DE2019895A1

DE2019895A1 - Probe head for dynamic measurement of spatial contours

Info

Publication number: DE2019895A1
Application number: DE19702019895
Authority: DE
Inventors: Heinrich Prof Dr-Ing Frohne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-04-24
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1971-11-04

Description

Tastkopf zur dynamischen Hessung räumlicher Konturen Die Erfindung betrifft einen Tastkopf zur dynamischen Messung räumlicher Koordinaten, z.B. mit einer Koordinatenmeßmaschine oder einem Lehrenbohrwerk. Probe head for dynamic measurement of spatial contours The invention relates to a probe head for the dynamic measurement of spatial coordinates, e.g. with a coordinate measuring machine or a jig boring machine.

Bei derartigen Meßmaschinen wird die zu messende Kontur durch Berührung eines in der Meßmaschine eingespannten Tasters erfaßt und die dabei gemessenen Koordinaten werden angezeigt. Dabei sollten im Augenblick der Messung möglichst keine Beschleunigungen in den bewegten Teilen der Meßmaschine auftreten.In such measuring machines, the contour to be measured is touched a probe clamped in the measuring machine and the coordinates measured are shown. There should be no accelerations at the moment of the measurement occur in the moving parts of the measuring machine.

Es sind Taster für Meßmaschinen bekannt, mit denen die Meßkontur im Stillstand der Meßmaschine erfaßt wird. Solche Taster sind z.B.There are buttons for measuring machines known with which the measuring contour in Standstill of the measuring machine is detected. Such buttons are e.g.

starre Konusse, die in die Meßmaschine eingespannt den Mittelpunkt einer. Bohrung erfassen, oder starre Kugelköpfe, die in die Meßmaschine eingespannt die an ihrer Oberfläche anliegende Kontur erfassen. Es liegt in der Natur solcher starren Meßköpfe, daß sie sozusagen formschlussig mit der Meßkontur in Verbindung gebracht werden mUssen, d.h. beim Anfahren an die Meßkontur muß die Meßmaschine in ihrem Bewegungsvorgang abgebremst werden. Infolge der dabei auftretenden Beschleunigungen entstehen unvermeidlich elastische Auslenkungen in den Meßarmen und Lagerungen, die das Meßergebnis verfälschen> Diese Verfälschungen können ausgeschlossen werden, wenn zWischen dem Anfahren des tasters an die Meßkontur und dem Erfassen der dieser Kontur entsprechenden Meßwerte eine so lange Zeit liegt, daß die durch die Beschleunigungskräfte hervorgerufenen Schwigungen innerhalb der Meßmaschine zur Ruhe kommen, d.h.rigid cones, which are clamped in the measuring machine at the center one. Capture bore, or rigid ball heads clamped into the measuring machine capture the contour lying on its surface. It is in the nature of such rigid measuring heads so that they are positively connected to the measuring contour, so to speak must be brought, i.e. when approaching the measuring contour, the measuring machine must are slowed down in their movement process. As a result of the accelerations that occur elastic deflections inevitably arise in the measuring arms and bearings, which falsify the measurement result> These falsifications can be excluded, if between approaching the probe to the measuring contour and detecting it The measured values corresponding to the contour lie for such a long time that the acceleration forces caused oscillations within the measuring machine come to rest, i.e.

