location of the ultrasonic transmitter. These measurements are repeated briefly in sequence, from which the shape of the line scanned during the measurement time results. This line is suitably represented, for example via a monitor, by printed out coordinates, etc. <IMAGE>

Description

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Form einer Oberfläche in wenigstens zwei Koordinaten, wobei man mit einer Tastnadel die auszumessende Oberfläche abtastet und die dabei auftretende Verschiebung der Tastnadel mißt. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Tastnadelw mit Tastspitze und mit einer Einrichtung zur Auswertung der Bewegungen der Tastspitze.The invention relates to a method for measuring the shape of a surface in at least two coordinates, using a wand to measure the The surface is scanned and the resulting displacement of the wand is measured. aside from that the invention relates to an apparatus for performing this method with a wand with stylus tip and with a device for evaluating the Movements of the stylus tip.

Ein solches Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise als Oberflächenmeßgerät nach Forster der Firma Leitz bekannt. Der Prüfling befindet sich dabei auf einem auf Rollen gelagerten Aufnahmetisch.Such a method and such a device are for example known as a surface measuring device according to Forster from the Leitz company. The test item is located while doing this on a table mounted on castors.

Die axial geführte Tastnadel liegt mit ihrem der Tastspitze abgewandten Ende an einem mit diesem Ende kraftschlüssig verbundenen und klappbar gelagerten Spiegel an. Dessen Verschwenkung wird über eine geeignete Optik wahlweise auf einen Film aufgetragen, dessen Bewegung auf die Bewegung des Aufnahmetisches abgestimmt ist, oder auf eine Mattscheibe zur direkten Beobachtung der abgetasteten Linie.The axially guided wand is facing away from the probe tip End at a non-positively connected to this end and hinged Mirror on. Its pivoting is optionally on a suitable optics Film applied, the movement of which is coordinated with the movement of the shooting table or on a ground glass for direct observation of the scanned line.

Insbesondere bedingt durch die mechanischen Bauteile, mit denen die Bewegung der Tastnadel mit Tastspitze vergrößert und schließlich ausgemessen wird, vor allem also bedingt durch den kippbar gelagerten Spiegel, bei dem stets dafür gesorgt werden muß, daß er kraftschlüssig am oberen Ende der Tastnadel anliegt, ist dies bekannte Verfahren bzw. diese bekannte Vorrichtung aber mit Fehlern notwendigerweise behaftet. Bleibt beispielsweise die Kippachse des Spiegels über die Betriebsdauer dieses Oberflächenmeßgeräts nicht gehäusefest, so ergeben sich entsprechende Fehlmessungen. Auch ist der Abtastgeschwindigkeit eine obere Grenze gesetzt, insbesondere dadurch bedingt, daß durch eine Feder der kippbare Spiegel stets in Anlage am oberen Ende der Tastnadel gehalten werden muß.In particular due to the mechanical components with which the Movement of the wand with the stylus tip is enlarged and finally measured, So mainly due to the tiltable mirror, which is always for it it must be ensured that it rests firmly against the upper end of the wand, is this known method or this known device but necessarily flawed. There remains, for example, the tilt axis of the mirror not fixed to the housing over the service life of this surface measuring device, so result corresponding incorrect measurements. The scanning speed is also an upper one Limit set, in particular due to the fact that the tiltable by a spring Mirror must always be held in contact with the upper end of the wand.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Form einer Oberfläche in wenigstens zwei Koordinaten vorzuschlagen, das sich durch eine hohe Genauigkeit, leichte Handhabbarkeit und ggf. auch durch eine hohe Meßgeschwindigkeit auszeichnet.The invention avoids these disadvantages. It is based on the task a method and apparatus for measuring the shape of a surface in at least to propose two coordinates, characterized by high accuracy, ease of use and possibly also characterized by a high measuring speed.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man an der Tastnadel einen Ultraschallsender oder -empfänger befestigt sowie raumfest wenigstens zwei Ultraschallempfänger oder -sender vorsieht, daß man den bzw. die Ultraschallsender mit einem Stoßimpuls zu Schwingungen anregt und die Empfangssignale des bzw. der Ultraschallempfänger einem Rechner zuleitet, der daraus die Laufzeiten der Stoßimpulse berechnet und daraus über den momentanen Ort des an der Tastnadel befestigten Ultraschallsenders bzw. -empfängers den momentanen Ort der die auszumessende Oberfläche abtastenden Tastnadelspitze, worauf man diese Ortsmessung kurz hintereinander oftmals wiederholt und daraus eine Darstellung der während der Meßzeit abgetasteten Linie gewinnt.The method according to the invention is thereby able to achieve this object characterized in that one has an ultrasonic transmitter or receiver on the wand fixed as well as at least two ultrasonic receivers or transmitters fixed in space, that the ultrasonic transmitter or transmitters are excited to vibrate with a shock pulse and the received signals of the ultrasonic receiver (s) are sent to a computer, which uses this to calculate the runtimes of the shock pulses and, from this, the current one Location of the ultrasonic transmitter or receiver attached to the wand the current Location of the wand tip scanning the surface to be measured, whereupon this Location measurement often repeated in quick succession and a representation of the line scanned during the measurement time wins.

