DE2927525C2 - Meßkopf für Meßmaschinen - Google Patents

Meßkopf für Meßmaschinen

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    • G01B7/012Contact-making feeler heads therefor

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf für Meßmaschi» nen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bei Längenmeßmaschinen bereits bekannt (z. B. DE-AS 23 47 633, DE-AS 23 65 984, DE-AS 26 44 027, US-PS 40 78 314), den relativ zu einem zu vermessenden Werkstück verschiebbaren Meßkopf der Maschine mit einer auswechselbaren, d. h. lösbar am Meßkopf befestigbaren Tasteinrichtung auszustatten. Die Auswechselbarkeit der Tasteinrichtung ist notwendig, um für verschiedene Meßaufgaben dem jeweiligen Zweck speziell angepaßte verschiedene Tasteinrichtungen einsetzen zu können. Dabei ist die meßkopfseitige Auswerteschaltung mit der tasteinrichtungsseitigen Schaltung über Anschlußdrähte und mechanische elektrische Kontakte, also galvanisch verbunden, z. B. durch Kabel mit einer Steckverbindung (US-PS 40 78 314).
Um die Tasteinrichtung schnell auswechseln zu können, kann die Befestigung und das Lösen der
ίο Tasteinrichtung am bzw. vom Meßkopf mittels eines automatischen Werkzeugwechselmechanismus erfolgen. Dabei stellt sich aber das Problem, daß mechanische elektrische Kontakte in der normalerweise verhältnismäßig schmutzigen Werkstattumgebung
!5 schnell verschmutzen und daher ihre Funktion unzulässig wird.
Ein älterer, jedoch nachveröffentlichter Vorschlag (US-PS 41 45 816) sieht zur Vermeidung mechanischer elektrischer Kontakte eine induktive Signalkopplung von einer tasteinrichtungsseitigen Schaltung zu einer meßkopfseitigen Auswerteschaltung vor. Dabei findet ein in der Tasteinrichtung untergebrachter batteriebetriebener Oszillator Anwendung. Jedoch ist es oftmals unzweckmäßig und umständlich, den Ladezustand der Batterien ständig überwachen und erschöpfte Batterien jeweils austauschen zu müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welchsm ohne Verwendung mechanischer
jo elektrischer Kontakte eine sichere Signalübertragung von der tasteinrichtungsseitigen Schaltung auf die meßkopfseitige Auswerteschaltung gewährleistet ist, wobei aber auch keine Batteriestromversorgung eines Schaltungsteils notwendig sein soll.
Diese Aufgabe wird bei einem Meßkopf der in Rede stehenden Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.
Das bei dem erfindungsgemäßen Meßkopf angewandte schaltungstechnische Prinzip, mittels eines oszillatorgesteuerten Schwingkreises den elektrischen Zustand eines damit reaktiv gekoppelten Schaltkreises zu überwachen, ist als solches bereits an sich bekannt (DE-AS 24 03 402), nämlich im Zusammenhang mit der
Überwachung einer Leitungsverbindung zwischen einem Meßwertgeber und einer Meßschaltung auf möglicherweise austretende Leitungsunterbrechungen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines Meßkopfes einer Meßmaschine mit einer Einrichtung nach der Erfindung,
Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie H-Il in Fig. 1,
Fig.3 eine Teilansicht in Richtung des Pfeiles III in F i g. 2,
F i g. 4 ein Blockschaltbild der Einrichtung nach der Erfindung,
F i g. 5 ein die Funktion der Schaltung nach F i g. 4 erläuterndes Signal-Zeit-Diagramm, und
F i g. 6 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit einem Maschinenkopf 10, an welchem wahlweise jeweils eines aus einer gegebenen Anzahl von Werkzeugen zur Bearbeitung
eines Werkstückes 11 anbringbar ist Die Werkzeuge befinden sich in einem Magazin und können jeweils mittels eines nicht dargestellten, an sich bekannten automatischen Werkzeugwechselmechanismus am Maschinenkopf montiert bzw. von diesem demontiert werden. Nach Abschluß der Bearbeitung oder in irgendeinem geeigneten Zwischenstadium wird statt eines Bearbeitungswerkzeuges ein Tastkopf 12 zur Vermessung des Werkstücks am Maschinenkopf angebracht
Der Tastkopf weist einen Taster 15 mit einer kugelförmigen Tastspitze 16 zum Antasten des Werkstücks 11 auf. An seinem von der Tastspitze 16 abgewandten Ende weist der Taster 15 drei Radialarme 18 auf, mit denen er im Tastkopfgehäuse 14 auf elektrischen Kontaktpaaren 17 gelagert ist. Diese Kontakte 17 und eine Induktionsspule 20 sind in einem primären elektrischen Kreis t9 in Reihe geschaltet, der den hinsichtlich seines elektrischen Zustands zu überwachenden elektrischen Kreis darstell'. Die Spule 20 stellt die Sekundärspule einer induktiven Kopplungsanordnung 23 dar.
