DE3789872T3

DE3789872T3 - Metrologische Vorrichtung.

Info

Publication number: DE3789872T3
Application number: DE3789872T
Authority: DE
Inventors: Hugh Rogers Lane; Peter Dean Onyon
Original assignee: Taylor Hobson Ltd
Current assignee: Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2007-02-27
Also published as: DE3764135D1; US4807152A; JP2606787B2; IN169315B; CN87102434A; EP0240151A3; DE3789875D1; JPH0648186B2; JPS62276405A; EP0240151A2; DK108587D0; DE3789872D1; DE3789875T2; EP0240151B1; GB8605324D0; DE3789872T2; JPH0791949A; DK108587A

Description

Die Erfindung betrifft eine metrologische Vorrichtung mit einer Computereinrichtung und einer von dieser gesteuerten Antriebseinrichtung zum Ausführen von Meßvorgängen bei einem Werkstück zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Stift, der die Oberfläche des Werkstücks berührt und diese überquert und quer zu seiner eigenen Längsachse auslenkbar ist, um einen Wandler zu betätigen, der den Stift trägt und Meßsignale liefert, die sich abhängig von der besagten Auslenkung während der besagten Relativbewegung ändern, welche Vorrichtung ferner folgendes aufweist: einen Sockel, einen Drehtisch zum Halten des Werkstücks, der auf dem Sockel für eine Umdrehung um eine vertikale Achse angebracht ist, einen vertikalen Träger, der auf dem Sockel neben dem Drehtisch angebracht ist, einen am Ständer für vertikale Bewegung angebrachten Schlitten und einen am Schlitten für horizontale Bewegung angebrachten Arm, wobei der Arm den Wandler so hält, daß die Spitze des Stifts durch eine Horizontalbewegung des Arms relativ zum Schlitten zur Drehachse des Drehtischs hin und von dieser weg bewegt werden kann, und der Wandler wahlweise so positionierbar ist, daß der Stift in vertikaler Ausrichtung oder in horizontaler Ausrichtung steht.
Eine derartige Vorrichtung ist bereits als von den Anmeldern unter dem Handelsnamen "Talycenta" (Marke) hergestellt und vertrieben bekannt. Die bekannte Vorrichtung leidet unter der Schwierigkeit, daß sich dann, wenn die Ausrichtung des Wandlers zwischen den Positionen verstellt wird, bei denen der Stift horizontal und vertikal verläuft, die Position der Stiftspitze ändert und eine Umrechnung der Stiftposition erforderlich ist.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler an einem Ende eines weiteren Arms angebracht ist, der steif ist und dessen anderes Ende am horizontal bewegbaren Arm für eine Umdrehung um eine Achse angebracht ist, die im wesentlichen um 45º zur Vertikalen abgewinkelt ist, wobei der Stift, der weitere Arm und die 45º-Achse dergestalt sind, daß der weitere Arm um 180º um die 45º- Achse zwischen einer ersten Position, in der der Stift in der vertikalen Ausrichtung liegt und seine Spitze in einer Position auf einem tieferen Niveau als der horizontal bewegbare Arm liegt, und einer zweiter Position drehbar ist, in der der Stift in der horizontalen Ausrichtung liegt und seine Spitze im wesentlichen in derselben Position verbleibt, wobei der besagte weitere Arm und der horizontal bewegbare Arm die einzigen Arme zwischen dem Wandler und Schlitten darstellen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wandler so ausgebildet, daß er die Auslenkung des Stifts in einer einzigen Ebene relativ zum Wandler erfaßt, und er relativ zu dem horizontal bewegbaren Arm im wesentlichen um die Längsachse des Stifts drehbar ist, um die Ausrichtung der besagten einzigen Ebene relativ zu einem Werkstück auf der ersten Halteeinrichtung einzustellen.
