DE69117764T2

DE69117764T2 - Methode und gerät zur koordinatenmessung mit einer kapazitätssonde

Info

Publication number: DE69117764T2
Application number: DE69117764T
Authority: DE
Inventors: Ralph L. Slickville Pa 15684 Resnick; Lawrence J. Pittsburgh Pa 15218 Rhoades; John R. Pittsburgh Pa 15206 Rose
Original assignee: Extrude Hone LLC
Current assignee: Ex One Company Irwin Pa Us
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2011-09-05
Also published as: JPH06503878A; EP0547143B1; EP0547143A4; WO1992004593A1; EP0547143A1; AU645951B2; AU8635491A; DE69117764D1; CA2090978A1; US5189377A; ATE135099T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Kenndaten der Oberfläche eines leitenden Werkstücks, wie Abmessungen, Umriß und ähnliche, unter Anwendung einer Kapazitätssonde, die ein hohes Maß an Empfindlichkeit und Auflösung sowie die Fähigkeit der berührungslosen Abtastung hat und die im Verhältnis zu dem Werkstück bewegt wird, ohne daß die Sonde das Werkstück zu berühren braucht. Außerdem wird die Bewegung der Sonde, d. h., die Geschwindigkeit und/oder Richtung innerhalb eines Abstandsbandes, zumindest teilweise mittels der durch die Sonde gemessenen Kapazität gesteuert, so daß also die Bewegung der Sonde auf der Grundlage der Fähigkeit der Sonde zur Abstandsmessung gesteuert wird, um eine Reihe von Echtzeit-Prozeßlenkungen zu ergeben, um jedes Meßverfahren erheblich zu beschleunigen.

2. ZUSAMMENFASSUNG DES BEKANNTEN TECHNISCHEN STANDES

Zwei- und dreidimensionale Koordinatenmeßmaschinen sind in Fachkreisen allgemein bekannt, sie weisen im typischen Fall einen Kopf auf, der zur zwei- oder dreidimensionalen Bewegung im Verhältnis zu einem feststehenden Grundkörper gehalten wird. Der bewegliche Kopf trägt eine Taster-Sonde, die allgemein die Form eines geraden Stabes mit einer kleinen Kontaktkugel an der vom Kopf entfernten Spitze hat. Die Maschine schließt eine Vielzahl von Antriebselementen zur Bewegung des Kopfes und damit der Sonde in den zwei oder drei Koordinatenachsen und ein Überwachungsmittel zur Momentanüberwachung und Aufzeichnung der Position der Sonde im Verhältnis zu den Koordinatenachsen ein. Außerdem ist ein Mittel vorhanden, um dann ein Signal zu erzeugen, wenn die Sonde mit dem Werkstück in Berührung kommt, wodurch die Antriebsbewegung der Sonde gestoppt und anschließend ihre Position aufgezeichnet wird. Die Koordinaten eines Werkstücks, das an dem feststehenden Grundkörper montiert ist, werden durch die Bewegung des Kopfes in einer oder mehreren Richtungen und das Ablesen der Koordinatenposition der Sonde im Verhältnis zu einer gegebenen Bezugsgröße beim Berühren des Werkstücks durch die Sonde gemessen. Numerisch gesteuerte Meßmaschinen nach dem bekannten Stand sind in der Lage, Sondenpositionen bis zu einer Genauigkeit von 0.00025 mm (0.00001 Zoll) zu überwachen und aufzuzeichnen.
Da sich die numerisch gesteuerten Meßmaschinen des bekannten Standes zur Messung der Koordinatenpositionen der Oberflächen des Werkstücks auf den physischen Kontakt stützen, besteht die Tendenz, daß der Arbeitsablauf ziemlich langwierig und zeitraubend ist. Außerdem ist allgemein bekannt, daß die Herstellung der Kontaktsonden kostspielig ist und daß diese auf Grund des physischen Kontaktes Verschleiß und Korrosion unterliegen. Es dürfte offensichtlich sein, daß selbst ein geringes Maß an Verschleiß oder Korrosion zu signifikanten Fehlern bei der auf 0,0005 mm ausgelegten Genauigkeit der Maschinen führen kann.
Neben dem oben Gesagten sind dem System und den Verfahren zur Bestimmung einer Kontaktposition nach dem bekannten Stand Schwierigkeiten und Ungenauigkeiten eigen, die dazu tendieren, die Genauigkeitswerte der numerisch gesteuerten Meßmaschine als Ganzes herabzusetzen. Beispielsweise ist es nicht möglich, die Sonde rasch auf eine genaue Ausgangsposition von Null einzustellen, da die Sonde mit dem Werkstück in Kontakt gebracht und dann sorgfältig eingestellt werden muß, damit der Kontakt beibehalten wird, ohne daß durch die Sonde ein Druck auf das Werkstück ausgeübt oder die Sonde in irgendeiner Weise gebogen oder abgelenkt wird. Wichtiger aber ist, daß, wie bekannt ist, ein nur leichter Berührungskontakt der Sonde mit dem Werkstück, nicht mehr, normalerweise nicht ausreicht, um das Stoppsignal zu aktivieren. Vielmehr wird das Stoppsignal erst ausgelöst, nachdem die Sonde gebogen, abgelenkt oder anderweitig beeinträchtigt worden ist. Wünschenswert wäre es, die Bewegung des Kopfes genau zum Zeitpunkt des Sondenkontakts zu stoppen, normalerweise aber wird das Kontaktsignal nicht sofort bei Kontakt ausgelöst, und der Antriebsmechanismus kann nicht sofort nach Empfang des Stoppsignals angehalten werden. Vielmehr bewegt sich der Kopf um eine sehr geringe Größe im Verhältnis zur Sondenspitze weiter, bevor das Stoppsignal ausgeführt werden kann, und es erfolgt sogar eine weitere sehr geringe Bewegung, bevor das Stoppsignal ein vollständiges Anhalten des Antriebsmechanismus bewirkt. Im Ergebnis dessen wird der Taster der Sonde unter der Kraft, die zur Erzeugung und Übertragung des Stoppsignals sowie zur Überwindung des Impulses des Antriebsmittels nach der Übertragung des Stoppsignals notwendig ist, gebogen oder abgelenkt.
Da dieses Biegen oder Ablenken der Sonde dem System eigen ist, wird es normalerweise im Meßverfahren berücksichtigt. Die Größe der relativen Bewegung zwischen dem Kopf und der Sondenspitze wird als "Biegungszugabe" bezeichnet und wird von der durch die Maschine gemessenen Entfernung abgezogen. Um von einer Oberfläche aus zu messen, bei der diese Durchbiegung bereits erfolgt ist, muß erneut eine Ausgangsbiegungszugabe von der gemessenen Entfernung abgezogen oder aber die Sonde auf einen entsprechenden Ausgangspunkt von Null zurückgestellt werden. Demzufolge kann die aufeinanderfolgende Messung von verschiedenen Dimensionen der Oberfläche ein verhältnismäßig langwieriges Verfahren sein.
