DE102012018417B4

DE102012018417B4 - Sensing device and measuring device with such a sensing device

Info

Publication number: DE102012018417B4
Application number: DE201210018417
Authority: DE
Inventors: Falk Felgentreu; Frank Schütze; Hans-Holger Anger
Original assignee: Individual
Current assignee: Anger Hans-Holger Dr-Ing De; Bergmann Jens De
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: DE102012018417A1

Abstract

Tasteinrichtung, wobei wenigstens ein piezoelektrischer und mittels einer Verbindung mit einer Spannungsquelle in Resonanz betriebener Körper (1) ein Tastelement ist oder ein Tastelement (2) aufweist und der piezoelektrische Körper (1) mit einer die Verschiebung der Resonanz bei Annäherung oder Berührung des Werkzeugs (7) oder Werkstücks erfassenden Steuereinrichtung (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (1) wenigstens bereichsweise in einem aus einem elastischen Material bestehenden Halter (3) als Federelement angeordnet ist.Sensing device, wherein at least one piezoelectric body (1) which is driven in resonance by means of a connection to a voltage source is a feeler element or a feeler element (2) and the piezoelectric body (1) shows a displacement of the resonance upon approaching or touching the tool ( 7) or workpiece detecting control device (6) is connected, characterized in that the piezoelectric body (1) is arranged at least partially in a consisting of an elastic material holder (3) as a spring element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Messeinrichtungen mit einer derartigen Tasteinrichtung.The invention relates to a sensing device according to the preamble of patent claim 1 and measuring devices with such a sensing device.

Tasteinrichtungen zum Feststellen des Vorhandenseins von Werkzeugen und Werkstücken und zum Bestimmen von Abmessungen und Positionen sind bekannt ( DE 101 23 499 B4 ). Bei diesen werden beispielsweise Dehnmessstreifen, Lichtschranken, Laserstrahlen und deren Beeinflussung, Differentialtransformatoren oder magnetische Messköpfe angewandt.Sensing devices for detecting the presence of tools and workpieces and for determining dimensions and positions are known (US Pat. DE 101 23 499 B4 ). In these strain gauges, photoelectric sensors, laser beams and their influence, differential transformers or magnetic measuring heads are used, for example.

Bei bekannten Werkzeugmesstastern wird die Berührung des Sensors mit dem Werkzeug als Grundlage für einen Messpunkt herangezogen. Der Werkzeugmesstaster wird dabei mehrmals jeweils mit kleineren Verfahrgeschwindigkeiten an das Werkzeug herangeführt, um das Überfahren des Sensors jeweils zu verringern, so dass am Ende eine genaue Position ermittelt werden kann. Als Messmittel wird eine Lichtschranke verwendet. Bei weiteren mechanischen Messtastern werden auf einer verformbaren Membran in Form eines Bleches angeordnete Dehnmessstreifen eingesetzt. Die Dehnmessstreifen sind weiterhin Bestandteile einer Messbrücke, so dass die durch eine Berührung hervorgerufene Verformung detektierbar ist.In known tool probes, the contact of the sensor with the tool is used as the basis for a measuring point. The tool probe is thereby introduced several times in each case at lower speeds to the tool to reduce the overrun of the sensor each, so that at the end of a precise position can be determined. The measuring instrument used is a light barrier. In other mechanical probes strain gauges arranged on a deformable membrane in the form of a sheet are used. The strain gauges are also components of a measuring bridge, so that the deformation caused by a contact is detectable.

Derartige Einrichtungen bedingen komplizierte feinmechanischmikrosystemtechnische Baugruppen.Such devices require complicated fine-mechanical microsystem assemblies.

Der in den Patentansprüchen 1, 8 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Tasteinrichtung bzw. Messeinrichtung für vorhandene Gegenstände und/oder für die Ermittlung von Abmaßen von Gegenständen zu schaffen.The invention specified in the claims 1, 8 and 9 has the object to provide a simple sensing device or measuring device for existing objects and / or for the determination of dimensions of objects.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 8 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in the claims 1, 8 and 9.

Die Tasteinrichtungen und die Messeinrichtungen mit einer derartigen Tasteinrichtung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein Vorhandensein wenigstens eines Gegenstandes und/oder bestimmte Abmaße von Gegenständen einfach ermittelbar sind.The sensing devices and the measuring devices with such a sensing device are characterized in particular by the fact that a presence of at least one object and / or certain dimensions of objects can be easily determined.