der Meßvorgßng dauert lange und ist bei manuell geführten Meßköpfen cubitktiven Einflüssen unterworfen.the measuring process takes a long time and is with manually guided measuring heads subject to cubitive influences.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster zu entwickeln, der es erlaubt, eine Kontur zu messen, ohne dabei die Meßmaschine abzubremsen.The invention is based on the object of developing a button the it allows a contour to be measured without slowing down the measuring machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die Meßkontur berührende Teil des Tasters beweglich mit den FUhrungselementen,#.B. einer Koordinatenmeßmaschine,verbunden ist derart, daß er beim Heranfahren an die Meßkontur (Meßpunkt) durch diese angehalten wird, ohne dabei den Bewegungsablauf der FGhrungselemente zu beeinflussen, und daß infolge der Weiterbewegung der Führungselemente an einem gegenüber den Führungselementen definierten Punkt (Meßpunkt) ein Impuls ausgelöst wird, der die diesem Punkt entsprechenden Koordinatenmeßwerte erfaßt.According to the invention, this object is achieved in that the measuring contour Touching part of the button can be moved with the guide elements, #. B. a coordinate measuring machine connected is such that it is stopped when approaching the measuring contour (measuring point) without affecting the movement of the FGuehrelemente, and that as a result of the further movement of the guide elements on one opposite the guide elements defined point (measuring point) a pulse is triggered that corresponds to this point Coordinate measured values recorded.

Eine im Hinblick auf die Herstellung und den meßtechnischen Einsatz günstige Ausfuehrung eines solchen Tastkopfes besteht darin, daß der eigentliche Taster z.B. durch eine kugelförmige Lagerung in jeder Richtung ~einer Ebene beweglich ist und daß der den Meßpunkt kennzeichnende Impuls aus einer Kapazitäts- oder Induktivitätsänderung abgeleitet wird, bei der sich infolge einer rotationssymmetrischen Formgebung der Kapazität oder Induktivität in jeder Richtung der Ebene bei gleicher Auslenkung des Tasters der gleiche Indu,c'tivitäts- bzw. Kapazitätswert einstellt.One with regard to production and metrological use favorable execution of such a probe head is that the actual For example, the button can be moved in any direction ~ a plane due to a spherical bearing and that the pulse characterizing the measuring point is from a change in capacitance or inductance is derived, in which due to a rotationally symmetrical shape of the Capacitance or inductance in any direction of the plane with the same deflection of the button sets the same inductivity or capacitance value.

Bei der dymanischen Messung von drei Koordinaten könnten bei der Auslösung des den Meßpunkt kennzeichnenden Impulses 2.Koordinatenwerte wie vorstehend beschrieben direkt erfaßt werden, während der Meßwert der 3. Koordinate aus der Summe des auf die FUhrungselemente bezogenen Meßwertes dieser Koordinate und der im Taster erfaßten Abweichung zwischen diesem und dem Meßpunkt ermittelt werden.In the dynamic measurement of three coordinates, the triggering of the pulse characterizing the measuring point 2. Coordinate values as described above can be recorded directly, while the measured value of the 3rd coordinate is derived from the sum of the the guide element-related measured value of this coordinate and that recorded in the probe Deviation between this and the measuring point can be determined.

Wird der Impuls aus einer dem Bewegungsvorgang entsprechenden Induktivitäts- oder Kapazitätsänderung abgeleitet, so entstehen durch diese änderung Spannungen bzw. Ströme, die die Impulsauslösung abhängig von der Bewegunflsgeschwindigkeit beeinflussen könnten. Damit die durch den Bewegungsvorgang bedingten Kapazitäts-bzw. Ind#ktivitätsänderungen die Messung nicht beeinflussen, kann z. B. die Meßbrücke, in der diese Induktivitäten bzw. Kapazitäten gemessen werden, mit einer festen Hochfrequenz gespeist werden und die Nullspannung über ein auf diese Frequenz abgestimmtes Filter selektiv gemessen werden.If the impulse comes from an inductance corresponding to the movement or a change in capacitance, then this change creates voltages or currents that trigger the impulse depending on the speed of movement could influence. So that the capacity or capacity caused by the movement process. Changes in inductivity do not affect the measurement. B. the measuring bridge, in which these inductances or capacitances are measured, with a fixed high frequency be fed and the zero voltage over one on this frequency matched filter can be measured selectively.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in Fig. 1 and is described in more detail below.