Um ausreichend gültig zu sein, muß jede solche "Biegungszugabe" zunächst auf einer Sondenbewegung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit basieren, unabhängig von der zu messenden Dimension, und dann muß zweitens jede Biegungskraft senkrecht zu der Längsausrichtung des Tasters der Sonde eingebracht werden. Obwohl es wünschenswert wäre, die Sonde in Abhängigkeit von der Größenordnung der zu messenden Dimension mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu bewegen, muß daher die Geschwindigkeit der Sonde auf den Wert festgelegt werden, der bei der Festlegung der Biegungszugabe zugrundegelegt wurde. Zweitens dürfte es offensichtlich sein, daß jeder Sondenkontakt mit einer Oberfläche eines Werkstücks die in einem Winkel zur Bewegungsrichtung der Sonde geneigt ist, zu einer seitlichen Biegekraft führt, die von der vorgegebenen Biegungszugabe abweichen kann. Außerdem dürfte es offensichtlich sein, daß die Anwendung jeden Vektors der Biegekraft, der zur Biegung oder Ablenkung der Sonde zum Kopf hin tendieren würde, eine Beschädigung der Sonde verursachen könnte.
Es ist jedoch allgemein bekannt, daß selbst bei konstanten Geschwindigkeiten und senkrechten Biegekräften die Kräfte, die notwendig sind, um eine gegebene Durchbiegung oder Ablenkung zu bewirken, bei unterschiedlichen Richtungen der Einwirkung der Biegekraft nicht gleich sind. Daher muß die Anwendung einer gegebenen Biegungszugabe, ungeachtet der Richtung der Kraft, unweigerlich zu Fehlern bei der Bestimmung der Messung führen.
Zwar besteht bei einer Bewegung der Sonde mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit die Tendenz, die Fehler durch Minimierung der Biegung oder Ablenkung der Sonde auf ein Minimum zu senken, trotzdem können die Ungenauigkeiten aber nicht vollständig ausgeschaltet werden, sie werden nur in der Größenordnung verringert; und die Verlangsamung der feststehenden Sondengeschwindigkeit verlängert nur die Gesamtablaufzeit, was wiederum die Effektivität der Anlage beeinträchtigt.
Um das oben genannte Problem zu überwinden, wurden viele verschiedene Typen von Befestigungssystemen für den Taster entwickelt, um die Ablenkung des Tasters ohne ein Durchbiegen zu ermöglichen, und die außerdem Eichmittel einschließen, um das Ausmaß der Ablenkung durch eine Vielfalt von komplexen Sonden-Befestigungssystemen zu bestimmen. Diese Befestigungssysteme sind nicht nur kompliziert, komplex und kostspielig, sondern sie erreichen auch nicht das gewünschte Maß an exakter Messung, und oft können sie durch den Zusammenstoß zwischen der Sonde und der Oberfläche des Werkstücks auch beschädigt oder in der Einstellung verändert werden.
Es gibt eine Reihe verschiedener Typen von Kontaktsonden, die mit dem Ziel entwickelt wurden, das Problem der Biegung und Ablenkung zu überwinden, beispielsweise Funkfrequenz-Sonden, Analog-Berührungssonden, LVDT-Sonden (LVDT = linear variabler Differentialtransformator) und andere mehr. Funkfrequenz-Sonden beispielsweise dämpfen bei Kontakt mit einem metallischen Werkstück ein Funkfrequenzsignal. Diese Sonden sind zwar in der Lage, sofort nach Kontakt mit dem Werkstück ohne jede Biegung oder Ablenkung der Sonde ein Stoppsignal zu übertragen, aber da auch der Impuls des Antriebsmittels überwunden werden muß, kann der Antriebsmechanismus nicht sofort nach Empfang des Stoppsignals angehalten werden. Außerdem sind solche Vorrichtungen anfällig gegenüber einer Beeinflussung des abgestrahlten Funkfrequenzsignals durch elektromagnetisches Rauschen, was zu einer Fehlanzeige von Sondenkontakten führen kann. Analog- Berührungssonden basieren im wesentlichen auf dem Grad der Schwenkung der Sonde beim Kontakt mit dem Werkstück, um die Oberfläche des Werkstücks zu messen, und sind für ein fühlergesteuertes Nachformen im direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Werkstücks geeignet. Um jedoch zuverlässige Daten zu erhalten, müssen Analog-Berührungssonden mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit bewegt werden, wodurch die Anzahl der gemessenen Referenzpunkte, die erzielt werden kann, stark eingeschränkt wird, weshalb diese Sonden für die kommerzielle Anwendung nicht geeignet sind. LVDT- Sonden basieren wie die Analog-Berührungssonden auf einer konstanten Ablenkung der Sonde, während die Sonde sehr langsam längs der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Diese Sonden sind aber nicht nur sehr langsam, sie unterliegen auch einem erheblichen Maß an Reibungsverschleiß Es dürfte weiter offensichtlich sein, daß jeder Typ von Kontaktsonden bei der Bewegung "blind" ist und daher bei der Bewegung hin zur Oberfläche des Werkstücks keine Möglichkeit hat, festzustellen oder zu "wissen", daß die Annäherung an eine Oberfläche erfolgt oder der Kontakt unmittelbar bevorsteht. Die Kontaktsonde stellt daher den Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks her, während sich die Sonde mit der festgelegten konstanten Geschwindigkeit bewegt. Wie oben ausgeführt wurde, ist der Kontakt mit einer festgelegten konstanten Geschwindigkeit aber auch wesentlich, damit eine ausreichend gültige Biegungszugabe von der gemessenen Bewegungsentfernung abgezogen werden kann. Daher ist es nicht nur wesentlich, daß die Geschwindigkeit der Sonde konstant ist, sie muß auch relativ mäßig sein, damit mit sinnvollen Biegungszugaben gearbeitet werden kann und damit außerdem gewährleistet wird, daß die Sonde das Werkstück nicht mit einer zu hohen Geschwindigkeit kontaktiert, durch welche die Sonde beschädigt werden oder eine Fehlausrichtung in der Befestigungsstruktur der Sonde oder der Ablenkungsmeßvorrichtung herbeigeführt werden können. Zwar wäre es unter dem Gesichtspunkt einer Echtzeit-Prozeßlenkung vorteilhaft, die Bewegung der Sonde mit einer höheren Geschwindigkeit zu ermöglichen, besonders bei der Bewegung über verhältnismäßig lange Strecken, es ist aber offensichtlich, daß höchstens mit einer mäßigen Geschwindigkeit gearbeitet werden kann.
Während die Koordinatenmeßvorrichtungen und -verfahren nach dem bekannten technischen Stand für die Messung des Umrisses der Oberfläche eines Werkstücks angewendet werden können und wurden, um eine Profillinie zu bestimmen, dürfte es offensichtlich sein, daß, da zur Aufzeichnung einer Oberflächenposition der Sondenkontakt und die Ablenkung der Sonde notwendig sind, das Verfahren, bei dem die Sonde der Oberfläche "folgt" oder diese "nachformt", ziemlich umständlich ist. Um diese fühlergesteuerte Nachformungsbewegung zu bewirken, muß die Sonde so programmiert werden, daß sie sich längs einer ersten und zweiten senkrecht zueinander stehenden Achse in einer Reihe von Schritten bewegt, um den Kontakt mit dem Werkstück abwechselnd herzustellen und zu unterbrechen und auf diese Weise das Profil durch eine Reihe von Kontaktpunkten zu definieren. Je enger die Kontaktpunkte beieinander liegen, desto genauer ist das bestimmte Profil. Wenn im Ergebnis einer sehr flachen oder einer sehr steilen Neigung der Oberfläche des Werkstücks ein erheblicher Unterschied in der Bewegungslänge zwischen den beiden Achsen besteht, können die Kontaktpunkte einen Abstand haben, durch den die Auflösung ernsthaft beeinträchtigt wird. Außerdem dürfte es offensichtlich sein, daß die zur Ausführung eines angemessen genauen vollständigen Profils notwendige Zeit außerordentlich lang sein kann. Außerdem basiert diese Methode notwendigerweise auf einem Kontakt mit der Sonde, der nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung der Sonde erfolgt. Daher können durchaus unvermeidliche Ungenauigkeiten bei den angewendeten Biegungszugaben auftreten.