Dazu ist wenigstens ein piezoelektrischer und mittels einer Verbindung mit einer Spannungsquelle in Resonanz betriebener Körper ein Tastelement oder ein derartiger Körper weist ein Tastelement auf. Weiterhin ist der piezoelektrische Körper an wenigstens ein Federelement gekoppelt. Darüber hinaus ist der piezoelektrische Körper mit einer die Verschiebung der Resonanz bei Annäherung oder Berührung des Werkzeugs oder Werkstücks erfassenden Steuereinrichtung verbunden. Die Tastelemente sind für sich allein keine Messeinrichtung. Sie stellen den exakten Ort der Berührung Ihres Messkopfes oder einer Messfläche mit dem zu vermessenden Objekt dar, indem der Ort der Berührung oder ein Maß zwischen Objekt und Taster ermittelbar ist.For this purpose, at least one piezoelectric body which is driven in resonance by means of a connection to a voltage source is a feeler element or such a body has a feeler element. Furthermore, the piezoelectric body is coupled to at least one spring element. Moreover, the piezoelectric body is connected to a control means detecting the displacement of the resonance upon approach or contact of the tool or workpiece. The feeler elements are not in themselves a measuring device. They represent the exact location of the touch of your measuring head or of a measuring surface with the object to be measured by determining the location of the touch or a measure between object and probe.

Kern des aktiven hochfrequenzerregten piezoelektrischen Tastelements als Sensor sind ein oder mehrere hochfrequenzerregte piezoelektrische Körper als Schwinger, die durch Ansteuerung mit einer Wechselspannung zu hochfrequenten Mikroschwingungen erregt werden. Der piezoelektrische Körper besteht aus einer Piezokeramik mit wenigstens einem Elektrodenpaar. Die Elektroden selbst bestehen beispielsweise aus eingebrannten dünnen Silberschichten.Core of the active high-frequency excited piezoelectric probe element as a sensor are one or more high-frequency excited piezoelectric body as a vibrator, which are excited by driving with an AC voltage to high-frequency micro-vibrations. The piezoelectric body consists of a piezoceramic with at least one pair of electrodes. The electrodes themselves consist, for example, of baked-in thin silver layers.

Die Erregung zu Mikroschwingungen erfolgt über einen Oszillator, einen Spannungsverstärker in Verbindung mit einem Generator oder als Bestandteil einer Wechselspannungsbrücke. Das Tastelement befindet sich dabei vorteilhafterweise an einem Ort des piezoelektrischen Körpers als Schwinger, wo die Schwingungsamplitude ein Maximum erreicht. Ein Tastelement kann ein flaches Plättchen, eine Kugel, eine Membran aber auch eine geeignet aufgebrachte Hartschicht sein. Letzteres kann beispielsweise chemisch abgeschiedenes Nickel oder „aufgesputtertes” Hartmetall sein.The excitation to micro-vibrations via an oscillator, a voltage amplifier in conjunction with a generator or as part of an AC bridge. The probe is advantageously located at a location of the piezoelectric body as a vibrator, where the oscillation amplitude reaches a maximum. A probe element may be a flat plate, a sphere, a membrane but also a suitably applied hard layer. The latter may be, for example, chemically deposited nickel or "sputtered" carbide.

Zur Generierung eines Messwertes wird die elektromechanische Impedanz und/oder die Veränderung der Resonanz des piezoelektrischen Körpers verwendet. Wird der schwingende piezoelektrische Körper und hier insbesondere das daran angeordnete Tastelement mechanisch beispielsweise durch die Friktion mit einer Oberfläche eines Gegenstandes belastet, ändert sich sofort seine mechanische Resonanz. Dadurch, dass der piezoelektrische Körper federnd angeordnet ist, erfolgt eine eine Resonanzverschiebung ausschließlich bei Berührung oder Annäherung an den Gegenstand. Die Resonanz verschiebt sich dabei hinsichtlich seiner Frequenz und seiner Impedanz. Damit kann eine Änderung des in Resonanz betriebenen piezoelektrischen Körpers in der Frequenz und/oder Impedanz zum Tasten verwendet werden.To generate a measured value, the electromechanical impedance and / or the change in the resonance of the piezoelectric body is used. If the oscillating piezoelectric body and here in particular the probe element arranged thereon are mechanically loaded, for example by the friction, with a surface of an object, its mechanical resonance changes immediately. Characterized in that the piezoelectric body is arranged resiliently, a resonant displacement takes place exclusively when touching or approaching the object. The resonance shifts in terms of its frequency and its impedance. Thus, a change in the resonant piezoelectric body in frequency and / or impedance can be used for the key.