Vorzugsweise läßt sich die Computereinrichtung so betreiben, daß sie die Bewegung des horizontal bewegbaren Arms auf vom Wandler ermittelte Signale hin derart steuert, daß der Stift während eines Meßvorgangs Merkmalen der Werkstückoberfläche außerhalb des Betriebsbereichs des Wandlers und des Stifts folgen kann. Auf diese Weise können ein Wandler und ein Stift mit extrem hoher Auflösung, etwa besser als 20 nm, vorzugsweise 12 nm, jedoch mit kleinem Betriebsbereich, etwa unter 0,4 mm, winzigste Formänderungen zu erfassen, während man mit großen Formänderungen durch von dem Digitalcomputer gesteuerte Betätigung der Antriebseinrichtung fertig werden kann, wobei die Gewinnung der Meßdaten sowohl vom Wandlerausgangssignal als auch von der Bewegung des Sensors abhängt. Die Position des Sensors sollte daher ebenfalls mit hoher Auflösung bestimmbar sein, obwohl es in der Praxis nicht erforderlich ist, daß diese Auflösung so hoch ist wie die des Sensors selbst. Während, wie bereits angedeutet, der Sensor vorzugsweise eine Auflösung z. B. besser als 20 nm aufweisen sollte, braucht die Auflösung, mit der die Position des Sensors bestimmt werden kann, wenn er durch die zweite Antriebseinrichtung bewegt wird, nur besser als etwa 200 nm sein, doch ist selbst dies eine Verbesserung um mindestens eine Größenordnung gegenüber bekannten Vorrichtungen.
Die Größe der Merkmale, die durch die Bewegung des Sensors aufgefangen werden kann, hängt vom Bewegungsbereich des Sensors ab. In der Praxis kann der Sensor in radialer Richtung um mindestens 100 mm und in axialer Richtung um mindestens 100 mm bewegbar sein. Bei einem bevorzugten, speziellen Beispiel ist der Sensor radial über einen Weg von 200 mm und axial über einen Weg von 500 mm bewegbar.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer metrologischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische detailliertere Darstellung eines Teils des Gerätes nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Aufriß in Richtung des Pfeils III nach Fig. 2;
Fig. 4 einen Aufriß in Richtung des Pfeils IV nach Fig. 2;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines in die Vorrichtung nach Fig. 1 eingebauten Computersystems;
Fig. 6 eine Darstellung eines Nockens, um eine bevorzugte Funktion zu veranschaulichen, die durch die Vorrichtung nach Fig. 1 bis 5 ausgeführt werden kann; und
Fig. 7, 8 und 9 Darstellungen zur Veranschaulichung von Verfahren zum Messen der Ebenheit, Zylindrizität und Konizität unter Verwendung 3 der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 5.
Gemäß Fig. 1 weist eine metrologische Vorrichtung eine Werkbank 2 auf, die mit einem Drehtisch 4 zum Aufnehmen eines (nicht dargestellten) Werkstücks versehen ist. Für die Vertikalbewegung ist an einem Ständer 8 ein Schlitten 6 befestigt, der einen horizontal bewegbaren Arm 10 trägt. Ein Stift 12 zum Kontaktieren der Oberfläche des Werkstücks ist in einem Linearwandler 14 vorhanden, der z. B. induktiv oder kapazitiv sein kann und am einen Ende eines Arms 16 angebracht ist, dessen anderes Ende um eine um 45º zur Horizontalen stehende Achse 20 in der durch den Pfeil 18 dargestellten Richtung schwenkbar am freien Ende des Arms 10 gelagert ist.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Arm 16 um 180º um die Achse 20 zwischen den in Fig. 2 dargestellten Endpositionen schwenkbar, die mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien dargestellt sind. In der Position mit durchgezogener Linie steht der Stift 12 vertikal, in der Position mit gestrichelter Linie horizontal. Die Anordnung ist derart, daß sich dann, wenn der Arm 16 in einer der zwei in Fig. 2 dargestellten Positionen steht, die Stiftspitze 12a im wesentlichen in derselben Position in einer radialen Ebene des Drehtischs 4 befindet. Ein an