Im Unterschied zu den oben behandelten Kontaktsonden wurden bei den bekannten Techniken zur Messung der Oberflächendimensionen und -kenndaten von leitenden Werkstücken berührungslose Kapazitätssonden eingesetzt. Diese Sonden haben in der industriellen Fertigung und der Werkzeugmaschinenindustrie eine sehr starke Anwendung gefunden, besonders bei der Prüfung von Oberflächeneigenschaften. Wie inzwischen in Fachkreisen bekannt ist, basieren diese Sensoren auf der Anwendung einer variablen Kapazität auf Grund der Kopplung des Sensors mit einer zu bewertenden Fläche nach solchen Techniken wie der Steuerung der Rate einer Oszillatorschaltung, so daß die Frequenz des Oszillators direkt als eine Funktion der Kenndaten der Oberfläche bestimmt und geändert wird.
Die meisten der bekannten Verfahren, die mit Kapazitätsmeßsonden arbeiten, basieren auf dem Einsatz von Sonden, die eine Vielzahl von Kondensatorsensoren einschließen, so daß die Unterschiede in der Kapazität, die von den verschiedenen Sensoren gemessen werden, eine Funktion der zu ermittelnden Kenndaten der Oberfläche des Werkstücks sind. Beispielsweise beschreibt UK-PS 2100441, das von Wolfendale gehalten wird, ein Verfahren zur Bestimmung des Umrisses einer unbekannten leitenden Fläche oder eines Durchmessers einer Bohrung unter Verwendung einer berührungslosen Sonde, die eine Sonde aufweist, die eine Vielzahl von Kapazitätssonden hat, die an der oder nahe der Sondenspitze angeordnet sind. Nach einem Verfahren, das in diesem Patent beschrieben wird, wird eine Sonde mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensoren stationär in einem gegebenen räumlichen Verhältnis zu der unbekannten Fläche gehalten, d. h., in einer festgelegten Abstandsentfernung, und es werden die Kapazitätswerte der verschiedenen Kondensatorelemente überwacht. Eine Änderung in den Kapazitätswerten gibt eine Änderung im Abstand zwischen den Sensoren und dem Werkstück und damit eine Anzeige des Umrisses der Oberfläche des Werkstücks an. Nach einem anderen Verfahren, das in diesem Patent beschrieben wird, wird ein Mehrzwecksensor, der eine Vielzahl von Sensorelementen hat, die im gleichen Abstand um die Spitze angeordnet sind, allgemein parallel zur Oberfläche des Werkstücks bewegt, während die Kapazität konstant gehalten wird. Damit "formt" die Sonde das Werkstück an einem gegebenen "Nullpunkt" oder einer Abstandsentfernung vom Werkstück "nach", so daß ihre Bahn, abzüglich der Abstandsentfernung, eine genaue Messung des Profils der Oberfläche des Werkstücks darstellt.
US-PS 4816744. das von Papurt u. a. gehalten wird, beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der inneren Abmessungen eines Werkstücks beispielsweise des Durchmessers einer Bohrung, durch Positionierung der Sonde an einem gegebenen Nullpunkt nahe der einen Oberfläche eines Werkstücks und anschließende Bewegung der Sonde zu einem gleichen Nullpunkt nahe der anderen Oberfläche des Werkstücks, z. B. diametral quer zu einer Bohrung, und die Messung der Entfernung der Sondenbewegung mit einem Laser-Interferometer. Die gemessene Entfernung oder der Durchmesser werden bestimmt als gleich der Entfernung, die von der Sonde zurückgelegt wurde, plus der zweifachen Nullpunkt-Entfernung, d. h., die Entfernung, um welche die Mitte der Sonde in den Nullpunktpositionen von der Oberfläche des Werkstücks entfernt ist. Zwar weist die Sonde, die bei dieser Erfindung eingesetzt wird, nur einen einzigen Kondensatorsensor auf und ist daher besser für Mehrzweckanwendungen geeignet, das Verfahren kann aber nicht universell bei allgemeinen Koordinatenmeßverfahren angewendet werden und verlangt, daß die Sonde bei dem festgelegten Nullpunkt gestartet und gestoppt wird, damit die Start- und die Stopp-Abstandspositionen bekannt sind. Außerdem ist das Starten und Stoppen der Sonde an einem gegebenen Nullpunkt zeitraubend, da die Sonde langsam bewegt und schrittweise eingestellt werden muß, um die genaue Nullpunktanzeige zu erhalten, und damit stellt sie keine sinnvolle Echtzeit-Prozeßlenkung dar.
Alle bekannten Verfahren zur Messung von Werkstücken, die mit berührungslosen Kapazitätssonden arbeiten, basieren auf dem Nullpunkt- Verfahren, unabhängig von der Art der zu ermittelnden Parameter. Bei der Messung des Abstands oder der Lage der Oberfläche von Werkstücken war es zur Vermeidung von Kontakt bisher immer üblich, die Sonde an einem Nullpunkt mit Bezug auf die interessierende Fläche zu starten, zu stoppen oder zu positionieren, wie das durch die korrelierende Nullpunkt-Kapazität angeben wird, damit die Entfernung von der Sonde zur Oberfläche des Werkstücks bekannt ist und als endgültige Messung betrachtet werden kann. Selbst die bekannten fühlergesteuerten Oberflächen-"Nachformungs"- Verfahren, wie sie oben unter Bezug auf das Wolfendale-Patent behandelt wurden, basieren auf einer solchen Nullpunkt-Kapazität, um die Bewegung der Sonde zu steuern. Im einzelnen wird die Sonde an einem Ausgangsnullpunkt positioniert und gestartet, an dem ihre Entfernung gegenüber der Oberfläche des Werkstücks bekannt ist. Dann wird die Sonde in einer fortwährenden Folge von schrittweisen Bewegungen allgemein parallel zur Oberfläche des nachzuformenden Werkstücks bewegt, und die Änderung der Kapazität am Ende jeder dieser sehr geringen Bewegungen wird überwacht. Wenn die Kapazität abnimmt, muß die Sonde zum Werkstück hin bewegt werden, bis die Nullpunkt-Kapazität erreicht ist. Wenn die Kapazität zunimmt, muß die Sonde von der Oberfläche des Werkstücks weg bewegt werden, bis die Nullpunkt-Kapazität erreicht ist. In jeder der Situationen wird die Sondenposition erst registriert, nachdem sie auf den exakten Nullpunkt eingestellt worden ist. Auch wenn die einzelnen Einstellungen mittels Analog- oder Digitalberechnungen ziemlich schnell vorgenommen werden können, ist immer noch eine sehr große Zahl von fortschreitenden Einstellungen oder schrittweisen Bewegungen der Sondenposition zu dem Werkstück hin oder von diesem weg erforderlich, um nach jeder schrittweisen Seitbewegung den Nullpunkt zu orten. Es dürfte daher offensichtlich sein, daß sich dieses Verfahren nicht wesentlich von dem oben beschriebenen Verfahren unterscheidet, bei dem der Kontakt mit den Kontaktsonden hergestellt und unterbrochen wird. Daher ist das Verfahren trotz der Anwendung von analogen oder digitalen Steuerungen auf Grund der Notwendigkeit, die Sondenbewegung schrittweise zu stoppen, um diese auf den Nullpunkt einzustellen, immer noch ziemlich zeitraubend.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach der vorliegenden Erfindung werden ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Abmessungen eines Werkstücks, der Oberflächenkenndaten, des Oberflächenumrisses und ähnlicher unter Anwendung einer leitenden Kapazitätssonde geschaffen, welche die Fähigkeit der Abstandmessung hat, d. h., die Fähigkeit, die angrenzende Oberfläche eines Werkstücks, einschließlich der Unregelmäßigkeiten der Oberfläche, die einen Abstand zur Sonde aufweist, zu "sehen". In Ausführung dieser Erfindung wird die Sonde im Verhältnis zu dem stationären Werkstück bewegt oder umgekehrt, ohne daß es notwendig ist, daß die Sonde jemals die Oberfläche des Werkstücks kontaktiert, und wodurch die Koordinaten des Werkstücks als eine Funktion der aufgezeichneten Sondenbewegung sowie der entsprechenden aufgezeichneten Kapazität bestimmt werden. Durch diese Praxis werden aus den Bewegungsparametern der Sonde, d. h., der Geschwindigkeit und/oder der Richtung innerhalb eines Abstandsbandes, Funktionen der Fähigkeit der Sonde zur Abstandmessung, bestimmt durch die Kapazität, die durch die Sonde gemessen wird, um so eine signifikante Echtzeit-Verfahrenslenkung zu ermöglichen. In Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung ermöglicht es daher die Fähigkeit der Sonde zur Abstandmessung in einem geschlossenen Regelsystem mit Rückführung zum Antriebssystem, Messungen viel schneller auszuführen, als das nach den bekannten Techniken möglich ist, und bei einigen Ausführungsbeispielen tatsächlich "wie im Fluge", ohne zu stoppen oder ohne schrittweise Bewegungen zum Orten von Nullpunkten.