Der Meßkopf wird mit dem Einspannkonus oder Einspannschaft (1) so mit der Maschine verbunden, daß sich die von der Meßmaschine erfaßte Messung in den X- und Y-Koordinaten auf die Bezugslinie (2) und die der Y-Koordinate auf die Bezugslinie (3) bezieht.The measuring head with the clamping cone or clamping shank (1) is like this connected to the machine that the measurement recorded by the measuring machine is in the X and Y coordinates on the reference line (2) and those of the Y coordinate on the Reference line (3) relates.

Fest mit dem Schaft verbunden sind eine in der Mitte teilbare Haltekugel.(4) und (5) und eine runde Ferritscheibe (6). Der eigentliche Meßfühler (7) ist über eine Kugel (8) in der Haltekugel bes weglich gelagert, wird aber über entsprechend angeordnete Federelemente in der auf der Abb. 1 dargestellten Mittellage gehalten.A retaining ball that can be divided in the middle is firmly connected to the shaft. (4) and (5) and a round ferrite disc (6). The actual probe (7) is over a ball (8) in the retaining ball bes movably stored, but is about accordingly arranged spring elements held in the central position shown in Fig. 1.

Ein Ferritring (9) mit u-förmigem Querschnitt und einer in der Nut angeordneten Spule (10) ist fest mit dem Meßfühler (7) verbunden.A ferrite ring (9) with a U-shaped cross-section and one in the groove arranged coil (10) is firmly connected to the sensor (7).

Im Schaft des Meßtasters (7) ist axial beweglich der Taststift (li) für die Messungen in der Y-Koordinate angeordnet, der über eine Feder in der in Abb. 1 dargestellten Ruhelage gehalten wird, Mit ihm fest verbunden ist der Ringkern (12), der sich somit axial gegenüber der fest mit der Kugel (8) verbundenen Ferritspule (13) bewegen kann.The stylus (left) in the shaft of the probe (7) can move axially for the measurements arranged in the Y-coordinate, which is via a spring in the in Fig. 1 shown rest position is held, with it is firmly connected to the toroidal core (12), which is thus axially opposite the ferrite coil firmly connected to the ball (8) (13) can move.

Bei Messungen der X- und Z-Koordinaten fährt man mit der Schneide (14) der Meßscheibe des FUhlers an die zu messende Kontur, so daß der Meßfühler, wie in Abb. 2 dargestellt, ausgelenkt wird.When measuring the X and Z coordinates, you move the cutting edge (14) the measuring disk of the sensor to the contour to be measured so that the sensor, as shown in Fig. 2, is deflected.

Dadurch wird die Ferritscheibe (6) aus der Ebene des Ferritringes (9) gekippt,.wodurch sich die Induktivität der Spule (10) ändert. Die Induktivität, die der in Abb. 2 skizzierten Lage entspricht, entspricht den Abgleichbedingungen einer Meßbrücke, d.h.This moves the ferrite disk (6) out of the plane of the ferrite ring (9) tilted, which changes the inductance of the coil (10). The inductance, which corresponds to the position sketched in Fig. 2 corresponds to the adjustment conditions a measuring bridge, i.e.