dem Arm 10 angebrachter Elektromotor ist über ein Schneckengetriebe 5 mit dem Arm 16 verbunden, um diesen zwischen seinen beiden Endpositionen anzutreiben. Der Stift 12 und der Wandler 14 sind so angeordnet, daß der Stift 12 relativ zum Wandler 14 nur in einer Richtung ausgelenkt werden 5 kann. Jedoch ist der Wandler 14 in dem Arm 16 um vorzugsweise 270º mit 30º-Schritten um eine Achse 7 drehbar gelagert. So ändert z. B. eine Drehung des Wandlers 14 um 90º um die Achse 7 die Ebene, innerhalb der der Stift 12 ablenkbar ist, um 90º. In dem Arm ist ein Motor 9 angebracht, um eine Drehung des Wandlers 14 zu bewirken. Befindet sich der Arm 16 in der mit durchgezogener Linie in Fig. 2 dargestellten Position, in der der Stift 12 vertikal steht, um z. B. eine Innenfläche eines auf dem Drehtisch 4 angeordneten Werkstücks abzutasten, so wird der Wandler 14 im allgemeinen in einer Position gehalten, in der der Stift 12 in einer radialen Ebene relativ zum Drehtisch 4 auslenkbar ist. Befindet sich der Arm 16 jedoch in der mit gestrichelter Linie in Fig. 2 dargestellten Position, in der der Stift 12 horizontal verläuft, so kann der Wandler 14 entweder in die Position verdreht werden, in der der Stift 12 in einer horizontalen Ebene auslenkbar ist, oder in eine Position, in der der Stift 12 in einer vertikalen Ebene auslenkbar ist. In der ersteren Position läßt sich eine Seitenfläche eines Werkstücks günstig abtasten, und der letzteren Position eine nach oben weisende Fläche. Flächen, die in anderen Richtungen zeigen, können dadurch abgetastet werden, daß der Wandler 14 um die Achse 7 in eine Position gedreht wird, in der der Stift 12 in einer zu der abzutastenden Fläche im wesentlichen senkrechten Ebene auslenkbar ist.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist in dem Schlitten 6 ein Motor 35 vorhanden, um den Arm 10 in der durch den Pfeil 11 angezeigten horizontalen Richtung anzutreiben, wobei der Antrieb vom Motor 35 zu dem Arm 11 über ein Zahnstangengetriebe 13 oder eine andere geeignete Einrichtung, etwa eine Kugelumlaufspindel, erfolgt. Eine Bewegung des Arms 10 in Richtung des Pfeils 11 bewirkt eine Horizontalbewegung des Wandlers 14, so daß die Spitze 12a des Stifts 12 relativ zur Achse des Drehtischs 4 radial nach innen 5 oder außen bewegt wird, wobei die Spitze 12a während dieser ganzen Bewegung in der radialen Ebene bleibt. Licht von einer in dem Schlitten 6 angeordneten Quelle 15 wird auf ein in dem Arm gehaltenes lineares optisches Gitter 19 gerichtet und von diesem auf einen Photowandler 21 reflektiert, der vorzugsweise um 90º gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt, aus denen Position und Geschwindigkeit des Arms 11 abgeleitet werden können. Wie auch aus Fig. 3 erkennbar, liefert ein weiterer Photowandler 23 Signale, aus denen mit Hilfe einer Lichtquelle 25 und eines mit dem Drehtisch 4 bewegbaren optischen Gitters 27 Position und Drehgeschwindigkeit des von einem Motor 33 angetriebenen Drehtischs 4 ermittelt werden können.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, arbeitet ein von dem Schlitten 6 gehaltener Motor 37 mit einer Zahnstangenantriebsanordnung 39 (oder einer anderen geeigneten Einrichtung, etwa einem Zahnrad und einer Kette) zusammen, um den Schlitten 6 vertikal in Richtung des Pfeils 41 anzutreiben. Eine (nicht dargestellte) Feder mit konstanter Kraft dient dazu, dieser Bewegung das Gleichgewicht zu halten. Ein weiteres, in dem Ständer 8 angebrachtes optisches Gitter 43 reflektiert Licht von einer von dem Schlitten 6 gehaltenen Quelle 27 auf einen ebenfalls an dem Schlitten 6 angebrachten Photowandler 31, der vorzugsweise um 90º gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt, aus denen Position und Bewegungsgeschwindigkeit des Schlittens 6 ermittelt werden können.