Der piezoelektrische Körper besteht aus einem Material, welches den piezoelektrischen Effekt zeigt. Die Erzeugung einer spannungsäquivalenten Schwingung beruht auf dem reziproken piezoelektrischen Effekt. Derartige Körper bestehen beispielsweise aus einer bekannten polykristallinen Bleizirkonat-/Bleititanatkeramik oder Bariumtitanat. Je nach Körper und Anordnung der Elektroden sind beispielsweise Dickenschwinger, Rohrschwinger, Längsschwinger oder Biegeschwinger realisier- und einsetzbar.The piezoelectric body is made of a material showing the piezoelectric effect. The generation of a voltage-equivalent oscillation is based on the reciprocal piezoelectric effect. Such bodies consist for example of a known polycrystalline lead zirconate / lead titanate ceramic or barium titanate. Depending on the body and arrangement of the electrodes, for example, thickness oscillators, Pipe vibrator, longitudinal oscillator or bending oscillator can be realized and used.

Durch eine Erhöhung oder Absenkung der mechanischen Schwingamplitude kann die Auflösung weiter erhöht werden, wobei mit Hilfe eines in den Prozess integrierten und eine geringe Rauheit aufweisenden Eichnormals (Spiegel) die Kalibrierung gegeben ist. Damit können Auflösungen auch im Nanometerbereich erreicht werden. In einer ersten Ausführungsform ist die Tasteinrichtung eine Messeinrichtung mit einer Tasteinrichtung, wobei die Steuereinrichtung der Tasteinrichtung ein Bestandteil eines Datenverarbeitungssystems ist. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem mit einem Längenmesssystem zur Strecken- und/oder Entfernungs- und/oder Dickenbestimmung verbunden. Damit ist eine autarke Mess- und Prüfeinrichtung realisiert.By increasing or decreasing the mechanical vibration amplitude, the resolution can be further increased, with the aid of a built-in standard and a low roughness calibration standard (mirror) calibration is given. This resolution can be achieved in the nanometer range. In a first embodiment, the sensing device is a measuring device with a sensing device, wherein the control device of the sensing device is a component of a data processing system. Furthermore, the data processing system is connected to a length measuring system for distance and / or distance and / or thickness determination. Thus, a self-sufficient measuring and testing device is realized.

In einer zweiten Ausführungsform ist die Messeinrichtung mit einer derartigen Tasteinrichtung ein Werkzeug- oder Werkstücktaster für eine Werkzeugmaschine, wobei die Steuereinrichtung der Tasteinrichtung ein Bestandteil der Steuerung der Werkzeugmaschine ist und die Steuereinrichtung und die Steuerung die Bestandteile eines Datenverarbeitungssystems sind.In a second embodiment, the measuring device with such a sensing device is a tool or workpiece probe for a machine tool, wherein the control device of the sensing device is a component of the control of the machine tool and the control device and the controller are the components of a data processing system.

Damit ist eine Werkzeugmesseinrichtung für Werkzeugmaschinen zur Bestimmung von Abmaßen oder des Vorhandenseins des Werkzeugs oder des Werkstücks realisiert.Thus, a tool measuring device for machine tools for determining dimensions or the presence of the tool or the workpiece is realized.

Dazu ist die Tasteinrichtung an eine Werkstückpositioniervorrichtung oder an eine Werkzeugpositioniervorrichtung gekoppelt, die weiterhin mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden sind. Das Datenverarbeitungssystem ist damit ein Maße des Werkzeugs oder des Werkstücks aus den Positionen der Werkstückpositioniervorrichtung oder der Werkzeugpositioniervorrichtung bei Annäherung und/oder Berührung der Tasteinrichtung an das Werkzeug oder das Werkstück ermittelndes Datenverarbeitungssystem.For this purpose, the sensing device is coupled to a workpiece positioning device or to a tool positioning device, which are further connected to the data processing system. The data processing system is thus a measure of the tool or of the workpiece from the positions of the workpiece positioning device or the tool positioning device when approaching and / or touching the sensing device to the tool or workpiece determining data processing system.