Die Kontaktpaare 17 bilden, wie schon gesagt, die Lagerung des Tasters und bestimmen dessen Nullstellung, in welcher jedes Kontaktpaar 17 durch den zugeordneten Radialarm 18 des Tasters überbrückt und demzufolge der elektrische Kreis 19 geschlossen ist. Wenn im Zuge eines Meßvorgangs der Maschinenkopf 10 verschoben wird, um den Taster in Berührung mit dem Werkstück zu bringen, wird der Taster beim Antasten des Werkstücks aus seiner Nullstellung ausgelenkt und dabei wird mindestens einer der Radialarme des Tasters von mindestens einem der beiden Kontakte des zugehörigen Kontaktpaars 17 abgehoben. Dadurch wird der elektrische Kreis mit Ausnahme eines zur Spule 20 parallelgeschalteten, einen Kondensator 22 enthaltenden Zweiges geöffnet. Diese öffnung der Kreises 19 zeigt an, daß der Tastkopf eine bestimmte Position relativ zum Werkstück, nämlich die Antastposition, erreicht hat.
Die Spule 20 ist in einem Gehäuseansatz 21 des Tastkopfgehäuses 14 angeordnet, der einem mit geringem Abstand davon angeordneten, am Maschinenkopf angebrachter; Gehäuse 2 zugewandt ist, welch letzteres eine Überwachungsschaltung 26 zur Überwachung des elektrischen Zustands des primären Kreises 19, d. h. dessen geöffneten oder geschlossenen Zustands, enthält. Der Gehäusear.iitz 21 des Tastkopfgehäuses 14 und das Gehäuse 25 sind durch einen schmalen Spalt von beispielsweise etwa 3 mm voneinander getrennt, der zur Vermeidung einer gegenseitigen Berührung beim Anbringen des Tastkopfes am Maschinenkopf wünschenswert isi. Der Tastkopf selbst ist mittels eines Konus 33, eines Keiles 33Λ und einer motorgetriebenen Schraubspindel 34 am Maschinenkopf gehaltert. Der Keil 33/4 stellt die Fluchtung zwischen dem Gehäuseansatz 21 und dem Gehäuse 25 sicher.
Die Überwachungsschaltung 26 weist gemäß F i g. 4 einen Oszillator 27 auf, der im wesentlichen aus einer ungeraden Anzahl, im vorliegenden Fall aus drei digitalen Wechselrichtern 28A 285 und 28Cbesteht, die in einem sekundären elektrischen Kreis 29 in Reihe geschaltet sind und wobei der Ausgang des letzten Wechselrichters 28C mit dem Eingang des ersten Wechselrichters 28/4 verbunden ist. Dies bewirkt eine Schwingung des Stromflusses im sekundären Kreis 29 in Form einer Rechteckwelle 29/4, die in F i g. 5 gezeigt ist. Die Schwingungsparam !ir, d. h. Frequenz, Amplitude und Phasenlage dieser Rechteckschwingungen werden durch die Impedanz des Kreises 29 bestimmt Diese Impedanz wird in erster Linie durch bestimmte Schaltungselemente festgelegt, zu denen eine Induktionsspule 30 gehört, welche die Primärspule der Kopplungsanordnung 23 bildet.