In seiner Grundanwendung sieht die Vorrichtung nach der Erfindung den Einsatz einer Vorrichtung wie einer Werkzeugmaschine vor, die eine gesteuerte relative Bewegung zwischen einer Sonde und einem Werkstück auslösen kann, beispielsweise eine Fräsmaschine, eine Drehbank oder ähnliche. Bei einer universelleren Anwendung umfaßt die Vorrichtung zur Auslösung der relativen Bewegung im Idealfall eine mehr oder weniger herkömmliche, dem bekannten technischen Stand entsprechende Koordinatenmeßmaschine des zwei- oder dreidimensionalen Typs, die eine aus einem einzigen Sensorelement bestehende Kapazitätssonde und Mittel zur Überwachung und Aufzeichnung der Bewegungsbahn des Sondensensors hat. In Ausführung dieser Erfindung wird ein Prozessor-Regler als Teil eines geschlossenen Regelsystems mit Rückführung einbezogen, der ständig die Kapazitätsmessungen zwischen der Sonde und dem Werkstück empfängt und verarbeitet und der das Antriebsmittel zur Bewegung der Sonde im Verhältnis zu den zwei oder drei Koordinatenachsen in Übereinstimmung mit den Kapazitätsmessungen entsprechend steuert. Ein zweiter Daten-Prozessor wird einbezogen, um die zu ermittelnden Oberflächenparameter des Werkstücks als eine Funktion der aufgezeichneten Bewegungsbahn der Sonde zu berechnen, korrigiert um den veränderlichen Abstand der Sonde zu dem Werkstück, der durch die aufgezeichnete Kapazität angeben wird. Im Gegensatz zu den bekannten numerisch gesteuerten Meßmaschinen braucht die Sonde die Oberfläche des Werkstücks nicht zu berühren, vielmehr ist der Prozessor-Regler so programmiert, daß er die Sonde auf jede programmierte Weise in Reaktion auf die Abstandsmeß-Fähigkeit der Sonde, wie sie durch die gemessenen Änderungen in der Kapazität zum Ausdruck kommt, zu bewegen, um eine Vielzahl von Messungen unterschiedlichen Typs auszuführen.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung können zwei signifikant unterschiedliche, aber verwandte Techniken der Echtzeit-Prozeßlenkung getrennt oder kombiniert angewendet werden, um sehr schnell die verschiedenen Oberflächenkenndaten eines Werkstücks zu messen, wobei diese Lenkungen auf der Fähigkeit der Sonde zur Abstandmessung basieren. Diese Techniken basieren beide auf der Regelung der Bewegung der Sonde, d. h., der Geschwindigkeit und Richtung, im direkten oder indirekten Verhältnis zur gemessenen Kapazität, und sie ermöglichen es beide, die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde in dem Maße zu maximieren, wie das auf Grund des Antriebsmechanismus möglich ist.
Da die Kapazitätssonde jede Zahl von Oberflächenzuständen des Werkstücks messen kann, ohne daß die Sonde jemals das Werkstück berührt, dürfte es offensichtlich sein, daß die Befestigung der Sonde ohne jede Notwendigkeit von Systemen zur Überwachung der Ablenkung erheblich vereinfacht werden kann, ohne jede Gefahr einer Beschädigung der Sonde und ohne jeden Verschleiß der Sondenoberfläche. Da die Sonde nach der Erfindung das Werkstück "sehen" kann und daher in der Lage ist, die Lage eines angrenzenden Werkstücks ebenso wie Änderungen in den Oberflächenbedingungen zu bestimmen, bevor die Sonde bei diesen geänderten Oberflächenbedingungen angelangt ist, sind das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung weit vielseitiger als die herkömmlichen, dem bekannten technischen Stand entsprechenden Koordinatenmeßmaschinen, die auf dem Sondenkontakt basieren. Im Gegensatz zu den Kapazitätssonden- Meßverfahren nach dem bekannten technischen Stand bietet diese Erfindung erheblich mehr Vielseitigkeit, nicht nur bei der Kombination mit einer numerisch gesteuerten Meßmaschine, sondern, und das ist sogar noch wichtiger, durch die Schaffung der Möglichkeiten für genauere und schnellere Techniken zur Messung der Abmessungen und Kenndaten eines Werkstücks und damit durch die Schaffung von Möglichkeiten der Echtzeit- Prozeßlenkung, wie sie bei den Meßverfahren nach dem bekannten technischen Stand, weder solcher auf der Grundlage der Kontaktherstellung noch der mit Kapazitätsmessung, nicht möglich sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Kapazitätssonde nach der Erfindung.
Fig. 2, 3, 4 und 5 sind grafische Darstellungen von vier verschiedenen Kapazitätsfeldverteilungen der Kapazitätssonde nahe der Oberfläche von Werkstücken, die unterschiedliche Kenndaten oder Kanten haben, welche der Sondensensor "sehen" kann und welche die Bewegung der Sonde bestimmen.
Fig. 6 ist ein Graph, der allgemein den gemessenen Kapazitätswert als eine Funktion des Abstands zwischen dem Sondensensor und der Oberfläche des Werkzeugs darstellt und außerdem ein repräsentatives Abstandsband anzeigt.