Das Datenverarbeitungssystem ist dazu ein Bestandteil einer sogenannten CNC-Maschine, wobei CNC bekannterweise für Computerized Numerical Control steht. Damit eignen sich die Taster günstigerweise zum Einrichten und zur Prozesskontrolle in CNC-gesteuerten Bearbeitungsmaschinen, beispielsweise von CNC-Bearbeitungszentren. Die Tasteinrichtungen wirken dabei vorteilhafterweise mit dem Datenverarbeitungssystem, welches im Zusammenwirken mit den CNC-gesteuerten Bewegungsachsen folgende Aufgaben erfüllt:

– Vermessen der Geometrie der Werkzeuge, beispielsweise nach Länge und Durchmesser, und/oder Feststellung, ob das Werkzeug noch vorhanden ist (Werkzeugbruchkontrolle), auch als Tool-Taster bekannt, und
– Ermittlung der erzielten Geometrie der bearbeiteten Werkstücke, auch als Messtaster oder Werkstückmesstaster bekannt.

The data processing system is part of a so-called CNC machine, where CNC is known for Computerized Numerical Control. Thus, the buttons are conveniently suitable for setting up and for process control in CNC-controlled processing machines, such as CNC machining centers. The sensing devices act advantageously with the data processing system, which fulfills the following tasks in cooperation with the CNC-controlled axes of motion:

- Measuring the geometry of the tools, for example, by length and diameter, and / or determination of whether the tool is still present (tool breakage control), also known as a tool button, and
- Determination of the achieved geometry of the machined workpieces, also known as probe or workpiece probe.

Damit eignen sich diese Tasteinrichtungen zur Verkürzung der Rüst- und Stückzeiten an Werkzeugmaschinen. Gleichzeitig werden eine höchste Prozesssicherheit und Qualität gewährleistet.Thus, these sensing devices are suitable for shortening the setup and piece times on machine tools. At the same time, highest process reliability and quality are guaranteed.

Die Tasteinrichtungen können aber auch zur Kontrolle des Werkzeugzustands während des Arbeitsprozesses eingesetzt werden, beispielsweise zur Werkzeugbruchkontrolle.The sensing devices can also be used to control the state of the tool during the working process, for example, tool breakage control.

Die Tasteinrichtungen zeichnen damit durch

– einen einfachen mechanischen Aufbau,
– eine große Robustheit,
– eine geringere Störanfälligkeit,
– geringe Herstellungskosten,
– eine leichte Reparaturmöglichkeit,
– eine hohe mechanische Auflösung durch Nutzung als aktiver hochfrequenzerregter mechanischer Schwinger und
– eine Signalerzeugung außerhalb des Funkelrauschens

aus.The sensing devices are characterized by it

A simple mechanical construction,
- a great robustness,
A lower susceptibility to interference,
- low production costs,
- easy repair,
A high mechanical resolution by use as an active high frequency excited mechanical oscillator and
- A signal generation outside the flicker noise

out.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the claims 2 to 8.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der piezoelektrische Körper wenigstens bereichsweise in einem aus einem elastischen Material bestehenden Halter als Federelement angeordnet oder ist über wenigstens ein Federelement mit einem Halter verbunden.According to the embodiment of claim 2, the piezoelectric body is arranged at least partially in a holder made of an elastic material as a spring element or is connected via at least one spring element with a holder.

In einer Ausführungsform ist der piezoelektrische Körper wenigstens bereichsweise in einem elastischen Material gehalten, wobei das elastische Material das Federelement ist.In one embodiment, the piezoelectric body is held at least partially in an elastic material, wherein the elastic material is the spring element.

Das Federelement ist in einer zweiten Ausführungsform eine Biegefeder, beispielsweise in Form einer geraden Biegefeder, einer Drehfeder, einer Schraubenfeder oder einer Spiralfeder.The spring element is in a second embodiment, a bending spring, for example in the form of a straight spiral spring, a torsion spring, a coil spring or a coil spring.