Die beiden Spulen 20 und 30 sind so nahe beieinander angeordnet daß gegenseitige Induktion zwischen ihnen vorhanden ist Demzufolge werden die Schwingungen
in im sekundären Kreis 29 durch Induktion auf den primären Kreis 19 übertragen und erzeugen in diesem sekundäre Schwingungen, und die den primären Schwingungen 2SA entgegenstehende Impedanz wird durch die induktive Beeinflussung der beiden Kreise 19 und 29 bestimmt, die davon abhängt, ob der primäre Kreis 19, je nach dem Schaltzustand seiner Kontakte 17, geöffnet oder geschlossen ist Mit anderen Worten, infolge der gegenseitigen Induktion zwischen den beiden Spulen 20 und 30 zieht tine Änderung des Ohm'schen Widerstandes des primären Kreises 19 durch öffnen oder Schließen des Kreises eine Änderung der Parameter der primären Schwingungen nach iich.
Diese Parameter sind, wie bereits erwähnt, die Frequenz, die Amplitude und die Phasenlage der Rechtschwingungen 29/4 (siehe F i g. 5). Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Frequenz, d.h. die Periodendauer, als der zu überwachende Parameter gewählt. Die Spule 30 ist derart in den sekundären Kreis 29 geschaltet, daß die Schwingungen 29/4 bei geöffne-
JO tem primärem Kreis 19 eine lange Periodendauer 29C und bei geschlossenem primärem Kreis 19 eine Periodendauer 295 haben.
Die Änderung der Frequenz der Primärschwingungen bei einer Änderung des Schaltzustands des
J5 primären Kreises 19 wird mittels eines Detektors 35 abgetastet der an den Ausgang des letzten Wechselrichters 28C angeschlossen ist. Dieser Detektor weist zwei monostabile Kippstufen 36 und 37 auf, die in Reihe ger"haltet sind. Diese monostabilen Kippstufen werden jeweils durch die Anstiegsflanke eines Eingangssignals eingeschaltet und ihr Ausgang verbleibt danach während einer bestimmten, als Schaltzeit bezeichneten Dauer im Binärzustand »1« (oder, bei invertierter Schaltung, im Binärzustand »0«). Jede monostabile Kippschaltung ist während ihrer Schaltzeit durch eine nachfolgende Anstiegsflanke ihres Eingangssignals jederzeit von neuem einschaltbar, d. h. beim Auftreten einer weiteren Anstiegsflanke noch während der Schaltzeit beginnt die Schaltzeit jeweils von neuem.
Demzufolge verbleibt der Ausgang einer Kippschaltung, sofern vor dem Ende einer jeweils laufenden Schaitzeit ein neues Einschaltsignal auftritt, so lange im Binärzustand »1« (oder »0« bei invertierte·· Schaltung), wie sich die Einschaltsignale jeweils vor dem Ende der Scha'tzeit wiederholen.
Die erste monostabile Kippschaltung 36 weist einen Ausgang 36/4 und ~ine Schaltzeit 36ß auf, die länger als die kurze Periodendauer 29ß, jedoch kürzer als die lange Periodendauer 29Cist
Infolgedessen bleibt der Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 26 kontinuierlich im Binärzustand»!«, so lange der primäre Kreis 19 geschlossen ist; wenn jedoch der primäre Kreis 19 geöffnet wird, springt der Ausgang der Kippschaltung 36 am Ende der jeweiligen Schaltzeit 36S auf den Binärzustand »0«. Im letzteren Fall wird aber die monostabile Kippschaltung 36 durch die nächste Anstiegsflanke 29D der primären Schwingung 29Λ wieder eingeschaltet, so daß zwischen
dem Ende der vorhergegangenen Schaltzeit 36ß und der nächsten Anstiegsflanke 29D praktisch ein negativer Impuls 36Cauftritt.