Durch einen Aufsatz in der Zeitschrift Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie", Enke, Stuttgart, 1979, Seite 69 bis 72 ist es zwar bekannt, an ausgewählten Stellen am Körper eines Patienten einen Ultraschallsender zu befestigen, dessen Signale von mehreren raumfesten Ultraschallempfängern aufgenommen und in einem Rechner ausgewertet werden zur Darstellung von Bewegungsabläufen am Patienten zwecks diagnostischer Untersuchungen.Through an article in the journal Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie ", Enke, Stuttgart, 1979, pages 69 to 72, although it is known to attach an ultrasound transmitter to selected locations on a patient's body, whose signals are recorded by several fixed ultrasound receivers and stored in can be evaluated by a computer to display movement sequences on the patient for diagnostic examinations.

Mit dem dort geschilderten Prinzip läßt sich aber nicht ohne wesentliche Abänderungen die Form einer Oberfläche ausmessen, insbesondere weil dies bei der dort vorgeschlagenen Anbringung eines Ultraschallsenders an einem zu untersuchenden Körperteil eines Patienten nicht geeignet ist.With the principle outlined there, however, one cannot go without essentials Modifications measure the shape of a surface, especially because this is the case with the there proposed attachment of an ultrasonic transmitter to one to be examined Part of a patient's body is unsuitable.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erhält man eine sehr genaue Darstellung der abgetasteten Linie. Versuche haben gezeigt, daß dies ohne weiteres mit einer Genauigkeit von einigen hunderstel Millimeter möglich ist.The measures according to the invention give a very precise one Representation of the scanned line. Tests have shown that this can be done easily is possible with an accuracy of a few hundredths of a millimeter.

Die Meßgenauigkeit läßt sich ggf. noch verfeinern.The measuring accuracy can be refined if necessary.

Im Rechner stehen die Meßdaten in digitaler Form zur Verfügung und können dann in geeigneter Art und Weise abgerufen werden, beispielsweise über einen Monitor, einen Schreiber oder einen Drucker. Man macht sich dabei stets das geschilderte Prinzip zu eigen, bei den dem Rechner bekannten raumfesten Coordinaten der raumfesten Ultraschallsender oder -empfänger dem Rechner die jeweiligen Laufzeiten der Ultraschallimpulse einzugeben, der daraus den momentanen Ort des Ultraschallsenders bzw. -empfängers mit großer Genauigkeit berechnet. Unmittelbar nach dieser Messung wiederholt man die Messung, wobei sich inzwischen - in einem Zeitraum von beispielsweise einigen Millisekunden - die Tastspitze entsprechend weiterbewegt hat.The measured data are available in digital form in the computer and can then be accessed in a suitable manner, for example via a Monitor, a writer or a printer. You always do what has been described Own principle, with the spatially fixed coordinates of the spatially fixed coordinates known to the computer Ultrasonic transmitter or receiver the computer the respective transit times of the ultrasonic pulses enter the current location of the ultrasonic transmitter or receiver calculated with great accuracy. Immediately after this measurement is repeated the measurement, whereby meanwhile - in a period of, for example, agree Milliseconds - has moved the probe tip accordingly.

Man erhält jetzt einen zweiten Meßpunkt und so fort und gewinnt aus den Meßpunkten dann die zu messende Linie.You now get a second measuring point and so on and win out the measuring points then the line to be measured.

Im allgemeinen interessiert die Oberflächengestalt des Prüflings in den drei Dimensionen. Daher wird es bevorzugt, wenn man die Empfangssignale von wenigstens drei raumfesten Ultraschallsendern bzw. -empfängern im Rechner auswertet. Für-eine räumliche Darstellung genügen drei raumfeste Ultraschallsender bzw.-empfänger.In general, the surface shape of the test object is of interest the three dimensions. It is therefore preferred to use the received signals from evaluates at least three spatially fixed ultrasonic transmitters or receivers in the computer. Three spatially fixed ultrasonic transmitters or receivers are sufficient for a spatial representation.

Zu Prüfzwecken wird es jedoch bevorzugt, wenn man vier solche raumfeste Ultraschallsender bzw.-emfpänger verwendet. Über die dabei erhaltene Redundanz kann man die Richtigkeit der empfangenen und dann ausgewerteten Signale prüfen.For testing purposes, however, it is preferred to have four such spatially fixed Ultrasonic transmitter or receiver used. The redundancy obtained in this way can check the correctness of the received and then evaluated signals.