Fig. 7 ist ein schematisches Blockdiagramm, das repräsentativ für die Vorrichtung nach der Erfindung ist.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Bewegungsbahn einer Kapazitätssonde bei der fühlergesteuerten Nachformung der Oberfläche eines Werkstücks in Ausführung der bekannten Techniken.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der Bewegungsbahn einer Kapazitätssonde bei der fühlergesteuerten Nachformung der Oberfläche eines Werkstücks in Ausführung dieser Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine aus einem einzigen Element bestehende Kapazitätssonde in Kombination mit einer numerisch gesteuerten Meßmaschine bereitgestellt, die auf dem Gebiet der Messung von leitenden Werkstücken für eine Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden kann, besonders bei der Messung der Übereinstimmung mit den Fertigungstoleranzen. Diese Erfindung ist für alle Meßverfahren geeignet, die bisher mit numerisch gesteuerten Meßmaschinen nach dem bekannten technischen Stand ausgeführt werden konnten, aber das mit einem wesentlich höheren Grad an Auflösung und Genauigkeit und, was noch wichtiger ist, mit einer signifikanten Echtzeit-Prozeßlenkung.
Der aus einem einzigen Element bestehende Sensor nach der Erfindung ist für Kapazitätseigenschaften konfiguriert und läßt eine Vielfalt von berührungslosen Messungen zu, aus denen eine Reihe von wichtigen Bestimmungen abgeleitet werden kann, die nicht nur die Messung solcher Oberflächenparameter des Werkstücks wie Abmessungen und Umriß einschließen, sondern auch Annäherungs- und Abstandsmessungen, die als Echtzeit-Prozeßlenkungen angewendet werden können. Das Kondensator- Meßelement nach der Erfindung arbeitet mit sehr hohen Empfindlichkeiten und Geschwindigkeiten, die für kommerzielle Echtzeit-Anwendungen über elektronische Analog- oder Digitalsteuertechniken geeignet sind.
Alle Operationen bei der vorliegenden Erfindung basieren auf der Primärbeziehung
C = KA/t
wobei C die Kapazität ist, K die effektive Dielektrizitätskonstante ist. A die Fläche der Kopplungsgrenzfläche ist und t die Entfernung zwischen den Platten, d. h., dem Sondensensor und dem Werkstück, ist.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind K und A effektiv feststehende Werte, so daß festgestellt werden kann, daß C umgekehrt proportional t ist. Es dürfte offensichtlich sein, daß die Größenordnung der Änderung in C in dem Maße größer und größer wird, wie t kleiner und kleiner wird, so daß in der Phase einer engen Annäherung selbst sehr kleine und allmähliche Änderungen in der Entfernung, t. recht beachtliche Signale für Steuerungszwecke erzeugen. Das bewirkt eine Steigerung der Empfindlichkeit und Auflösung an dem Punkt im Verfahren, an dem erhöhte Empfindlichkeit und Auflösung wesentlich sind.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Merkmale und Funktionen dadurch erreicht, daß ein aus einem einzigen Element bestehender Kondensatorsensor im Verhältnis zu einem stationären Werkstück bewegt wird oder umgekehrt, während ständig die Bewegungsbahn der Sonde überwacht und aufgezeichnet wird sowie ständig die entsprechende Kapazität zwischen dem Sensorelement und dem Werkstück aufgezeichnet wird und die Parameter des Werkstücks als eine Funktion sowohl der aufgezeichneten Bewegungsbahn der Sonde als auch der dieser entsprechenden aufgezeichneten Kapazität bestimmt werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Sonde im Verhältnis zum Werkstück in eine Nullstellung zu bringen. Durch die Anwendung dieses Meßverfahrens ist es möglich, die relative Bewegung zwischen den beiden Komponenten derart zu steuern, daß die relative Geschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung der Sonde innerhalb eines Abstandsbands eine Funktion der überwachten Kapazität ist. Die Auflösung der vorgenommenen Kapazitätsmessungen ist von der Größe des Sensorelements und seiner Präzision in der geometrischen Konfiguration abhängig. Einige der im vorliegenden Verfahren interessierenden Parameter können es erforderlich machen, daß Messung und Datenauswertung mit relativ hoher Geschwindigkeit vorgenommen werden. Da jedoch nur mit einem einzigen Sensorelement gearbeitet wird, dürfte die rechnerische Last für das Regelsystem nicht besonders groß sein. Ebenso dürfte es offensichtlich sein, daß entweder die Sonde oder das Werkstück das zu bewegende Element sein können, die gebräuchlichsten Anwendungen aber schließen die Bewegung der Sonde im Verhältnis zu einem stationären Werkstück ein, und daher werden die unten gegebenen weiteren Beschreibungen auf Anwendungen begrenzt, bei denen die Sonde in Bewegung ist, um so diese Beschreibungen zu vereinfachen.
In Ausführung der Praxis dieser Erfindung gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Techniken zur Messung der Oberflächenparameter von Werkstücken mit Echtzeit-Prozeßlenkung, die in Abhängigkeit von vor allem der gestellten Aufgabe getrennt oder kombiniert angewendet werden können.
Nach einer Technik wird die Geschwindigkeit der Bewegung der Sonde als eine Funktion der gemessenen Kapazität behandelt. Bei dieser Anwendung wird die Sonde auf einer Bewegungsbahn in der Nähe des Werkstücks bewegt, während die sich ändernde Kapazität zwischen der Sonde und dem Werkstück gemessen wird, wobei Änderungen in der Kapazität Schwankungen in der Lücke zwischen der Sonde und dem Werkstück, nahende Änderungen in den Oberflächeneigenschaften des Werkstücks oder beides bezeichnen. Nach dieser Technik ist die Geschwindigkeit der Bewegung der Sonde eine Funktion der gemessenen Kapazität, so daß die Geschwindigkeit der Sonde in Übereinstimmung mit den gemessenen Kapazitätswerten entweder konstant ist, zunimmt, abnimmt oder gestoppt wird. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt aber liegt die Sondengeschwindigkeit bei einer Maximalgrenze, die mit der Notwendigkeit vereinbar ist, den Zusammenprall der Sonde mit dem Werkstück oder eine Übersteuerung zu verhindern. Da die Sonde die Fähigkeit besitzt, das Werkstück zu "sehen", d. h., über die Fähigkeit zur Abstandmessung verfügt, kann ihre Bewegungsgeschwindigkeit hin zur oder quer zur Oberfläche des Werkstücks gesteuert werden, um Vorteil aus möglichen signifikanten Abschnitten ziehen zu können, bei denen nicht die Gefahr besteht, daß die Sonde mit dem Werkstück zusammenprallt oder sich über dieses hinaus bewegt und sinnlose Daten erzeugt, so daß auf diese Weise die Bewegung der Sonde als Echtzeit-Prozeßlenkung signifikant beschleunigt werden kann. Wenn daher für die Sonde in Bewegung nicht die Gefahr besteht, mit dem Werkstück zusammenzuprallen oder dieses zu übersteuern, wird deren Geschwindigkeit maximiert. Wenn sich dagegen die Sonde an eine Oberfläche oder Kante des Werkstücks annähert, wird ihre Geschwindigkeit auf Grund der Tatsache, daß sich die Kapazität im Verhältnis zur Nähe der Sonde zu dieser Oberfläche oder Kante ändert, automatisch im Verhältnis zu deren Nähe zu dieser Oberfläche oder Kante verringert. In dem Maße, wie der Abstand zwischen der Sonde und der Oberfläche oder Kante progressiv kleiner wird, verlangsamt sich progressiv die Geschwindigkeit der Sonde, um eine exaktere Steuerung der Sondenbewegung im Verhältnis zum Werkstück zu ermöglichen, wo eine solche langsame und exakte Steuerung wesentlich ist.