Wie aus Fig. 1 und S erkennbar, ist auf der Werkbank 2 ein Host-Computer 22 mit einer Tastatur 24, einem Diskettenlaufwerk 26 und einem Drucker 28 angeordnet, der dazu dient, die metrologische Vorrichtung zu steuern, die erzielten Meßwerte zu verarbeiten und die angeforderten Meßdaten auszugeben. Der Host-Computer kann z. B. ein IBM-kompatibler PC sein.
Wie in Fig. 5 dargestellt, beinhaltet die Vorrichtung eine Anzahl von Mikroprozessoren 30, 32, 34, 36, 38 und 40. Der Mikroprozessor 30 dient als Master-Steuerung und empfängt Befehle vom Host 22 für von der Vorrichtung auszuführende Vorgänge. Derartige Befehle werden von der Master-Steuerung 30 abgespeichert, die abhängig von in dem ihr zugeordneten Speicher abgespeicherten Programmen die restlichen Mikroprozessoren über einen Slave-Treiberprozessor 30a hinsichtlich derjenigen Maßnahmen anweist und steuert, die zur Ausführung der von dem Host 22 abgegebenen Befehle zu ergreifen sind. Jeder der übrigen Mikroprozessoren weist ebenfalls einen ihm zugeordneten Speicher auf, der die Routinen abspeichert, die zum Ausführen der von der Master-Steuerung 30 empfangenen Routinen erforderlich sind. Daher werden die Mikroprozessoren 32, 34, 36 und 38 als Slave-Prozessoren bezeichnet.
Der Slave-Prozessor 32 steuert die Drehzahl des Drehtischs 4, der Slave-Prozessor 34 die Radialbewegung des Arms 10, und der Slave-Prozessor 36 die Vertikalbewegung des Schlittens 6. Die Slave-Prozessoren 32, 34 und 36 steuern alle vorzugsweise die Geschwindigkeiten der jeweiligen Motoren 33, 35 und 37 gemäß den Lehren der anhängigen Patentanmeldungen, die wie folgt angegeben sind:
Land Anmeldungsnummer
Vereinigtes Königreich 8530577
China 86107433
Dänemark 5531/86
Europa 86309681.4
Ostdeutschland P/297 385/4
Indien 892/MAS/86
Japan noch nicht bekannt
USA 940506
UdSSR 4028602.24
Der Slave-Prozessor 38 empfängt Befehle von einem Nachrichtenübertragungsnetzwerk 45 und steuert das Zentrieren und Nivellieren der Motoren 38a, wobei der Drehtisch 4 horizontal und/oder drehend verstellt wird, um ein Werkstück vor der Ausführung von Messungen zu zentrieren und zu nivellieren. Die Anordnungen zum Zentrieren und Nivellieren entsprechen vorzugsweise der Offenbarung unserer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung, die die Priorität aus den britischen Patentanmeldungen Nr. 8605325 und 8624396 beansprucht, in denen die Erfinder Anthony Bruce Barnaby und Michael Walter Mills sind.
Der Mikroprozessor 40 empfängt Daten von einer Meßschaltung 41, die das vom Wandler 14 ausgegebene Signal empfängt und digitalisiert, sowie von jedem von drei Interpolatoren 42, 44 und 46, die jeweils Signale von den photovoltaischen Wandlern 23, 21 bzw. 31 empfangen, die die Drehbewegung des Drehtischs 4, die Radial-(Horizontal-)Bewegung des Arms 10 bzw. die Vertikalbewegung des Schlittens 6 erfassen. Die Interpolatoren arbeiten so, daß sie Daten liefern, die die genauen Positionen des Drehtischs 4, des Arms 10 und des Schlittens 6 mit einer Genauigkeit repräsentieren, die ein kleiner Bruchteil des Gitterabstands der optischen Gitter 27, 19 und 43 ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liefern die Interpolatoren für die Position des Wandlers 14 in radialer (horizontaler) Richtung eine Auflösung von ungefähr 200 nm und in axialer (vertikaler) Richtung von ungefähr 500 nm, und die Drehposition des Werkstücks kann mit ungefähr 3 Bogensekunden aufgelöst werden. Die Erfindung ist auf keine spezielle Auflösung beschränkt; vorzugsweise ist sie jedoch in radialer und vertikaler Richtung besser als 1 Mikrometer, und die Winkelauflösung sollte besser als 100 Bogensekunden, vorzugsweise besser als 10 Bogensekunden, sein. Wie bereits angedeutet, liefert der Wandler 14 vorzugsweise ein Ausgangssignal, das die Position der Spitze 12a des Stiftes 12 mit besser als 20 nm, vorzugsweise 12 nm, auflöst. So werden dem Mikroprozessor 40 während eines Meßvorgangs dauernd Daten hoher Auflösung hinsichtlich der Auslenkung des Stifts 12 und der Anordnung des Wandlers 14 in radialer (R) und vertikaler (Z) Richtung sowie die genaue Winkelposition (º) des Drehtischs 4 zugeführt. Diese Daten werden von dem Mikroprozes sor 40 registriert und abgespeichert und dem Host 22 zugeführt, der aus diesen Daten abhängig von Programmen, die in dem dem Host 22 zugeordneten Speicher abgespeichert sind die erforderlichen Berechnungen durchführt.