Der Ausgang 36/\ der ersten monostabilen Kippschaltung 36 ist an den Eingang der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 angeschlossen. Diese zweite Kippschaltung weist einen nicht invertierten Ausgang 37A und einen invertierten Ausgang 37/4/ und ekie Schaltzeit 37B auf, die länger als die Periodendauer 29ßder Primärschwingungen bei geöffnetem primärem Kreis 19 ist. Ist der primäre Kreis 19 geschlossen und befindet sich demzufolge der Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 36 kontinuierlich im Binärzustand »I«, tritt keine Anstiegsflanke am Eingang der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 auf, so daß diese nicht eingeschaltet werden kann und ihr Ausgang 37Al demzufolge kontinuierlich im Binärzustand »1« verbleibt. Wird der primäre Kreis 19 geöffnet und erscheint demzufolge am Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 36 jedesmal bei deren Einschalten durch die Anstiegsflanke 29D der Primärschwingung eine Anstiegsflanke 36D, welche die zweite Kippschaltung 37 eingeschaltet hält, so daß ihr Ausgang 37Al kontinuierlich den Binärzustand »0« einnimmt. Der Ausgang 37Al der zweiten Kippschaltung 37 zeigt daher jeweils den elektrischen Zustand des primären Kreises 19 an, d. h. ob der Schalter 15 das Werkstück bereits angetastet hat oder nicht.
Das Ansprechen der sekundären Schaltung 29 und des Detektors 35 auf das öffnen des primären Kreises κ 19 sollte natürlich möglichst weitgehend von der Bewegungsgeschwindigkeit des Maschinenkopfes zum Werkstück hin unabhängig sein. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine verhältnismäßig hohe Primärschwingungsfrequenz von beispielsweise 500 kHz, d. h. eine Periodendauer 29C von etwa 2 μ5 bei geöffnetem primärem Kreis 19 gewählt. Ein zweckmäßiger Frequenzsprung beim Schließen des primären Kreises 19 liegt im Bereich von 10%, was dann bei geöffnetem primärem Kreis eine Frequenz von 450 kHz bzw. eine Periodendauer 29ß von 1.8 μ5 ergibt.
Während des Öffnens des primären Kreises 19 findet der Sprung von der kürzeren Periodendauer 29ß zur längeren Periodendauer 29C mit endlicher Geschwindigkeit statt. Demgemäß vergrößert sich die Breite des Impulses 36Cvon Null auf ihren Maximalwert während einer gewissen Zeitspanne, die im Hinblick auf das Erfordernis eines deutlichen Ansprechens auf das Antasten des Werkstücks durch den Taster unannehmbar lang sein kann. Zur Sicherstellung eines schnellen und deutlichen Ansprechens auf die Impulse 36C, selbst wenn diese gerade erst zu erscheinen beginnen, ist der nichtinvertierte Ausgang 37A der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 derart mit den die Schaltzeit bestimmenden Komponenten 38 der ersten Kippschaltung 36 verbunden, daß er beim beginnenden Erscheinen der Impulse 36C eine Reduzierung der Schaltzeit der ersten Kippschaltung 36 bewirkt. Dadurch tritt eine schnelle Vergrößerung der Impulsbreite der Impulse 36C in dem bei 36C1 in F i g. 5 gezeigten Sinne ein. Man erreicht damit eine frühere Erzeugung einer ausgeprägten Anstiegsflanke 36D zum Einschalten der zweiten Kippschaltung 37.