Die Ultraschallsender können gleichzeitig oder auch kurz nacheinander zu den Stoßimpulsen angeregt werden. Wenn man sie gleichzeitig anregt, so kann man die nächte Messung besonders schnell durchführen, was natürlich vorteilhaft ist. Bei dieser gleichzeitigen Anregung der Ultraschallsender ist es aber für die Datenverarbeitungsanlage des Rechners komplizierter, die empfangenen Signale richtig einanderzuzuordnen. Um dies zu vermeiden, kann man die Ultraschallsender auch nacheinander zu den Stoßimpulsen anregen. Die zeitliche Staffelung der Anregungen der Ultraschallsender soll einerseits S nahe wie möglich sein und andererseits zeitlich so weit auseinanderliegen, daß der Rechner die Signale einander eindeutig zuordnen kann.The ultrasonic transmitters can be used simultaneously or in quick succession are excited to the shock pulses. If you stimulate them at the same time, you can carry out the next measurement particularly quickly, which is of course advantageous. With this simultaneous excitation of the ultrasonic transmitter, however, it is for the data processing system the computer more complicated to correctly assign the received signals to each other. To avoid this, the ultrasonic transmitter can also be used one after the other for the shock pulses stimulate. The staggering of the excitations of the ultrasonic transmitter should on the one hand S should be as close as possible and, on the other hand, be so far apart in time that the computer can clearly assign the signals to each other.

Sofern man bei der Messung sicherstellt, daß die Schallwellen stets von allen relevanten Ultraschallempfängern aufgefangen werden, kann man grundsätzlich ein Kippen der Tastnadel beim Messen zulassen, wie dies beispielsweise bei einem Führen der Tastnadel über den Prüfling von Hand geschieht. Der rechnerische Aufwand ist hierbei nur größer, weil die EDV-Anlage zusätzlich die Kippbewegungen rechnerisch berücksichtigen muß. Aus diesem Grunde wird es bevorzugt, wenn beim Abtasten die Tastnadel in axialer Richtung verschiebbar geführt wird. Hierbei können Kippbewegungen also nicht mehr auftreten und die gedachte Verbindungslinie zwischen dem Ultraschallsender bzw. -empfänger an der Tastnadel und der Tastspitze selbst wird stets parallel zu sich verschoben.As long as one ensures during the measurement that the sound waves are always from all relevant ultrasound receivers can be caught you basically allow the wand to tilt when measuring, as is the case for example happens when guiding the wand over the test object by hand. The arithmetical one The effort is only greater here because the EDP system also handles the tilting movements must take into account arithmetically. For this reason, it is preferred if the Scanning the wand is guided displaceably in the axial direction. Here you can Tilting movements no longer occur and the imaginary connecting line between the ultrasonic transmitter or receiver on the wand and the probe tip itself is always shifted parallel to itself.

Die eingangs angegebene Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist zur Lösung der Erfindungsaufgabe dadurch gekennzeichnet, daß an der Tastnadel wenigstens ein Ultraschallsender oder -empfänger befestigt ist und daß raumfest wenigstens zwei Ultraschallempfänger bzw.The device specified at the beginning for carrying out this method is characterized to solve the problem of the invention in that on the wand at least one ultrasonic transmitter or receiver is attached and that fixed in space at least two ultrasonic receivers or

-sender vorgesehen sind. Im allgemeinen wird man einen oder mehrere Ultraschallsender an der Tastnadel befestigen, und zwar vorzugsweise an dem der Tastspitze abgewandten Ende der Tastnadel, damit die raumfesten Ultraschallempfänger stets beschallt werden. Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung möglich, wobei dann wenigstens ein Ultraschallempfänger an der Tastnadel befestigt ist und mehrere Ultraschallsender raumfest angeordnet sind.transmitters are provided. Generally one becomes one or more Attach the ultrasonic transmitter to the wand, preferably to that of the Stylus tip facing away from the end of the wand, so that the fixed ultrasound receiver always be exposed to sound. However, the reverse arrangement is also possible, with then at least one ultrasound receiver is attached to the wand and several Ultrasonic transmitters are fixed in space.

Hierbei ist nur die Auswertung der Signale in der Datenverarbeitungsanlage komplizierter.Here is only the evaluation of the signals in the data processing system more complicated.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß die Tastnadel in den drei Raumkoordinaten verschiebbar gehalten ist. Dadurch kann man also die Oberfläche des Prüflings in allen drei Koordinaten abtasten.The device is preferably characterized in that the wand is kept displaceable in the three spatial coordinates. This means that you can use the Surface of the Scan the test object in all three coordinates.

Mann kann auch vorsehen, daß wenigstens eine der Bewegungsmöglichkeiten der Tastnadel blockiert werden kann. Je nach der Art der Blockierung erhält man dann Längsschnitte, Querschnitte oder Höhenlinien.You can also provide that at least one of the movement options the wand can be blocked. Depending on the type of blockage, one obtains then longitudinal sections, cross sections or contour lines.

Eine konstruktiv einfache Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander parallele Führungsstangen vorgesehen sind, an denen eine Verbindungsstange geführt ist, die eine Halterung für die Tastnadel trägt, an der die Tastnadel axial verschiebbar gehalten ist.A structurally simple embodiment is characterized by that two parallel guide rods are provided on which a connecting rod is guided, which carries a holder for the wand on which the wand axially is held displaceable.

Die beiden zueinander parallelen Führungsstangen gestatten eine Verschiebung der Tastnadel in einer Koordinate, die daran gehaltene Verbindungsstange in der anderen, dazu senkrechten Koordinate und die axiale Verschiebungsmöglichkeit der Tastnadel an der Halterung ergibt die Verschiebung in der dritten kartesischen Koordinate.The two parallel guide rods allow a shift the wand in one coordinate, the connecting rod held on it in the other coordinate perpendicular to it and the possibility of axial displacement of the The wand on the bracket results in the shift in the third Cartesian coordinate.