In Ausführung der anderen Technik wird die Sonde innerhalb eines Varianzbandes angrenzend an die Oberfläche des Werkstücks positioniert oder in Bewegung gesetzt, wodurch jede Notwendigkeit entfällt, die Sonde an einem exakten Nullpunkt zu positionieren. Um beispielsweise die Sonde an einem beliebigen Ausgangs- oder Endpunkt zu positionieren, wird die Sonde nicht zu einem bestimmten Nullpunkt geführt, sondern vielmehr innerhalb eines Bandes von angemessener Empfindlichkeit in die Nähe der Oberfläche gebracht. Die variable Abstandsentfernung zwischen der Sonde und dem Werkstück kann leicht anhand der gemessenen Kapazität bestimmt werden. Damit ist die Positionierung der Sonde an einem exakten Nullpunkt nicht wirklich notwendig. Im Ergebnis dessen kann die Sonde viel schneller an eine Ausgangsposition gebracht oder an einer Endposition angehalten werden, da eine Feinabstimmung oder sorgfältige schrittweise Bewegungen zum Orten des exakten Nullpunktes nicht notwendig sind.
Von größerer Bedeutung aber ist die Tatsache, daß diese Technik sehr signifikante Echtzeit-Prozeßlenkungen für Oberflächen-Nachlauf-Messungen wie die Bestimmung des Oberflächenumrisses eines Werkstücks durch fühlergesteuertes Nachformen der Oberfläche ermöglicht. Mit dieser Technik wird die Richtung der Bewegung der Sonde oder deren Bewegungsbahn durch die kontinuierlich gemessene Kapazität bestimmt, so daß die Sonde eine kontinuierliche, ununterbrochene Bewegung innerhalb eines Varianzbandes parallel zur Oberfläche des Werkstücks ausführt. In Ausführung dieser Technik "formt" die Sonde nicht tatsächlich das exakte Profil der Oberfläche des Werkstücks wie bei den Praktiken nach dem bekannten technischen Stand "nach", sondern erbringt vielmehr eine allgemeine Nachformung innerhalb eines gegebenen Abstandsbandes. Der exakte Umriß der Oberfläche des Werkstücks kann jedoch leicht durch Berechnung der entsprechenden Abstandsentfernung ermittelt werden, die eine Funktion der Bewegungsbahn der Sonde, korrigiert um die entsprechende Kapazität. ist. Bei dieser Technik wird die Sonde daher nicht in einer fortschreitenden Serie von senkrecht zueinander stehenden sehr kleinen Bewegungen von einem Nullpunkt zum nächsten bewegt, sondern vielmehr zu einer kontinuierlichen Bewegung ohne Stopp gebracht, und nur ihre Bewegungsrichtung wird im erforderlichen Maße abgestimmt, um die Bewegung innerhalb des Sensitivitätsbandes zu halten. Demzufolge ist die Sonde in der Lage, sehr viel schneller der Oberfläche eines Werkstücks zu folgen, da nicht jede winzige Seitbewegung durch eine senkrechte Bewegung zum Aufsuchen des Nullpunktes korrigiert zu werden braucht, sondern vielmehr jede winzige Bewegung nur in dem Maße korrigiert wird, als das notwendig ist, um die Bewegung innerhalb des gewünschten Bandes zu halten. Die Unterschiede und die Vorteile dieses Verfahrens werden unten ausführlicher erklärt.
Die Bewegung der Sonde basiert wiederum auf ihrer Fähigkeit zur Näherungsmessung, da die Sonde die nächstgelegene Oberfläche des Werkstücks "sehen" und entsprechend programmiert werden kann, um dem Umriß der Oberfläche des Werkstücks innerhalb eines gegebenen Abstandsbandes schnell zu folgen oder diese "nachzuformen". Bei komplexeren Anwendungen können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung variiert werden, um geeignete Algorithmen zur Steuerung der beiden Bewegungsparameter zu schaffen.
Diese zweite Technik basiert auf der Messung der Kapazität, um die Annäherung der sich kontinuierlich bewegenden Sonde innerhalb eines Bandes zu halten, das einen angemessenen Sensitivitätsbereich definiert. Es ist offensichtlich, daß die Abstandsentfernung nicht jeden beliebigen Wert haben kann, da Auflösung und Empfindlichkeit verschwindend gering werden, wenn der Abstand vergrößert wird. Daher muß die zulässige Abstandsentfernung innerhalb eines Bandes gehalten werden, das einen angemessenen Grad an Auflösung und Empfindlichkeit gewährleistet, wie das unten behandelt wird.
Durch die oben beschriebene Technik entfällt die Notwendigkeit einer exakten Positionierung der Sonde, was wiederum eine schnellere und weniger exakte Sondenbewegung ermöglicht und die Notwendigkeit einer zeitraubenden Einstellung der Sonde zum Stoppen und zur schrittweisen Annäherung der Sonde an eine genaue Nullpunktposition hinfällig macht. Die Anwendung dieser Technik in der Praxis unterscheidet sich von der Praxis nach dem bekannten technischen Stand außerdem dadurch, daß jeder zu ermittelnde Parameter der Oberfläche eines Werkstücks nicht nur eine Funktion der Sondenposition, sondern auch der Kapazität an dieser Position ist. Die Kombination dieser Technik mit der Technik der Geschwindigkeitssteuerung bietet noch größere Verbesserungen in der Echtzeit-Prozeßlenkung, da sie sehr genaue Messungen der Oberfläche des Werkstücks ermöglicht, während die Sonde "über diese fliegt", ohne daß es notwendig ist, die Sonde zum Zweck der Aufzeichnung der Sondenposition anzuhalten oder schrittweise zu bewegen.