Zusammenfassend ist die in Fig. 5 dargestellte Architektur also derart, daß die Computer in drei Niveaus angeordnet sind. Der Host 22 repräsentiert das erste Niveau und erlaubt die Eingabe von Befehlen durch eine Bedienperson, das Übertragen geeigneter Befehle an die Master-Steuerung und den Empfang von Daten von der Datenregistriereinrichtung 40. Der Host 22 führt mit diesen Daten Berechnungen aus, um die erforderlichen Informationen zu liefern. Das zweite Niveau wird durch die Master-Steuerung 30 repräsentiert, die aufgrund von Befehlen von dem Host 22 abhängig von Programmen, die in dem der Master- Steuerung 30 zugeordneten Speicher gespeichert sind, über die Slave-Ansteuereinrichtung an die verschiedenen Slave-Prozessoren 30a geeignete Befehle überträgt, wie sie erforderlich sind, um den von dem Host angewiesenen Vorgang auszuführen. Die Slave-Prozessoren 32, 34, 36 und 38 und die Datenregistriereinrichtung 40 repräsentieren das dritte Niveau und führen abhängig von Programmen, die in ihnen jeweils selbst zugeordneten Speichern abgespeichert sind, die detaillierten Funktionen aus, die erforderlich sind, um die von der Master-Steuerung nach den Befehlen des Hosts 20 angewiesenen Vorgänge auszuführen.
Vorzugsweise ist die Master-Steuerung so ausgebildet, daß aufeinanderfolgende, vom Host 22 empfangene Befehle in verschiedenen Bereichen des zugeordneten Speichers gleichzeitig abgespeichert werden, damit die Master-Steuerung 30 ihrerseits der Reihe nach nach diesen Befehlen arbeiten kann.
Wie oben erwähnt, ist der Wandler 14 ein Linearwandler. Daher gibt das von ihm ausgegebene Signal das Maß der Ablenkung des Stifts 12 an. Jedoch leiden, wie dies bereits angedeutet wurde, Wandler, die die erforderliche hohe Auflösung von etwa besser als 20 nm liefern, unter der Schwierigkeit, daß ihr Funktionsbereich, d. h. der Bereich der Bewegung der Spitze 12a des Stifts 12, innerhalb der ein lineares Ausgangssignal mit der erforderlichen Auflösung erstellt wird, stark begrenzt ist. Speziell haben Wandler mit geeigneter Auflösung einen Bereich von möglicherweise nicht mehr als 0,4 mm. Um diese Schwierigkeit gemäß einem wichtigen, bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung zu überwinden, sendet die Master-Steuerung 30, nachdem sie Informationen darüber empfangen hat, daß das Signal der Meßschaltung 41 einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat, eine Anweisung an den Slave-Prozessor 34 zum Aktivieren des Motors 35, woraufhin der Arm 11 verstellt wird, bis das von der Meßschaltung 41 ausgegebene Signal auf einen vorgegebenen Wert zurückgeführt ist, der als Nullwert definiert ist (und z. B. Null sein kann). Eine solche Anweisung wird ausgegeben, wenn sich der Wandler 14 in einer Position befindet, in der der Stift 12 in einer radialen Ebene auslenkbar ist, wobei sich der Arm 16 in einer der in Fig. 2 dargestellten Positionen befindet. Befindet sich der Arm 16 in der in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie dargestellten Position, in der