Grundsätzlich kann man das System aber auch so aufbauen, daß in nicht kartesischen Koordinaten gemessen wird, beispielsweise in Pol arkoordinaten.In principle, however, the system can also be set up in such a way that it is not Cartesian coordinates is measured, for example in polar coordinates.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt: Fig. 1 - perspektivisch und schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines neuartigen Tastgeräts; Fig. 2 - ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Meßverfahrens bei der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei zur Vereinfachung eine eindimensionale Meßstrecke angenommen wurde; Fig. 3 - perspektivisch in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab eine abgeänderte Ausführungsform eines Taststiftes.The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments explained, from which further important characteristics result. It shows: Fig. 1 - perspective and schematically the basic structure of a new touch device; Fig. 2 - a block diagram to explain the measuring method in the device according to FIG. 1, a one-dimensional measuring section being assumed for the sake of simplicity became; Fig. 3 - in perspective in relation to FIG. 1 enlarged Scale a modified embodiment of a stylus.

Zunächst sei das Meßverfahren in seinen Grundzügen anhand von Fig. 2 erläutert, die, wie erwähnt, eine nur eindimensionale Meßstrecke zeigt mit einem einzigen Ultraschallsender 1 und einem einzigen Ultraschallempfänger 2.First of all, the main features of the measuring method are given with reference to Fig. 2, which, as mentioned, shows only a one-dimensional measuring section with a single ultrasonic transmitter 1 and a single ultrasonic receiver 2.

Ein frei schwingender Oszillator 3, der beispielsweise auf eine Frequenz von 25 Hz eingestellt ist, gibt an einen Senderverstärker 4 beispielsweise alle 40 msec einen Startimpuls, worauf der Sender 1 dann ein Ultraschallsignal abgibt. Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt, der daraufhin die Impulse eines Quarzoszillators 6 zu zählen beginnt. Der Oszillator 6 schwingt beim angenommenen Beispiel mit 3,438 MHz.A freely oscillating oscillator 3, for example on a frequency of 25 Hz is set, gives to a transmitter amplifier 4, for example, all 40 msec a start pulse, whereupon the transmitter 1 then emits an ultrasonic signal. At the same time a counter 5 is set to zero, which thereupon the pulses of a Crystal oscillator 6 starts counting. The oscillator 6 oscillates when assumed Example with 3.438 MHz.

Nach einer bestimmten Laufzeit des vom Sender 1 abgegebenen Ultraschallimpulses, welche Laufzeit von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängt, wird der Impuls im Empfänger 2 empfangen. In diesem Augenblick sendet der Empfänger 2 ein Übernahmesignal an einen Zwischenspeicher 7 (Latsch-Zwischenspeicher), der daraufhin den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 (über die Leitung 8) übernimmt. Das Empfangssignal ist vorher in einem Empfängerverstärker 9 verstärkt worden. Der vom Zähler 5 in den Zwischenspeicher 7 übernommene Zählerstand wird im Speicher 7 bis zum entsprechenden Impuls bei der nächsten Einzelmessung gespeichert. Ein Treiber (Decoder-Treiber) stellt den Inhalt des Speichers 7 jeweils auf einer Anzeige 10 dar. Dies ist beispielsweise ein Sieben-Segment-Leuchtdioden-Display.After a certain transit time of the ultrasonic pulse emitted by the transmitter 1, which transit time depends on the distance between sender and receiver is the Impulse received in receiver 2. At this moment the receiver 2 sends in Takeover signal to a buffer 7 (Latsch buffer), which thereupon takes over the current count of the counter 5 (via line 8). That The received signal has previously been amplified in a receiver amplifier 9. The from Counter 5 taken over in the buffer 7 is in the memory 7 bis saved for the corresponding pulse for the next individual measurement. A driver (Decoder driver) puts the content of the memory 7 on one advertisement 10. This is, for example, a seven-segment light-emitting diode display.

Da die Schallgeschwindigkeit in Luft (bei einer Temperatur von 200 C) genau 343,8 m pro Sekunde beträgt, zeigt die Anzeige 10 die Entfernung zwischen Sender 1 und Empfänger 2 in ein Zehntel mm an. Die Temperaturabhängigkeit beträgt dabei 0, 2 % pro 10 Temperaturdifferenz, gemessen in Grad Celsius. Mit anderen Worten wird die Anzeige durch die Abstimmung der Schwingungen des Oszillators 6 auf die Schallgeschwindigkeit in Luft vereinfacht. Der Oszillator 6 kann in seiner Schwingungsfrequenz auch so geregelt werden, daß er die erwähnte Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft selbsttätig berücksichtigt.Since the speed of sound in air (at a temperature of 200 C) is exactly 343.8 m per second, the display 10 shows the distance between Sender 1 and receiver 2 in a tenth of a millimeter. The temperature dependence is 0.2% per 10 temperature difference, measured in degrees Celsius. In other words is the display by the coordination of the oscillations of the oscillator 6 on the Simplified the speed of sound in air. The oscillator 6 can in its oscillation frequency can also be regulated in such a way that it has the mentioned temperature dependence of the speed of sound automatically taken into account in air.