Der piezoelektrische Körper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 über einen Spannungsverstärker und einen Generator mit der Steuereinrichtung verbunden, wobei die Steuereinrichtung eine über die Frequenz und/oder Impedanz die Resonanz des piezoelektrischen Körpers bestimmende Steuereinrichtung ist. The piezoelectric body is connected according to the embodiment of claim 3 via a voltage amplifier and a generator to the control device, wherein the control device is a on the frequency and / or impedance, the resonance of the piezoelectric body-determining control device.

Der piezoelektrische Körper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Bestandteil des frequenzabhängigen Rückkopplungsnetzwerks in Verbindung mit einem Verstärker, wobei das Rückkopplungsnetzwerk und der Verstärker ein Oszillator sind, so dass der piezoelektrische Körper der Keramikresonator eines Resonanzoszillators ist.The piezoelectric body according to the embodiment of claim 4 is a component of the frequency-dependent feedback network in conjunction with an amplifier, wherein the feedback network and the amplifier are an oscillator, so that the piezoelectric body is the ceramic resonator of a resonant oscillator.

Der piezoelektrische Körper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Bestandteil einer Wechselstrommessbrücke.The piezoelectric body is according to the embodiment of claim 5 is part of an AC bridge.

Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein Maß für den Abstand zwischen Werkzeug und Tasteinrichtung oder Werkstück und Tasteinrichtung, wobei während der Annäherung bis zur Berührung durch den piezoelektrischen Körper erzeugter und vom Werkzeug oder Werkstück rückgestreuter Schall auf die Tasteinrichtung wirkt.The displacement of the resonant frequency is according to the embodiment of claim 6 is a measure of the distance between the tool and sensing device or workpiece and sensing device, wherein during the approach to the touch generated by the piezoelectric body and backscattered by the tool or workpiece sound acts on the sensing device.

Die Größe der Spannung bestimmt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 die Empfindlichkeit und damit die Messauflösung der Tasteinrichtung, wobei dieser mit der Vergrößerung der Spannung empfindlicher wird.The size of the voltage determined by the embodiment of claim 7, the sensitivity and thus the measurement resolution of the sensing device, which is sensitive to the increase in voltage.

Das Tastelement auf dem piezoelektrischen Körper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine Membran oder ein Tastkörper.The probe element on the piezoelectric body is according to the embodiment of claim 8, a membrane or a Tastkörper.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in principle in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 eine Tasteinrichtung mit einem Halter aus einem elastischen Material, 1 a sensing device with a holder made of an elastic material,

2 eine Tasteinrichtung mit Federelementen als Halter, 2 a sensing device with spring elements as a holder,

3 eine grafische Darstellung einer Änderung der Resonanz eines piezoelektrischen Körpers und 3 a graphical representation of a change in the resonance of a piezoelectric body and

4 eine Werkzeug- und Werkstückmesseinrichtung für Werkzeugmaschinen mit einem Werkzeug- oder Werkstücktaster als Tasteinrichtung mit einem Rohrschwinger. 4 a tool and workpiece measuring device for machine tools with a tool or workpiece probe as a sensing device with a tube oscillator.

Eine Tasteinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem piezoelektrische Körper 1 mit einem Tastelement 2, einem Halter 3 und einer Steuereinrichtung 4.A sensing device consists essentially of a piezoelectric body 1 with a feeler element 2 a holder 3 and a control device 4 ,

Die 1 zeigt eine Tasteinrichtung in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a sensing device in a schematic representation.

Der piezoelektrische Körper 1 ist ein stab- oder plattenförmiger Längsschwinger 1 aus einer Piezokeramik. An einer der Stirnenden des piezoelektrischen Körpers 1 befindet sich das Tastelement 2 in Form einer am Körper 1 befestigten Kugel 2. Die Kugel 2 ist dazu mittels eines bekannten Klebers mit dem Körper 1 verbunden. Ein Bereich des piezoelektrischen Körpers 1 ist in einem aus einem elastischen Material bestehenden Halter 3 angeordnet, der aus einem elastischen Kunststoff besteht. Dieser ist weiterhin direkt oder über Federelemente mit der Innenwandung eines Gehäuses verbunden, so dass eine kompakte Tasteinrichtung realisiert ist. In einer Ausführungsform ist der Halter 3 aus Federelementen 3 in Form von Biegefedern 3 ausgebildet. Diese greifen an den Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers 1 an. Im Allgemeinen ist das bei gleichgestalteten und korrespondierend zueinander angeordneten Elektroden die Mitte des piezoelektrischen Körpers 1.The piezoelectric body 1 is a rod-shaped or plate-shaped longitudinal oscillator 1 from a piezoceramic. At one of the front ends of the piezoelectric body 1 is the feeler element 2 in the form of a body 1 attached ball 2 , The ball 2 is by means of a known adhesive to the body 1 connected. An area of the piezoelectric body 1 is in a holder made of an elastic material 3 arranged, which consists of an elastic plastic. This is further connected directly or via spring elements with the inner wall of a housing, so that a compact sensing device is realized. In one embodiment, the holder 3 from spring elements 3 in the form of bending springs 3 educated. These engage the nodes of the piezoelectric body 1 at. In general, the same design and correspondingly arranged electrodes is the center of the piezoelectric body 1 ,