der Stift 12 horizontal steht, und wird der Wandler 12 in die Position gedreht, in der der Stift in einer vertikalen Ebene (d. h. parallel zur Achse des Drehtischs 4) auslenkbar ist, so sendet die Master-Steuerung 30 eine Anweisung an den Slave-Prozessor 36 zum Aktivieren des Motors 37, wenn das Ausgangssignal der Meßschaltung 14 den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Ferner ist die Master- Steuerung 30 so ausgebildet, daß bei geeigneten Umständen eine durch Signale vom Wandler 14 gesteuerte Beaufschlagung des Motors 33 zum Drehen des Drehtischs so bewirkt werden kann, daß dann, wenn sein Signal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der Motor 33 aktiviert und dadurch das Werkstück so bewegt wird, wie es erforderlich ist, damit der Wandler 14 der Oberfläche des Werkstücks folgen kann, wenn sich dieses in horizontaler und/oder vertikaler Richtung bewegt. So wird in all diesen Fällen dafür gesorgt, daß der Stift 12 der Oberfläche des Werkstücks während der Drehung des Werkstücks auf dem Drehtisch 4 folgt. Infolgedessen können Messungen hoher Auflösung erzielt werden, während dennoch große Formmerkmale aufgefangen werden, da dann, wenn der Stift auf solche groben Merkmale stößt, der Arm 10 oder der Schlitten 6 in geeigneter Weise so bewegt werden, daß die Stiftspitze der Werkstückoberfläche folgt, ohne daß der Stift über seinen Betriebsbereich hinaus ausgelenkt wird. Der Host-Computer 22 ermittelt sowohl aus den vom Wandler 14 als auch den von den Photowandlern 23, 21, 31 und den zugeordneten Interpolatoren 42, 44 und 46 gewonnenen Signalen die angeforderten Meßinformationen, z. B. hinsichtlich Form oder Formfehlern.
Alternativ oder zusätzlich kann die Geschwindigkeit, mit der der Stift die Werkstückoberfläche überquert, dadurch verändert werden, daß die Drehzahl der den Drehtisch 4 und/oder den Arm 10 und/oder den Schlitten 6 antreibenden Motoren so verändert wird, daß es möglich wird, Daten in bevorzugter Weise zu sammeln, um z. B. eine konstante Oberflächenbandbreite zu schaffen. Daher sind die Ergebnisse der Messung identischer Oberflächenmerkmale bei unterschiedlichen Radien ebenfalls identisch und hängen nur von der gewählten Oberflächengeschwindigkeit ab. Vorteilhaft ist insbesondere, daß Daten an Punkten in festen Abständen auf der Oberfläche des Werkstücks erfaßt werden können, was mit der gerade beschriebenen Anordnung unabhängig von z. B. unterschiedlichen Krümmungen verschiedener Bereiche der Oberfläche ohne Verändern der Datenerfassungsrate dadurch erzielt werden kann, daß eine oder mehrere der angegebenen Drehzahlen verändert werden, um z. B. eine Kompensation für die Krümmungsunterschiede zu schaffen. Um dies zu erreichen, liest die Master-Steuerung 30 Positionsdaten von den Interpolatoren 42, 44 und 46 sowie der Meßschaltung 41, wobei die Drehzahl der geeigneten Motoren abhängig von diesen empfangenen Daten und abhängig von Programmen geändert wird, die in dem der Master-Steuerung 30 zugeordneten Speicher abgespeichert sind.