Natürlich kann er auch auf andere Frequenzen eingestellt werden, wobei dann die Anzeige 10 entsprechend geeicht werden muß.Of course, it can also be set to other frequencies, with then the display 10 must be calibrated accordingly.

Auf die beschriebene Weise erhält man somit in der Anzeige 10 die Entfernung zwischen Sender 1 und Empfänger 2, und zwar bei diesem Beispiel auf Zehntel Millimeter genau.In the manner described, the display 10 thus provides the Distance between transmitter 1 and receiver 2, in this example to a tenth Accurate to the millimeter.

Wiederholt man die vorstehend beschriebene Entfernungsmessung bei sich bewegendem Sender 1 und/oder Empfänger 2, so gibt die Anzeige 10 anschließend die neue Frequenz wieder. Weil der Oszillator 3 als Zeitgeber wirkt und beispielsweise mit einer Frequenz von 25 Hz schwingt, werden die Messungen beim angegebenen Beispiel 25 mal pro Sekunde wiederholt. Dies ergibt eine sehr gute Darstellung bei nicht zu schnellen Bewegungen zwischen Sender 1 und Empfänger 2.If the distance measurement described above is repeated at moving transmitter 1 and / or receiver 2, the display 10 then shows the new frequency again. Because the oscillator 3 acts as a timer and for example oscillates at a frequency of 25 Hz, the measurements in the example given Repeated 25 times per second. This gives a very good display for not Movements between transmitter 1 and receiver 2 that are too fast.

Die Anzeige 10 kann beispielsweise auch als Analogschreiber, Fernsehschirm-Monitor und/oder Drucker ausgebildet sein. Weil im Speicher 7 alle Daten zur Verfügung stehen, können daraus auch andere Größen abgeleitet werden, beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der sich der Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 2 ändert, die daraus abgeleitete Beschleunigung usw.The display 10 can also be used, for example, as an analog recorder, television screen monitor and / or printer. Because all data are available in memory 7, other variables can also be derived from this, for example the speed, with which the distance between transmitter 1 and receiver 2 changes, the one derived therefrom Acceleration etc.

Alles dies kann ebenfalls zur Anzeige gebracht werden.All of this can also be displayed.

Der Baustein 7 ist dann kein reiner Speicher mehr, sondern wird zu einer elektronischen Da#tenverarbeitungsanlage (EDV-Anlage) ausgebaut.The block 7 is then no longer a pure memory, but becomes an electronic data processing system (EDP system) expanded.

Verwendet man nun nicht nur einen Empfänger 2, sondern drei räumlich voneinander getrennte Empfänger, die raumfest angeordnet sind, und gibt man in die EDV-Anlage deren Abstände relativ zu einem vorgegebenen Koordinatensystem ein, so kann man auch die Bewegung des Senders 1 im Raum messen. Bei diesem Beispiel wird angenommen, daß der Sender 1 bewegt wird und die Empfänger 2 raumfest angeordnet sind. Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung mit raumfesten Sender 1 und beweglichen Empfängern 2 grundsätzlich möglich, wenngleich von der Software der EDV-Anlage her aufwendiger.If you now use not just one receiver 2, but three spatially separate receivers, which are fixed in space, and are placed in the EDP system whose distances are relative to a specified coordinate system, see above you can also measure the movement of the transmitter 1 in space. In this example assumed that the transmitter 1 is moved and the receiver 2 is fixed in space are. But it is also a reverse arrangement with spatially fixed transmitter 1 and movable ones Recipients 2 basically possible, albeit from the software of the EDP system more elaborate.

Dieses Prinzip macht man sich nun bei dem erfindungsgemäßen Tastgerät nach Fig. 1 zunutze. Dort soll die Oberfläche eines Prüflings 11 ausgemessen werden. Fig. 1 zeigt, daß dessen Oberfläche in allen drei Dimensionen gebogen ist. Mit dem beschriebenen Gerät können aber auch die Oberflächen von einfacheren Körpern ausgemessen werden, deren Dimensionen sich beispielsweise in einer Axe nicht ändern.This principle is now used in the touch device according to the invention according to Fig. 1 use. The surface of a test piece 11 is to be measured there. Fig. 1 shows that its surface is curved in all three dimensions. With the The device described can also measure the surfaces of simpler bodies whose dimensions do not change in an axis, for example.

Ein Taststift 12 ist an seinem unteren Ende mit einer Tastspitze 13 versehen, die die Oberfläche 14 des Prüflings 11 längs vorgegebener Linien abtastet. In einem vorgegebenen rechtwinkeligem Koordinatensystem steht der Taststift 12 senkrecht. An seinem oberen Ende ist der Sender 1 befestigt. Dieser strahlt Ultraschall-Druckimpulswellen mit möglichst guter Annäherung an eine Kugel charakteristik aus, die bei diesem Beispiel von vier der Empfänger 2 aufgenommen werden. Es wurde bereits erläutert, daß für eine räumliche Abtastung der Oberfläche 14 wenigstens drei der Empfänger 2 notwendig sind. Der vierte Empfänger dient zur Überprüfung.A stylus 12 has a stylus tip 13 at its lower end provided, which scans the surface 14 of the test piece 11 along predetermined lines. The stylus 12 is perpendicular in a predetermined right-angled coordinate system. The transmitter 1 is attached to its upper end. This emits ultrasonic pressure pulse waves with the best possible approximation of a spherical characteristic from this Example of four of the recipients 2 are included. It has already been explained that for a spatial scan of the surface 14 at least three of the receivers 2 are necessary. The fourth recipient is used for verification.