Die 2 zeigt eine Tasteinrichtung mit Federelementen 3 in Form von Biegefedern 3 als Halter 3 in einer prinzipiellen Darstellung.The 2 shows a sensing device with spring elements 3 in the form of bending springs 3 as a holder 3 in a schematic representation.

Der piezoelektrische Körper 1 besitzt an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden 4, die mit einer elektrischen Quelle 5 für eine Wechselspannung verbunden sind. Dabei kann ein Spannungsverstärker der Quelle 5 nachgeschaltet sein. Diese ist weiterhin ein Bestandteil einer Steuereinrichtung 6 oder ist mit der Steuereinrichtung 6 zusammengeschaltet. Die Größe der Spannung bestimmt die Empfindlichkeit der Tasteinrichtung, wobei dieser mit der Vergrößerung der Spannung empfindlicher wird.The piezoelectric body 1 has electrodes on at least two opposite surfaces 4 that with an electrical source 5 are connected for an AC voltage. In this case, a voltage amplifier of the source 5 be downstream. This is also part of a control device 6 or is with the control device 6 connected together. The magnitude of the voltage determines the sensitivity of the sensing device, which becomes more sensitive to the increase in voltage.

Die Frequenz wird durch den piezoelektrischen Körper 1 mit dem Tastelement 2 bestimmt, der in Resonanz betrieben wird.The frequency is through the piezoelectric body 1 with the probe element 2 determined, which is operated in resonance.

Bei Berührung des Tastelements 2 mit dem Werkzeug 7 oder dem Werkstück verschiebt sich die Resonanz des das Tastelement 2 aufweisenden piezoelektrischen Körpers 1 hinsichtlich der Frequenz f und der Impedanz Z.When touching the probe element 2 with the tool 7 or the workpiece shifts the resonance of the probe element 2 having piezoelectric body 1 in terms of the frequency f and the impedance Z.

Die 3 zeigt dazu eine grafische Darstellung einer Änderung der Resonanz eines piezoelektrischen Körpers 1 in einer prinzipiellen Darstellung.The 3 shows a graphical representation of a change in the resonance of a piezoelectric body 1 in a schematic representation.

Wird der piezoelektrische Körper 1 mechanisch beispielsweise durch die Friktion eines seiner mit dem Tastelement 2 versehenem Ende mit einer Oberfläche eines Gegenstandes belastet, ändert sich sofort seine mechanische Resonanz von I keine Berührung zu II Berührung.Becomes the piezoelectric body 1 mechanically, for example by the friction of one of his with the probe element 2 loaded with a surface of an object, its mechanical resonance immediately changes from I no contact to II contact.

Mit der Erfassung der Resonanz ist die Berührung und daraus in Verbindung mit einer Längenmesssystem die Position einfach und präzise ermittelbar. Das erfolgt über die Frequenz und/oder die Impedanz des piezoelektrischen Körpers. In einer weiteren Ausführungsform ist der piezoelektrische Körper 1 ein Bestandteil des frequenzabhängigen Rückkopplungsnetzwerks in Verbindung mit einem Verstärker, wobei das Rückkopplungsnetzwerk und der Verstärker ein Oszillator sind. Damit ist der piezoelektrische Körper 1 der Keramikresonator eines Resonanzoszillators.With the detection of the resonance, the contact and, in conjunction with a length measuring system, the position can be determined simply and precisely. This is done via the frequency and / or the impedance of the piezoelectric body. In another embodiment, the piezoelectric body is 1 a component of the frequency-dependent feedback network in conjunction with an amplifier, wherein the feedback network and the amplifier are an oscillator. This is the piezoelectric body 1 the ceramic resonator of a resonant oscillator.