Als ein Beispiel für das Vorstehende veranschaulicht Fig. 6 einen Nocken 50, dessen Profil dadurch auszumessen ist, daß Messungen an Positionen vorgenommen werden, die um einen Weg dS voneinander entfernt sind. An einem Bereich 52 des Nockens, in dem der Weg dS um einen Radius r1 vom Drehmittelpunkt 54 entfernt ist und sich über einen Winkel a erstreckt, muß die Drehzahl des Drehtischs 4, um eine Datenerfassung mit konstanter Rate zu ermöglichen, von derjenigen verschieden sein, die angewendet wird, wenn der Bereich 53 des Nockens ausgemessen wird, in dem sich der Weg dS um den Radius r2 entfernt befindet und über einen Winkel b erstreckt. So sind der Master-Steuerung Programme zum Verändern der Drehzahl des Drehtischs 4 zugeordnet, die diese Parameter berücksichtigen, damit bei konstant fortschreitenden Stiftpositionen auf der Fläche Daten mit konstanter Rate gemessen werden können. Um dies zu erzielen, kann die Drehzahl des Drehtischs abhängig von der folgenden Gleichung eingestellt werden:
wobei V die erforderliche konstante Geschwindigkeit ist, um den Wandler über die Werkstückoberfläche zu führen, S das Signal vom Wandler 14 mit linearem Ausgangssignal, und R das vom Interpolator 44 vom Wandler 21 gewonnene die Radialposition des Wandlers 14 angebende Signal.
Anhand von Fig. 7 wird ein bevorzugter Betrieb für eine Ebenheitsmessung veranschaulicht. In Fig. 7 wird eine Oberfläche 60 eines auf dem Drehtisch 4 befindlichen (nicht dargestellten) Werkstücks von dem Stift 12 längs einem spiralförmigen Weg 62 überquert. Dazu wird der Arm 10 je nachdem, ob die Messung nahe der Mitte oder nahe dem Rand der Oberfläche 60 begonnen wird, radial nach innen oder außen bewegt, während der Drehtisch 4 gedreht wird. Bei einer bevorzugten Betriebsart wird die Drehzahl des Drehtischs als lineare Funktion des Abstandes des Stiftes vom Drehmittelpunkt verändert, um die lineare Laufgeschwindigkeit des Stifts über die Fläche konstant zu halten. Daten vom Stift 12 werden zu festen Zeit- oder Abstandsintervallen registriert. Andere Betriebsarten sind möglich, bei denen z. B. die Drehzahl konstant gehalten wird.
Gemäß Fig. 8 wird die Zylindrizität einer Oberfläche 64 dadurch gemessen, daß dafür gesorgt wird, daß der Stift 12 einen spiralförmigen (schraubenförmigen) Weg 66 durchläuft. Dies wird nach dem Zentrieren und Nivellieren durch Rotation des Drehtischs 4 erreicht, während der Schlitten 6 vertikal bewegt wird. Bei dieser Messung werden die Bewegungsgeschwindigkeiten konstant gehalten, und wiederum werden Daten zu festen Zeitintervallen registriert, die wiederum zum Registrieren der Daten zu festgelegten Wegzuwachsstücken entlang des Bewegungswegs eines Stifts über die Oberfläche führen. Messungen werden für eine Anzahl von Umdrehungen um die Oberfläche 64 ausgeführt, d. h. daß die Schraube oder Spirale mehrere Windungen aufweist. Es wird darauf hingewiesen, daß dafür gesorgt werden kann, daß der Stift einen sprialförmigen oder schraubenförmigen Weg über die Zylinderoberfläche 64 nimmt, um die Zylinderachse zu bestimmen.
Bei dem Beispiel nach Fig. 9 wird die Konizität einer Oberfläche 40 dadurch gemes sen, daß dafür gesorgt wird, daß der Stift 12 einen spiralförmigen Weg 72 mit mehreren Windungen durchläuft. Dies wird nach dem Zentrieren und Nivellieren dadurch erzielt, daß der Drehtisch 4 gedreht und gleichzeitig der Schlitten 6 vertikal und der Arm 10 radial (horizontal) bewegt werden. Die Radialbewegung erfolgt nach innen, wenn sich der Stift von einem relativ weiten Abschnitt zu einem relativ engen Abschnitt der Oberfläche 70 bewegt und umgekehrt. Die Radialbewegung des Arms 10 wird abhängig von der Größe des vom Wandler 14 ausgegebenen Signals so gesteuert, daß der Stift 14 bei fortschreitender Messung in dauerndem Kontakt mit der konischen Oberfläche 70 bleibt. Ferner kann die Winkelbewegung des Drehtischs 4 als lineare Funktion der Radialposition des Arms 10, wie sie vom Wandler 44 angezeigt wird, so gesteuert werden, daß die Lineargeschwindigkeit, mit der der Stift die Fläche 70 überquert, konstant gehalten wird. In konstanten Zeitintervallen werden Daten registriert. Obwohl bestimmte bevorzugte Meßverfahren beschrieben wurden, ist zu beachten, daß die Vorrichtung so programmiert werden kann, daß sie eine große Vielzahl von Messungen, etwa der Oberflächenrauhigkeit, der Rundheit, der Gestrecktheit, der Ebenheit, einer quadratischen Form, einer sich verjüngenden Form, koaxialer Formen, paralleler Formen, der Größe regelmäßiger und unregelmäßiger Formen, ausführt.