Es dürfte offensichtlich sein, daß die oben beschriebenen Meßtechniken alle auf der Fähigkeit der Kapazitätssonde zur Abstandmessung basieren. Die Abstandsmessung ist eine Funktion des Hochpegels der Sensitivität der Kapazität als Kehrwert der Entfernung zwischen den Kondensatorplatten, in diesem Fall zwischen dem Sondensensor und dem Werkstück. In dem Maße, wie sich die Sonde nach der Erfindung einem Werkstück oder der Oberfläche eines Werkstücks die im Verhältnis zum Sondensensor als die gegenüberliegende Kapazitätsplatte wirken, annähert, werden Änderungen in der Kapazität feststellbar in beachtlichen Entfernungen, die bis zu einigen Zoll gemessen werden, und sie wird fortschreitend empfindlicher gegenüber Änderungen in der Entfernung, wenn die absolute Entfernung kleiner wird. Damit wird die Steuerung umso exakter, je enger die Annäherung erfolgt. Bei größeren Entfernungen, wenn nur eine Grobsteuerung gewünscht wird, sind mangelnde Empfindlichkeit und Auflösung von geringer Bedeutung, und daher können Grobsteuerungen als Echtzeit-Prozeßlenkungen ausgeführt werden. Durch die Auswertung der kapazitiven Kopplung zwischen dem Werkstück und der Sonde bei Abnahme der reaktiven Entfernung stellt sich daher die Kapazitätsänderung als eine Funktion der Entfernung zwischen den beiden dar, und die ermittelten Werte können als Regelsystem mit Rückführung genutzt werden, um die Annäherung an das Werkstück oder zumindest an die nächstgelegene Oberfläche des Werkstücks mit einem hohen Maß an Präzision und Genauigkeit zu lenken. Die Ergebnisse sind im starken Maße reproduzierbar, so daß eine sehr sichere und wirksame Steuerung eines solchen Arbeitsablaufs erreicht werden kann. Was die mechanische Ausrüstung der Vorrichtung nach der Erfindung betrifft, so kann jede geeignete Werkzeugmaschine eingesetzt werden, die eine relative Bewegung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück bewirkt. Bei Anwendungen, bei denen festgestellt werden soll, ob eine maschinell bearbeitete Oberfläche gemäß den Spezifikationstoleranzen bearbeitet wurde, kann es besonders vorteilhaft sein, dieselbe Werkzeugmaschine zu verwenden, mit der auch das Werkstück maschinell bearbeitet wurde, wozu anstelle des Schneidwerkzeugs die Sonde angebracht wird und dann die relative Bewegung zwischen der Sonde und dem Werkstück ausgeführt wird, um die Parameter der maschinell bearbeiteten Oberfläche nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. Bei der Verwendung als Mehrzweckvorrichtung wäre es jedoch besser, mit einer numerisch gesteuerten Meßmaschine zu arbeiten. Zwei- und dreidimensionale Koordinatenmeßmaschinen, wie sie bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind in Fachkreisen allgemein bekannt und weisen im typischen Fall einen Kopf auf, der zur zwei- oder dreidimensionalen Bewegung im Verhältnis zu einem feststehenden Grundkörper gehalten wird. Der bewegliche Kopf trägt beispielsweise eine Kapazitätstaster-Sonde, wie das in Fig. 1 gezeigt wird. Die Maschine schließt eine Vielzahl von Antriebselementen zur Bewegung des Kopfes und damit der Sonde in zwei oder drei Koordinatenachsen und ein Überwachungsmittel zur Momentanüberwachung und kontinuierlichen Aufzeichnung der Position der Sonde im Verhältnis zu den Koordinatenachsen ein. Wie bereits ausgeführt wurde, sind numerisch gesteuerte Meßmaschinen nach dem bekannten Stand in der Lage, derartige Sondenstellungen mit einer Genauigkeit von 0,00025 mm (0.00001 Zoll) zu überwachen und aufzuzeichnen. Die mechanischen Merkmale von numerisch gesteuerten Meßmaschinen sind in Fachkreisen allgemein bekannt, wofür als Beispiel die Maschinen stehen sollen, die von der Renishaw Electrical Limited aus Gloucestershire, England, hergestellt und verkauft werden, und brauchen daher hier nicht beschrieben zu werden.
Im Gegensatz zu der Ausrüstung nach dem bekannten technischen Stand wird aber beim Verfahren nach der Erfindung die Bewegung der Sonden nicht von Hand ausgewählt oder vorprogrammiert, vielmehr wird das Antriebselement zur Bewegung des Kopfes durch einen Prozessor-Regler innerhalb eines geschlossenen Regelsystems mit Rückführung gesteuert, der die verschiedenen Antriebselemente in Reaktion auf die gemessene Kapazität und in Übereinstimmung mit einem Algorithmus lenkt, der in den Prozessor- Regler programmiert worden ist. Außerdem ist ein Prozessor-Rechner vorhanden, um die Parameter der Oberfläche des Werkstücks als eine Funktion der aufgezeichneten Bewegungsbahn der Sonde und der dieser entsprechenden aufgezeichneten Kapazitätswerte zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Kapazitätssonde nach der Erfindung gezeigt, das für Mehrzweckanwendungen geeignet ist. Die in Fig. 1 gezeigte Sonde weist ein längliches Tasterrohr (12) mit einem im wesentlichen kugelförmigen metallischen Sensor (10) an der Spitze auf. Das Tasterrohr (12) besteht aus einem starren leitenden Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, wobei auch der Kondensatorsensor (10) aus einem leitenden Metall besteht, das vorzugsweise einen stark leitenden, korrosionsbeständigen Oberflächenüberzug hat. Der Sensor (10) wird mit dem Tasterrohr (12) durch einen nichtleitenden Klebstoff (14) verbunden, beispielsweise ein Epoxidharz, so daß der Sensor (10) elektrisch gegenüber dem Taster (12) isoliert ist. An dem Sensor (16) ist leitend ein starrer leitender Draht (16) befestigt, der von diesem durch die Mitte des Tasterrohres (12) führt, wobei ein Isolationsmaterial (18), beispielsweise ein Epoxidharz, gleichmäßig um den Draht (16) angeordnet ist, um diesen gegenüber den zylindrischen Flächen des rohrförmigen Tasters (12) zu isolieren und im gleichmäßigen Abstand zu diesen zu halten. Bei der Arbeit ist das leitende Tasterrohr (12) geerdet, so daß es den Draht (16) vor jeder Streukapazität oder möglichen Einflüssen der Umgebung abschirmt. Bei den meisten praktischen Anwendungen sollte der Sensor einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 mm haben, wobei das Tasterrohr im Idealfall ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 0,08 cm ist, das einen Innendurchmesser von 0.05 cm hat und einen 0,025 cm starken Draht aufnimmt. Die Gesamtlänge der Sonde beträgt normalerweise cm bis 20 cm. Die im wesentlichen kugelförmige Konfiguration des Sensors (10) ist zwar ideal für viele Anwendungen und ergibt einen guten Mehrzwecksensor, es dürfte jedoch offensichtlich sein, daß der Sensor unterschiedliche Größen und andere Konfigurationen haben kann, wie sie für jede spezielle Anwendung von Nutzen sein können. Beispielsweise kann der Sensor die Form einer scharfen Spitze haben, wenn außergewöhnlich kleine Werkstücke gemessen werden sollen, oder er kann als Alternative dazu die Form einer flachen Scheibe haben, um den Grad der Ebenheit von flachen Werkstückoberflächen zu messen, usw.
Wie oben ausgeführt wurde, wird die primäre Kapazitätsbeziehung, auf der die Erfindung basiert, dargestellt durch die Grundbeziehung
C = KA/t,
wenn jedoch mit einem kugelförmigen Sensor gearbeitet wird, wie er in Fig. 1 gezeigt wird, dann lautet ein genauerer Ausdruck für diese Beziehung
C = C&sub0; - AKT/B,
wobei C&sub0; die umgebende Luft-Kapazität ist und B ein konstanter Wert ist, der im Verhältnis zum Durchmesser des Sensors steht. Wenn daher die Sonde eine Entfernung t zur Oberfläche eines Werkstücks aufweist, wird die Entfernung bestimmt durch die Beziehung
t = B ln (C&sub0; - C/A) oder
t = B ln (C&sub0; - C) - B ln A
Ein typischer Wert für B kann dadurch bestimmt werden, daß man zwei Punkte auf einer Eichkurve nimmt, z. B.
25,4 µm (1 mil) C&sub0; - C = 300
76,2 µm (3 mil) C&sub0; - C = 194
Daher
1 = B ln (300) - B ln (A)
3 = B ln (194) - b ln (A) und
2 = B ln (194/300) - B ln (A).
Bei einem Durchmesser des Sensors von 1,295 mm (0.051 Zoll) betrug der beobachtete Wert von B 4,59 mil (11.6586 µm), und bei einem Durchmesser von 1,016 mm (0.040 Zoll) betrug der beobachtete Wert von B 3,59 mil (9.1186 µm).