Wie bereits erwähnt, findet der Sprung von der kürzeren Periodendauer 29 S zur längeren Periodendauer 29Cmit endlicher Geschwindigkeit statt Dies ergibt sich teilweise aus der Tatsache, daß der Ohm'sche Widerstand zwischen den Kontakten 17 und 18 bei deren Öffnung ebenfalls nur mit endlicher Geschwindigkeit ansteigt. Dies rührt wiederum teilweise daher, daß beim öffnen der Kontakte zunächst der Kontaktdruck nachläßt und der Widerstand daher mit endlicher Geschwindigkeit bis auf den Wert Unendlich beim tatsächlichen Trennen der Kontakte ansteigt. Der Kondensator 22 stellt eine verbesserte Ausgestaltung dar und ist grundsätzlich nicht notwendig.
Die Überwachungsschaltung 26 wird mittels einer Gleichspannungsquelle 39 gespeist, die ihrerseits wiederum aus dem Netz betrieben wird.
Bei der beschriebenen Anordnung ist natürlich keine Batterie, d. h. keine unabhängige Stromversorgung im Tastkopf selbst erforderlich, und infolge der Gestaltung der Kopplungsanordnung 23 kann der Taster am Maschinenkopf angebracht und mit der Überwachungsschaltung in Wirkungsverbindung gebracht werden, ohne daß dazu elektrische Kontakte erforderlich sind.
Bei dem abgewandelten Ausfuhrungsbeispiel nach Fig.6 ist in einem Tastkopf 112, der ähnlich dem Tastkopf 12 nach Fig. 1 ist, ein primärer elektrischer Kreis 119 angeordnet, der Schaltkontakte 117, 118 enthält. Eine kapazitive Kopplungsanordnung 123 weist einen ersten Kondensator 124 mit zwei einander zugewandten, durch einen Spalt 132 getrennten Kondensa*orplatten 120 und 130 und einen zweiten Kondensaxor 124Λ mit zwei einander zugewandten, durch den Spalt 132 voneinander getrennten Kondensatorplatten 120-4 und 130-4 auf.
Der primäre elektrische Kreis 119 ist an die beiden Kondensatorplatten 120 und 120-4 angeschlossen und kann einen weiteren, über die Kontakte 117 und 118 geschalteten Kondensator 122 aufweisen.
Ein dem sekundären Kreis 29 nach Fig.4 entsprechender sekundärer elektrischer Kreis 129 ist an die Kondensaiöfpiäüen 130 und 130/4 angeschlossen und enthält einen Oszillator 127. Die den Oszillatorschwingungen im sekundären Kreis 129 entgegenstehende Impedanz ist durch die kapazitive Kopplung der beiden Kreise 119 und 129 bestimmt, die jeweils davon abhängt, ob der primäre Kreis 119 geöffnet oder geschlossen ist. Die Änderung des Ohm'schen Widerstandes des primären Kreises 119 beim Öffnen oder Schließen desselben zieht eine entsprechende Änderung der Parameter der Oszillatorschwingungen nach sich. Diese Schwingungsänderung wird von einem Detektor 135 festgestellt, der dem Detektor 35 nach F i g. 4 entspricht und einen Ausgang 137/4/aufweist.