Da in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wandlerposition und/oder die Drehzahl eines oder mehrerer Motoren entweder nacheinander oder gleichzeitig so geändert werden, daß der Wandler dem zu messenden Profil folgt und/oder Messungen in konstanten Oberflächenintervallen ausgeführt werden können, lassen sich Messungen schneller und wirkungsvoller als mit bekannten Vorrichtungen ausführen.

Claims

1. Metrologische Vorrichtung mit einer Computereinrichtung (22, 30, 32, 34 und 36) und einem von dieser gesteuerten Antrieb (33, 35, 37) zum Durchführen von Meßvorgängen an einem Werkstück unter Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Stift (12), der die Werkstückoberfläche berührt und überquert und quer zu seiner Längsachse auslenkbar ist, um einen Wandler (14) zu betätigen, der den Stift trägt und während der Relativbewegung entsprechend der Auslenkung sich ändernde Meßsignale liefert, wobei die Vorrichtung einen Sockel (2), einen daran um eine vertikale Achse drehbar gelagerten Drehtisch (4) zur Aufnahme des Werkstücks, eine neben dem Drehtisch (4) an dem Sockel montierte vertikale Säule (8), einen an dieser vertikal bewegbar gelagerten Schlitten (6) und einen an dem Schlitten (6) horizontal bewegbar gelagerten Arm (10) aufweist, wobei der Arm (10) den Wandler (14) derart trägt, daß der Wandler (14) durch horizontale Bewegung des Arms (10) relativ zu dem Schlitten (6) auf die Drehachse des Drehtisches (4) zu und von ihr weg bewegt werden kann und wahlweise so positionierbar ist, daß der Stift vertikal oder horizontal orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) an einem Ende eines weiteren Arms (14) angebracht ist, der starr ist und mit seinem anderen Ende an dem horizontal bewegbaren Arm (10) um eine um im wesentlichen 45º zur Vertikalen geneigten Drehachse (20) drehbar gelagert ist, wobei der Stift (12), der weitere Arm (16) und die um 45º-Achse (20) derart vorgesehen sind, daß der weitere Arm (16) um die 45º-Achse (20) um 180 Grad zwischen einer ersten Stellung, in der der Stift (12) vertikal orientiert ist und seine Spitze sich in einer tieferen Position befindet als der horizontal bewegbare Arm (10), und einer zweiten Stellung drehbar ist, in der der Stift (12) horizontal orientiert ist und seine Spitze im wesentlichen in der gleichen Position verbleibt, und wobei der weitere Arm (16) und der horizontal bewegbare Arm (10) die einzigen Arme zwischen dem Wandler (14) und dem Schlitten (6) sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wandler (14) zur Erfassung der Auslenkung des Stifts (12) in einer einzigen Ebene relativ zu dem Wandler (14) ausgebildet und relativ zu dem horizontal bewegbaren Arm (10) generell um die Längsachse des Stiftes (12) drehbar ist, um die Orientierung der einzigen Ebene relativ zu einem Werkstück auf der ersten Halteeinrichtung (4) zu justieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Computereinrichtung (22, 30, 40) so betätigbar ist, daß sie die Bewegung des horizontal bewegbaren Arms (10) entsprechend von dem Wandler (14) abgenommenen Signalen derart steuert, daß der Stift während eines Meßvorgangs Merkmalen der Werkstückoberfläche außerhalb des Betriebsbereichs von Wandler (14) und Stift (12) folgen kann.