Der EDV-Anlage hat man den (festen) Abstand zwischen der Tastspitze 13 und dem Sender 1 des Taststiftes 12 eingegeben. Auf die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Weise wird somit die Bewegung des Senders 1 gemessen, die über die bekannte Entfernung zwischen Sender 1 und Tastspitze 13 auf die Bewegung der Tastspitze 13 umgerechnet wird. Deren Bewegung über der auszumessenden Oberfläche 14 des Prüflings 11 kann dann auf der Anzeige 10 zur Darstellung gebracht werden.The computer system has the (fixed) distance between the probe tip 13 and the transmitter 1 of the stylus 12 entered. Related to the above With Fig. 2 described manner, the movement of the transmitter 1 is thus measured, the on the known distance between transmitter 1 and probe tip 13 on the movement the probe tip 13 is converted. Their movement over the surface to be measured 14 of the test item 11 can then be displayed on the display 10.

Die Empfänger 2 müssen nicht in einer Ebene angeordnet werden, wie zeichnerisch dargestellt. Sie sollen so angeordnet werden, daß bei allen praktisch vorkommenden Fällen jeder der Empfänger - oder doch zumindest drei dieser Empfänger - ständig die Ultraschallimpulse empfangen, deren Wege zwischen Sender und Empfänger bei Pos. 15 angedeutet sind. Ordnet man mehr als sechszehn Empfänger an, so wird der Aufwand für die Datenverarbeitung unverhältnismäßig groß. Versuche haben gezeigt, daß man sehr gute Ergebnisse mit den gezeigten vier Empfängern erhält.The receivers 2 do not have to be arranged in one plane, as shown graphically. They should be arranged so that they are practical for all Occurring cases each of the recipients - or at least three of these recipients - constantly receive the ultrasonic impulses, their paths between transmitter and receiver are indicated at item 15. If you arrange more than sixteen recipients, then becomes the effort for data processing is disproportionately large. Tests have shown that he very good results with the four receivers shown receives.

Für den Taststift 12 ist eine Führung längs der auszumessenden Oberfläche 14 vorgesehen, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls in den drei kartesischen Koordinaten angelegt ist. Hierzu ist der Taststiff 12 in einer Führungsbuchse 16 derart gehalten, daß er in der z-Richtung frei verschoben werden kann.For the stylus 12 there is a guide along the surface to be measured 14 is provided, which in the illustrated embodiment is also in the three Cartesian Coordinates is created. For this purpose, the stylus 12 is in a guide bush 16 held so that it can be freely displaced in the z-direction.

Die Führungsbuchse 16 ist starE-an einem Haltearm 17 befestigt, an dessen anderem Ende eine weitere Führungsbuchse 18 vorgesehen ist. Die Führungsbuchse 18 ist wiederum frei verschiebbar längs einer Verbindungsstange 19, die sich in der x-Richtung erstreckt.The guide bush 16 is rigidly attached to a holding arm 17 the other end of which a further guide bush 18 is provided. The guide bush 18 is in turn freely displaceable along a connecting rod 19, which is in the x-direction extends.

An den Enden der Verbindungsstange 18 sind weitere Führungsbuchsen 20 vorgesehen, über die die Verbindungsstange an Führungsstangen 21 frei verschiebbar ist, die sich in der y-Richtung erstrecken.At the ends of the connecting rod 18 are further guide bushes 20 is provided, via which the connecting rod can be freely displaced on guide rods 21 which extend in the y-direction.

Die von dem Sender 1 ausgestrahlen Ultraschallimpulse sollen soweit wie möglich gedämpft sein, damit kein Wellenzug entsteht, der die Messung und insbesondere die Zuordnung des Impulses im Rechner sonst beeinträchtigen würde. Bevorzugt wird daher ein sehr steiler Anstieg des Druckimpulses, der sofort wieder durch eine starke Dämpfung nahe Null abfällt. Die Intensität der Ultraschallimpulse des Senders soll ausreichen, damit die Emfpänger noch eine ausreichende Impulsamplitude erhalten.The ultrasonic pulses emitted by the transmitter 1 should go so far be attenuated as much as possible so that there is no wave train that affects the measurement and in particular otherwise the assignment of the pulse in the computer would be impaired. Is preferred hence a very steep rise in the pressure pulse, which is immediately followed by a strong Attenuation drops near zero. The intensity of the ultrasonic pulses from the transmitter is intended sufficient for the receivers to receive a sufficient pulse amplitude.