In einer weiteren Ausführungsform ist der piezoelektrische Körper 1 ein Bestandteil einer Wechselstrommessbrücke, beispielsweise in Form einer Impedanzmessbrücke oder einer Frequenzmessbrücke.In another embodiment, the piezoelectric body is 1 a component of an alternating current measuring bridge, for example in the form of an impedance measuring bridge or a frequency measuring bridge.

Im einfachsten Fall ist die Änderung der Frequenz die Berührung mit dem Gegenstand. In diesem Zusammenhang kann ein Normal zur Feststellung der Frequenzänderung eingesetzt werden. Dieses Normal sollte eine weitestgehend ebene Oberfläche aufweisen. Das ist insbesondere bei verspiegelten Oberflächen der Fall.In the simplest case, the change in frequency is the contact with the object. In this context, a normal can be used to determine the frequency change. This normal should have a largely flat surface. This is the case in particular with mirrored surfaces.

Die Größe der Spannung bestimmt die Empfindlichkeit des Tasters, wobei dieser mit der Vergrößerung der Spannung empfindlicher wird. Die dazu notwendige Spannung wird mit einem bekannten Spannungsverstärker erzeugt, wobei Spannungen auch über 100 V zur Anwendung kommen.The magnitude of the voltage determines the sensitivity of the probe, which becomes more sensitive to the increase in voltage. The voltage required for this purpose is generated by a known voltage amplifier, whereby voltages above 100 V are also used.

Die mit dem piezoelektrischen Körper 1 verbundene Steuereinrichtung 6 der Tasteinrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform ein Bestandteil eines Datenverarbeitungssystems, welches weiterhin mit einem Längenmesssystem zur Strecken- und/oder Entfernungs- und/oder Dickenbestimmung verbunden ist. Damit ist bei einer Frequenzänderung eine bestimmte Position zuordenbar. Dazu werden Längen und Abmessungen der Gegenstände durch Vergleich mit einem Längenstandard bestimmt. Als Maßverkörperungen können dafür bekannte Strichmaßstäbe, Messspindeln, Parallelendmaße sowie inkrementale und absolut kodierte Maßstäbe verwendet werden.The with the piezoelectric body 1 connected control device 6 The sensing device is in a further embodiment, a component of a data processing system, which is further connected to a length measuring system for distance and / or distance and / or thickness determination. Thus, a certain position can be assigned to a frequency change. For this purpose, lengths and dimensions of the objects are determined by comparison with a length standard. As graduated measure known line scales, measuring spindles, gauge blocks and incremental and absolutely coded scales can be used.

Die 4 zeigt dazu eine Werkzeug- und Werkstückmesseinrichtung für Werkzeugmaschinen mit einem Werkzeug- oder Werkstücktaster als Tasteeinrichtung mit einem Rohrschwinger in einer prinzipiellen Darstellung.The 4 shows a tool and workpiece measuring device for machine tools with a tool or workpiece probe as a button device with a tube oscillator in a schematic representation.

In einer weiteren Ausführungsform weist eine Werkzeug- und Werkstückmesseinrichtung für Werkzeugmaschinen eine Tasteinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung 6 dieser Tasteinrichtung ein Bestandteil der Steuerung der Werkzeugmaschine ist.In a further embodiment, a tool and workpiece measuring device for machine tools has a sensing device, wherein the control device 6 This sensing device is part of the control of the machine tool.