F i g. 6 zeigt außerdem eine AbwandlungsmöglichHit, gemäß welcher der primäre Kreis 119, anstatt im Ruhezustand durch die geschlossenen Kontakte 117, 118 geschlossen zu sein, im Ruhezustand geöffnet und erst durch das Antasten des Werkstückes infolge der Berührung zwischen dem Taster und dem Werkstück geschlossen wird. Zu diesem Zweck ist der Taster ί 15 des Tastkopfes 112 elektrisch an den einen Kondensator 124 der Kopplungsanordnung angeschlossen, wie beim 140 angedeutet ist während der andere Kondensator 124/4 der Kopplungsanordnung elektrisch geerdet, d. h. mit dem Maschinenkopf 10 verbunden ist wie bei 140/4 angedeutet ist Das Werkstück 11 ist elektrisch leitend und ebenfalls geerdet Wenn also der Taster 115 das Werkstück berührt wird der primäre Kreis 119 geschlossen und umgekehrt
Mit anderen Worten, das Signal 137AI springt jedesmal um, wenn der Taster 115 des Tastkopfes in oder außer Berührung mit dem Werkstück kommt Es ist klar, daß der Tastkopf bei diesem Ausführungsbeispiel
nur einen Teil des primären Kreises 119 enthält, während der übrige Teil dieses primären Kreises durch die das Werkstück 11 mit dem Maschinenkopf 10 elektrisch verbindende Erdung gebildet ist. Weiter dienen bei diesem letzteren Beispiel die Radialarme 118 des Triers und die beim vorangehenden Beispiel als Kontakte dienenden Kugeln 117 ausschließlich der mechanischen Lagerung des Tasters und haben in elektrischer Hinsicht keine Bedeutung mehr Es ist dabei natürlich auch unwesentlich, ob eine kapazitive oder induktive Kopplung 123 Anwendung findet.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen er-
folgt die Zustandsänderung des primären Kreises 19 bzw. 119 durch vollständiges Öffnen oder Schließen dieses Kreises, d. h. durch Ändern seines Ohm'schen Widerstandes zwischen Null bzw. einem Minimalwert und dem Wert Unendlich. Eine derartige starke Zustandsänderung in dem eine passive Schaltung darstellenden primären Kreis ist vorteilhaft, damit im sekundären Kreis 29 bzw. 129 eine möglichst starke Reaktion erfolgt und damit die Feststellung bzw.
ίο Anzeige des jeweiligen Zustands des primären Kreises erleichtert wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Meßkopf für Meßmaschinen, mit einer lösbar daran gehalterten Tasteinrichtung zum Antasten von zu vermessenden Werkstücken, wobei die Tasteinrichtung eine elektrische Schaltung enthält, die beim Antasten des Werkstücks eine elektrische Zustandsänderung erfährt und eine im Meßkopf angeordnete Auswerteschaltung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die meßkopfseitige Auswerteschaltung (26; 137) einen oszillatorgespeisten (27; 127) Schwingkreis (29; 129) enthält und die tasteinrichtungsseitige Schaltung (19; 119) ein damit über einen Luftspalt (32; 132) reaktiv gekoppelter (23; 132) passiver elektrischer Schwingkreis ist, dessen elektrischer Zustand die Impedanz und das Schwingungsverhalten des oszillatorgespeisten Schwingkreises der Auswerteschaltung beeinflußt
2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tasteinrichtungsseitige Schaltung (19; 119) ein Schaltglied (17,18; 117,118) enthält, das beim Antasten des Werkstücks den ohmschen Widerstand des passiven elektrischen Schwingkreises verändert
3. Meßkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das Schaltglied (17, 18; 117, 118) den passiven elektrischen Schwingkreis (19; 119) öffnet und schließt
4. Meßko|>.~ nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß-:Jie Auswerteschaltung (26; 137) eine in den ofzillatorgespeisten Schwingkreis (29; 129) geschaltete mcnstabile Kippschaltung (36) aufweist die durch die aufeinanderfolgenden Oszillatorschwingungen jeweils einschaltbar ist und deren Schaltzeit länger als die kürzere, durch den einen elektrischen Zustand des passiven elektrischen Schwingkreises (19; 119) bedingte Periodendauer der Oszillatorschwingungen, jedoch kurzer als die längere, durch den anderen elektrischen Zustand des passiven elektrischen Schwingkreises bedingte Periodendauer der Oszillatorschwingungen ist, so daß am Kippschaltungsausgang (36A^nur beim Auftreten der längeren Periodendauer eine Folge von Impulsen erscheint, und daß die Auswerteschaltung Schaltungsmittel (37) aufweist, die beim Auftreten dieser Impulse ein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugen.
5. Meßkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung weitere Schaltungsmittel (37A) zur Verkürzung der Schaltzeit der monostabilen Kippschaltung (36) in Abhängigkeit vom Auftreten des kontinuierlichen Ausgangssignals aufweist.
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