Versuche haben gezeigt, daß Laufstrecken in der Größenordnung von sechs Metern störungsfrei überbrückt werden können. Dies reicht für das beschriebene Tastgerät ohne weiteres aus.Tests have shown that running distances on the order of six meters can be bridged without interference. This is enough for the described Keyboard off without further ado.

Die Abstrahlungscharakteristik des Senders ist möglichst kugelförmig, was aber auch mit einem größeren Intensitätsverlust der abgestrahlten Ultraschallimpulse bei den Emfpängern erkauft wird. Man kann sich daher mit stärker gerichteten Ultraschallimpulsen helfen, wobei dann aber dafür gesorgt werden muß, daß - unabhängig von der jeweiligen Lage des Senders 1 - jeder Impuls von wenigstens drei Empfängern empfangen wird. Werdne Prüflinge in nur einer Linie, beispielsweise in der x-y-Ebene, ausgemessen, so genügen auch zwei der Empfänger 2.The radiation pattern of the transmitter is as spherical as possible, but also with a greater loss of intensity in the emitted ultrasonic pulses is bought at the recipient. One can therefore deal with more strongly directed ultrasonic pulses help, but then it must be ensured that - regardless of the respective Location of transmitter 1 - each pulse is received by at least three receivers. If test objects are measured in only one line, for example in the x-y plane, two of the recipients 2 are sufficient.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß man die Funktionen der Sender und Empfänger gegeneinander vertauschen kann, wobei dann mehrere Empfänger und ein Sender vorgesehen ist. Bei dieser möglichen Anordnung erhält man eine besonders hohe Auflösung der gemessenen Fläche, wenn man die Sender gleichzeitig zu den Ultraschallimpulsen anregt. Hierbei ist aber die durch die EDV-Anlage vorzunehmende Untersuchung der Relationen zwischen den Einzelnen Signalen besonders kompliziert. Man kann statt dessen daher auch die Sender in kurzen Abständen nacheinander zu den Ultraschall impulsen erregen.It has already been pointed out that one can use the functions of the transmitter and recipients can swap against each other, in which case several recipients and one Transmitter is provided. With this possible arrangement, one gets a special one high resolution of the measured area if the transmitter is connected to the ultrasonic pulses at the same time stimulates. Here, however, the investigation to be carried out by the EDP system is the Relations between the individual signals are particularly complicated. One can take place therefore also the transmitter at short intervals one after the other to the ultrasound excite impulses.

Während nach Fig. 1 der Taststift 12 von dem Gestänge 16 bis 21 in allen drei Achsen geführt wird, kann grundsätzlich auch ein frei beweglicher Taststift nach Fig. 3 verwendet werden. Dieser trägt dann an seiner Oberseite nicht einen einzigen Sender 1, sondern drei dieser Sender 1. Die Anordnung der Empfänger 2 nach Fig. 1 bleibt beibehalten. Die EDV-Anlage ermöglicht dann durch eine geeignete Programmierung über die ihr eingegebene geometrische Anordnung der drei Sender 1 und deren Ent- fernungen voneinander und von der Tastspitze 13 in eindeutiger Weise eine Rückrechnung auf die tatsächliche Bewegung der Tastspitze 13. Der Unterschied zwischen den Anordnungen nach Fig. 1 und 3 besteht im wesentlichen darin, daß nach Fig. 1 der Taststift in den x-y-Koordinaten geführt ist und sich in der z-Koordinate frei verschieben läßt, d.h. also nicht gekippt werden kann. Bei der Anordnung nach Fig. 3 läßt man dagegen solche Kippbewegungen zu.While according to Fig. 1, the stylus 12 of the linkage 16 to 21 in is guided on all three axes, a freely movable stylus can also be used according to Fig. 3 can be used. This then does not have one on its top single transmitter 1, but three of these transmitters 1. The arrangement of the receiver 2 according to Fig. 1 is retained. The EDP system then allows through suitable programming about the geometric arrangement of the three transmitters 1 entered and their design distances from each other and from the probe tip 13 in an unambiguous way a back calculation the actual movement of the stylus tip 13. The difference between the arrangements 1 and 3 consists essentially in that, according to FIG. 1, the stylus in is guided by the x-y coordinates and can be freely shifted in the z coordinate, i.e. it cannot be tilted. In the case of the arrangement according to FIG. 3, however, one leaves such tilting movements too.

Die Vereinfachung durch Fortlassen der Führung wird durch eine kompliziertere Datenverarbeitung erkauft, Mögliche Zitterbewegungen der den Taststift 12 führenden Hand können ggf. durch elektronische Mittel geglättet werden.The simplification by leaving out the guide becomes a more complicated one Data processing bought, possible trembling movements of the stylus 12 leading Hand can be smoothed if necessary by electronic means.

Aus den erwähnten Gründen wird aber die Anordnung nach Fig. 1 mit einem geführten Taststift, der nicht kippbar ist, bevorzugt.For the reasons mentioned, however, the arrangement according to FIG a guided stylus that cannot be tilted is preferred.