genau in der gezeichneten Lage wird die Spannung im O-Zweig einer Brücke zu 0. Damit läßt sich z.B. über einen 0-Verstärker, der in den O-Zweig der Brücke eingeschaltet ist, ein Signal gewinnen, welches die Speicherung der von der Meßmaschine in den Z- und X-Koordinaten ermittelten Meßwerte erwirkt. Da diese Meßwerte sich auf die Mittellinie (2) beziehen, also auf die Linie, in der sich zur Zeit des Brückenabgleiches auch die Schneide (14) der Meßscheibe befindet, entsprechen die gespeicherten Meßwerte der zu messenden Kontur. Damit die durch den Bewegungsvorgang bedingte Induktionsspannung, die durch die Induktivitätsänderung hervorgerufen wird, den Nulldurchgang der Brückenspannung nicht beeinflußt, wird die Brücke mit einer festen Hochfrequenz gespeist und die O-Spannung über ein auf diese Frequenz abgestimmtes Filter selektiv gemessen.exactly in the position shown the tension in the O-branch becomes a Bridge to 0. This allows e.g. Bridge is switched on, a signal that the storage of the gain from the Measuring machine in the Z and X coordinates obtained measured values. Because these readings themselves refer to the center line (2), i.e. the line in which at the time of the bridge adjustment the cutting edge (14) of the measuring disc is also located, correspond to the stored measured values the contour to be measured. So that the induction voltage caused by the movement process, caused by the change in inductance, the zero crossing of the bridge voltage is not affected, the bridge is fed with a fixed high frequency and the O voltage measured selectively via a filter tuned to this frequency.

Durch die Anordnung einer zweiten Ferritspule innerhalb des Meßkopfes kann auch eine Temperaturkompensation der Brücke erreicht werden. Durch die rotationssymmetrische Form der Ferritkerne (6) (9) wird erreicht, daß bei einer Auslenkung in beliebiger Richtung immer dann, wenn die Schneide (14) die Bezugslinie (2) erreicht, die Spule (10) die gleiche Induktivität hat, d.h. unabhängig von der Richtung, mit der der Taster die zu messende Kontur anfährt, wird genau in dem Augenblick, in dem die Bezugslinie (2)die Meßkontur erreicht hat, der Impuls zum Speichern der Meßwerte abgegeben.By arranging a second ferrite coil inside the measuring head temperature compensation of the bridge can also be achieved. Due to the rotationally symmetrical Shape of the ferrite cores (6) (9) is achieved that with a deflection in any Direction whenever the cutting edge (14) reaches the reference line (2), the bobbin (10) has the same inductance, i.e. regardless of the direction in which the Probe approaches the contour to be measured is exactly at the moment in which the Reference line (2) has reached the measuring contour, the impulse for storing the measured values submitted.

Ähnlich verläuft die Messung der Y-Koordinate. Fährt der Taster mit seiner Spitze auf eine Planfläche, so wird der Taststift (11) axial in Richtung der Kugel verschoben. Erreicht die Spitze (15) die Bezugslinie(3)- das ist die Bezugslinie, auf die sich die Meßwerte der Y-Achse beziehen -, so entspricht die dieser Stellung entsprechende Induktivität der Ferritspule (13) den Abgleichbedingungen einer Brücke. Auch hier löst dann ein entsprechendes Signal das Speichern des Meßwertes in der Y-Koordinate aus.The measurement of the Y coordinate is similar. If the button moves with it its tip on a flat surface, the stylus (11) is axially in the direction the ball moved. If the tip (15) reaches the reference line (3) - this is the reference line, to which the measured values of the Y-axis relate - this corresponds to this position Corresponding inductance of the ferrite coil (13) to the balancing conditions of a bridge. Here, too, a corresponding signal triggers the storage of the measured value in the Y coordinate.