Die Steuereinrichtung 6 und die Steuerung 9 sind dabei die Bestandteile eines Datenverarbeitungssystems 11. Weiterhin ist die Tasteinrichtung an eine Werkstückpositioniervorrichtung oder an eine Werkzeugpositioniervorrichtung gekoppelt, die darüber hinaus mit dem Datenverarbeitungssystem 11 verbunden sind. Die jeweiligen Positioniervorrichtungen sind in der Steuerung 9 realisiert. Das Datenverarbeitungssystem 11 ist damit ein Maße des Werkzeugs 7 oder des Werkstücks aus den Positionen der Werkstückpositioniervorrichtung oder der Werkzeugpositioniervorrichtung bei Annäherung und/oder Berührung der Tasteinrichtung an das Werkzeug 7 oder das Werkstück ermittelndes Datenverarbeitungssystem 11. Gleichzeitig ist eine Einrichtung 10 zur Achspositionierung des Werkszeugs 7 im Datenverarbeitungssystem 11 realisiert. Die Positionen können dabei mittels einer Messscheibe 8 ermittelt werden.The control device 6 and the controller 9 are the components of a data processing system 11 , Furthermore, the sensing device is coupled to a workpiece positioning device or to a tool positioning device, which in addition to the data processing system 11 are connected. The respective positioning devices are in control 9 realized. The data processing system 11 is thus a measure of the tool 7 or the workpiece from the positions of the workpiece positioning device or the tool positioning device when approaching and / or touching the sensing device to the tool 7 or the workpiece determining data processing system 11 , At the same time is a facility 10 for axis positioning of the tool 7 in the data processing system 11 realized. The positions can be measured using a measuring disk 8th be determined.

Bei weiteren Ausführungsformen ist die Verschiebung der Resonanzfrequenz ein Maß für den Abstand zwischen Werkzeug 7 und Tasteinrichtung oder Werkstück und Tasteinrichtung, wobei während der Annäherung bis zur Berührung durch den piezoelektrischen Körper 1 erzeugter und vom Werkzeug 7 oder Werkstück rückgestreuter Schall auf die Tasteinrichtung wirkt.In further embodiments, the displacement of the resonant frequency is a measure of the distance between tools 7 and sensing means or workpiece and sensing means, wherein during the approach to contact by the piezoelectric body 1 generated and from the tool 7 or workpiece backscattered sound acts on the sensing device.

Claims

Sensing device, wherein at least one piezoelectric and by means of a connection to a voltage source in resonance driven body ( 1 ) is a probe element or a probe element ( 2 ) and the piezoelectric body ( 1 ) with a displacement of the resonance when approaching or touching the tool ( 7 ) or workpiece detecting control device ( 6 ), characterized in that the piezoelectric body ( 1 ) at least partially in a holder made of an elastic material ( 3 ) is arranged as a spring element.

Sensing device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric body ( 1 ) via a voltage amplifier and a generator with the control device ( 6 ) and that the control device ( 6 ) via the frequency and / or impedance the resonance of the piezoelectric body ( 1 ) determining control device ( 6 ).

Sensing device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric body ( 1 ) is a component of the frequency-dependent feedback network in conjunction with an amplifier, wherein the feedback network and the amplifier are an oscillator, so that the piezoelectric body ( 1 ) is the ceramic resonator of a resonant oscillator.

Sensing device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric body ( 1 ) is a component of an alternating current measuring bridge.

Sensing device according to Patent Claim 1, characterized in that the displacement of the resonance frequency is a measure of the distance between the tool ( 7 ) and sensing device or workpiece and sensing device, wherein during the approach to contact by the piezoelectric body ( 1 ) and from the tool ( 7 ) or workpiece backscattered sound acts on the sensing device.

Sensing device according to claim 1, characterized in that the magnitude of the voltage determines the sensitivity of the sensing device, which becomes more sensitive to the increase in voltage.

Sensing device according to claim 1, characterized in that the feeler element ( 2 ) on the piezoelectric body ( 1 ) a membrane or a probe body ( 2 ).

Measuring device with a sensing device according to claim 1, characterized in that the control device ( 6 ) of the sensing device is a component of a data processing system, that the data processing system is connected to a length measuring system for distance and / or distance and / or thickness determination.

Measuring device with a sensing device according to claim 1, characterized in that the sensing device is a tool or workpiece probe for a machine tool that the control device ( 6 ) of the sensing device is a component of the control ( 9 ) of the machine tool, wherein the control device ( 6 ) and the controller ( 9 ) the components of a data processing system ( 11 ), that the sensing device is coupled to a workpiece positioning device or to a tool positioning device that the workpiece positioning device or the tool positioning device with the data processing system ( 11 ) and that the data processing system ( 11 ) a dimension of the tool ( 7 ) or the workpiece from the positions of the workpiece positioning device or the tool positioning device when approaching and / or touching the sensing device to the tool ( 7 ) or the workpiece determining data processing system ( 11 ).