Fig. 1 zeigt auch, daß sich gerade Schnittbildmessungen durch das Festellen der Bewegungsmöglichkeit in jeweils einer der Koordinaten gewinnen lassen. Arritiert man die Führungsbuchse 18 an einer bestimmten Stelle auf ihrer Verbindungsstange 19, so erhält man einen Längsschnitt. Arretiert man die Führungsbuchsen 20 auf ihren Führungsstangen 21, so erhält man einen Querschnitt.Fig. 1 also shows that straight sectional image measurements through the Determine the possibility of movement in each of the coordinates. If the guide bush 18 is locked at a certain point on its connecting rod 19, a longitudinal section is obtained. If you lock the guide bushes 20 on their Guide rods 21, a cross-section is obtained.

Arretiert man schließlich den Taststift 12 an seiner Führungsbuchse 16, so erhält man eine Höhenlinie. Es wird daher bevorzugt, wenn an den erwähnten Führungsbuchsen 16, 18 und 20 Arretierungsmittel vorgesehen sind, beispielsweise Arretierungsschrauben.Finally, the stylus 12 is locked on its guide bushing 16, a contour line is obtained. It is therefore preferred if at the mentioned Guide bushings 16, 18 and 20 locking means are provided, for example Locking screws.

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Claims (8)

Ansprüche Verfahren zum Messen der Form einer Oberfläche in wenigstens zwei Koordinaten, wobei man mit einer Tastnadel die auszumessende Oberfläche abtastet und die dabei auftretende Verschiebung der Tastnadel mißt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man an der Tastnadel (12) einen Ultraschallsender (1) oder -empfänger (2) befestigt sowie raumfest wenigstens zwei Ultraschallempfänger (2) oder sender (1) vorsieht, daß man den bzw. die Ultraschallsender (1) mit einem Stoßimpuls zu Schwingungen anregt und die Empfangssignale des bzw. der Ultraschallempfänger (2) einem Rechner (7) zuleitet, der daraus die Laufzeiten der Stoßimpulse berechnet und daraus über den momentanen Ort des an der Tastnadel (12) befestigten Ultraschallsenders (1) bzw. -empfängers (2) den momentanen Ort der die auszumessende Oberfläche (14) abtastenden Tastnadelspitze (13), worauf man diese Ortsmessung kurz hintereinander oftmals wiederholt und daraus eine Darstellung der während der Meßzeit abgetasteten Linie gewinnt. Claims method for measuring the shape of a surface in at least two coordinates, whereby one scans the surface to be measured with a wand and the resulting displacement of the wand measures, d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an ultrasonic transmitter (1) or -receiver (2) fixed and at least two ultrasonic receivers (2) fixed in space or transmitter (1) provides that one or more ultrasonic transmitter (1) with a shock pulse stimulates vibrations and the received signals of the ultrasonic receiver (s) (2) a computer (7), which uses it to calculate the transit times of the shock pulses and from this the current location of the ultrasonic transmitter attached to the wand (12) (1) or receiver (2) the current location of the surface to be measured (14) scanning stylus tip (13), whereupon this location measurement is carried out in quick succession often repeated and from this a representation of the samples scanned during the measurement time Line wins. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man die Empfangssignale von wenigstens drei raumfesten Ultraschallsendern (1) bzw. -empfängern (2) im Rechner auswertet.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the received signals from at least three space-fixed ultrasonic transmitters (1) or receivers (2) in the computer. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man die Ultraschallsender (1) nacheinander zu den Stoßimpulsen anregt.3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the ultrasonic transmitter (1) is connected to the shock pulses one after the other stimulates. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abtasten die Tastnadel (12) in axialer Richtung verschiebbar geführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that when scanning the wand (12) is guided displaceably in the axial direction. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Tastnadel mit Tastspitze und mit einer Einrichtung zur Auswertung der Bewegungen der Tastspitze, dadurch g e k e n n z e i c h ne t, daß an-der Tastnadel (12) wenigstens ein Ultraschallsender (1) oder -empfänger (2) befestigt ist und daß raumfest wenigstens zwei Ultraschallempfänger (2) bzw. -sender (1) vorgesehen sind.5. Device for performing the method according to one of the claims 1 to 4 with a wand with a stylus tip and with a device for evaluation the movements of the stylus tip, as a result of the fact that on the stylus (12) at least one ultrasonic transmitter (1) or receiver (2) is attached and that at least two ultrasonic receivers (2) or transmitters (1) are fixed in space are. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastnadel (12) in den drei Raumkoordinaten verschiebbar gehalten ist.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the wand (12) is held displaceable in the three spatial coordinates. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens eine der Bewegungsmöglichkeiten der Tastnadel (12) blockiert werden kann.7. Apparatus according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least one of the movement possibilities of the wand (12) is blocked can be. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei zueinander parallele Führungsstangen (21) vorgesehen sind, an denen eine Verbindungsstange (19) geführt ist, die eine verschiebbare Halterung (16, 17, 18) für die Tastnadel (12) trägt, an der die Tastnadel (12) axial verschiebbar gehalten ist.8. Device according to one of claims 5 to 7, d a d u r c h g e It is not possible to say that two guide rods (21) parallel to one another are provided are on which a connecting rod (19) is guided, which has a sliding bracket (16, 17, 18) for the wand (12) on which the wand (12) is axially displaceable is held.