Eine der Auslenkung des Titers proportionale Induktivitätsänderung läßt sich auch mit einer in Abb. 3 schematisch skizzierten Anordnung erreichen. Bei dieser wird der Kern (1) einer Ferritspule (2) bei der Auslenkung exentrisch verlagert. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der in Abb. 1 dargestellten liegt darin, daß man in der Auslöse lage eine größere Induktivitätsänderung und damit einen steileren O-Durchgang der Brückenspannung erreichen kann. Das ist aber nur dann der Fall, wenn die Auslöselage einer Exentrizität entspricht, bei der der Kern (1) den Ring (2) nahezu berührt. Das bedeutet allerdings, daß man hinsichtlich des Überfahrens der Meßkontur einen kleineren Bewegungsspielraum hat als bei einer Ausführung des Meßkopfes entsprechend Abb. 1. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß man die Meßinduktivität nicht im Zentrum der Kugel unterzubringen braucht, was Konstruktionen, ähnlich wie in Abb. 4 dargestellt, erlaubt.A change in inductance proportional to the deflection of the titer can also be achieved with an arrangement schematically sketched in Fig. 3. In this case, the core (1) of a ferrite coil (2) becomes eccentric when it is deflected relocated. The advantage of this arrangement over that shown in Fig. 1 is in the fact that one in the tripping position has a greater change in inductance and thus can achieve a steeper O-passage of the bridge voltage. But that's only then the case when the trigger position corresponds to an eccentricity, in which the core (1) almost touches the ring (2). However, that means that one has a smaller room for maneuver in terms of traversing the measuring contour than with an embodiment of the measuring head according to Fig. 1. The advantage of such The arrangement is that the measuring inductance cannot be accommodated in the center of the sphere needs what constructions, similar to that shown in Fig. 4, allow.

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen, die sich beispielhaft auf sich ändernde Induktivitäten beziehen, sind selbstverständlich auch auf der Basis einer Kapazitätsänderung möglich. Es können dabei Anordnungen gewählt werden, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind wie die Induktivität der in Abb.1-4 dargestellten Anordnungen. Der Einfluß des Luftzustandes auf die Kapazitätswerte kann durch Anordnung einer 2. Kapazität im Meßkopf selbst kompensiert werden. Zur Steigerung der elektrischen Empfindlichkeit können auch Anordnungen nach dem Differentialprinzip ausgeführt werden (Abb. 4).The arrangements described above, which are exemplary Changing inductances are of course also based on a change in capacity is possible. It can be selected arrangements that are constructed according to the same principle as the inductance of those shown in Fig.1-4 Arrangements. The influence of the air condition on the capacitance values can be determined by arrangement a 2nd capacitance in the measuring head itself can be compensated. To increase the electrical Sensitivity arrangements can also be carried out according to the differential principle (Fig. 4).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Messung im Bewegungsvorgang, d.h. dynamisch,erfolgt. Dadurch läßt sich der eigentliche Meßvorgang weitgehend rationalisieren, und es können die das Meßergebnis störenden subjektiven Einflüsse ausgeschaltet werden.The advantages achieved with the invention are in particular: that the measurement takes place during the movement process, i.e. dynamically. This allows the The actual measurement process can be largely rationalized, and the measurement result can be achieved disturbing subjective influences are eliminated.

Claims

1. Probe head for measuring spatial coordinates, e.g. with a coordinate measuring machine, characterized in that the part of the probe which touches the measuring contour is movable is connected to the guide elements, e.g. a coordinate measuring machine, in such a way that that it is stopped by this when approaching the measuring contour (measuring point) without influencing the sequence of movements of the guide elements and that as a result the further movement of the guide elements on one opposite the guide elements defined point (measuring point) a pulse is triggered that corresponds to this point Coordinate measured values recorded.

2. Probe head according to claim ts, in which the probe, for example, by a spherical Storage is movable in every direction of a plane, characterized in that the impulse characterizing the measuring point from a change in capacitance or inductivity is derived, in which due to a rotationally symmetrical shape of the Capacitance & t or inductance in each direction of the plane with the same deflection of the button sets the same inductance or capacitance value.

3. Probe according to claim 1 and 2, characterized in that at 2 coordinate values corresponding to the triggering of the pulse characterizing the measuring point 2 can be recorded directly, while the measured value of the 3 coordinate is derived from the sum of the the guide elements-related measured value of this coordinate and that recorded in the probe Deviation between this and the measuring point can be determined.

4. Probe head according to claim 1 to 3, characterized in that the Changes in capacitance or inductance caused by the movement process Do not influence the measurement e.g. by the fact that the measuring bridge in which these inductances or capacities are measured, fed with a fixed high frequency and the zero voltage is selectively measured using a filter tuned to this frequency will.

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