Unter Bezugnahme auf Fig. 2, 3, 4 und 5 wird schematisch ein Sondensensor in der Nähe von vier verschiedenen Zuständen der Oberfläche eines Werkstücks gezeigt, wie sie für die Steuerung der Bewegung der Sonde angewendet werden können. Die Kapazität zwischen dem Sensor (10) und dem Werkstück (30) wird in Form von Linien dargestellt, die zwischen dem Sensor (10) und den Oberflächen der Werkstücke verlaufen. In Fig. 2 wird gezeigt, daß sich der Sensor dicht über einer flachen Oberfläche eines Werkstücks (30) befindet, wobei die Kapazität nicht signifikant durch andere Flächen oder zurückweichende Kanten beeinflußt wird. In diesem Fall ist der signifikanteste Kapazitätswert der, welcher durch die im engen Abstand verlaufenden geraden Linien dargestellt wird, die an den Punkten vom Sensor (10) zum Werkstück verlaufen, an denen diese einander am nächsten sind. Die Randkapazität, die durch die gekrümmten Linien dargestellt wird, stellt an diesem Punkt nicht das näherrückende Vorhandensein jeder Änderungen in den Oberflächenmerkmalen fest. Wenn sich daher die in Fig. 2 dargestellte Sonde in einer geraden Linie parallel zur Oberfläche des Werkstücks (30) mit einer Geschwindigkeit bewegt, die der gemessenen Kapazität umgekehrt oder direkt proportional ist, dann kann Fig. 2 als die Darstellung der Sonde betrachtet werden, wenn sich diese mit Höchstgeschwindigkeit oder annähernd Höchstgeschwindigkeit an einer beliebigen Stelle zwischen den beiden Endpunkten der zu messenden Oberfläche des Werkstücks bewegt.
Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, bei der aber die Position des Sondensensors an einem Endpunkt nahe einer Innenecke dargestellt wird. Wenn sich der Sondensensor an diese angrenzende Innenfläche (30A) annähert, wird die Geschwindigkeit der Sonde im Verhältnis zu der ansteigenden Kapazität verlangsamt und schließlich gestoppt oder die Bewegungsrichtung geändert. wenn eine festgelegte Kapazität erreicht ist, wie sie durch die Gesamtkapazität dargestellt wird, die zwischen dem Sensor und den beiden Oberflächen des Werkstücks gemessen wird. Aus der Gegenüberstellung von Fig. 2 und 3 dürfte ersichtlich sein, daß die Kapazität, die in der in Fig. 3 dargestellten Position gemessen wird, annähernd das Doppelte des Wertes beträgt, der in der in Fig. 2 dargestellten Position gemessen wurde.
Fig. 4 ist im wesentlichen die gleiche Darstellung wie Fig. 3, mit der Ausnahme, daß sie die Sonde an einem Endpunkt über einer Außenecke zeigt. Diese Abbildung könnte für eine Situation repräsentativ sein, bei der sich die Sonde längs der Oberfläche (30) parallel zu dieser mit einer Geschwindigkeit bewegt hat, die im direkten Verhältnis zu der gemessenen Kapazität steht, wobei Fig. 2 wieder die Sonde in der Bewegung bei Höchstgeschwindigkeit oder annähernd Höchstgeschwindigkeit an einer beliebigen Stelle zwischen den beiden Endpunkten zeigt, wie das im wesentlichen oben beschrieben wurde. Bei dieser Anwendung aber müssen die Geschwindigkeit der Sonde und die Position zum Anhalten oder zur Änderung der Richtung im direkten Verhältnis zur gemessenen Kapazität gesteuert werden, da die Kapazität abnimmt, während sich die Sonde an die Außenecke annähert. Wenn sich der Sensor an die Außenecke annähert, wie das in Fig. 4 gezeigt wird, wird die Bewegung der Sonde im Verhältnis zur gemessenen abnehmenden Kapazität, d. h., zu der abnehmenden Kapazität, die durch Annäherung an die Werkstückkante bewirkt wird, verlangsamt und schließlich gestoppt oder an dem festgelegten Endpunkt umgekehrt, wie das in Fig. 4 gezeigt wird.
Fig. 5 ist repräsentativ für eine Sonde, die angrenzend an eine unebene Oberfläche eines Werkstücks in Bewegung ist, womit eine Situation dargestellt werden könnte, bei der die Sonde programmiert ist, die Oberfläche des Werkstücks zum Zweck der Bestimmung von dessen Umriß oder Profil "nachzuformen".
Fig. 6 ist ein Graph, der allgemein den gemessenen Kapazitätswert als eine Funktion des Abstands zwischen dem Sondensensor und der Oberfläche des Werkstücks darstellt. Wie festgestellt werden kann, ist die gemessene Kapazität verhältnismäßig klein und nimmt nicht wesentlich zu, wenn die Abstandsentfernung abnimmt, wenn eine beachtliche Entfernung zwischen dem Sondensensor und dem Werkstück vorhanden ist, wie das durch die rechte Seite des Graphen veranschaulicht wird. Trotzdem ist eine Differenz vorhanden, die gemessen und dazu genutzt werden kann, die Sonde zu dem Werkstück hin zu führen, d. h., in die Richtung der zunehmenden Kapazität, wenn eine solche Steuerung gewünscht wird. Wenn die Entfernung zwischen dem Sondensensor und dem Werkstück fortschreitend geringer wird, tritt eine fortschreitend zunehmende Kapazität auf, so daß aus verhältnismäßig winzigen Änderungen im Abstand sehr signifikante Änderungen in der Kapazität resultieren. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß an einem Punkt kurz vor dem direkten Kontakt zwischen den beiden Platten eines Kondensators, d. h., in diesem Fall zwischen dem Sensor und dem Werkstück, auf Grund der Ionisation der Luft zwischen diesen ein Durchschlag der Kapazität erfolgt, der die Verbindung durch Kurzschluß überbrückt. Dieser Punkt variiert in Abhängigkeit von der zwischen den Kondensatorelementen angelegten Spannung und anderen Faktoren, wie der Temperatur und Verunreinigungen in der Luft. Dieser Durchschlagpunkt wird in dem Graphen durch die gepunktete Linie A gezeigt.
Wie bereits ausgeführt worden ist, wurde bei den nach dem bekannten technischen Stand ausgeführten Meßverfahren unter Verwendung von Kapazitätssonden versucht, den Sondensensor an einer bestimmten Nullpunktstellung kurz vor dem Durchschlagpunkt, wie er durch eine spezifizierte Kapazitätsanzeige definiert ist, zu halten oder den Sondensensor zu dieser zu bewegen, und dann diese Abstandsentfernung zu der gemessenen Entfernung zu addieren oder von dieser zu subtrahieren. Es wurde ebenso bereits ausgeführt, daß eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung auf der Arbeit mit einem Abstandsband anstelle eines bestimmten Nullpunktes beruht, um Echtzeit-Prozeßlenkungen zu ermöglichen. Ein Beispiel für das Abstandsband wird durch die beiden gestrichelten Linien B und C in Fig. 6 gezeigt. Das Ende des Bandes, das dem Werkstück am nächsten liegt, d. h., die Linie B, sollte natürlich größer als der Durchschlagpunkt sein, so daß sinnvolle Kapazitätswerte ermittelt werden können. Das andere Ende des Bandes wird durch den notwendigen Grad an Empfindlichkeit und Auflösung für die jeweilige Meßanwendung bestimmt. Es ist offensichtlich, daß der Sensor bei der Kapazitätsmessung umso weniger empfindlich ist, je weiter weg diese Grenze von der Oberfläche des Werkstücks ist. Wie in Fig. 6 gezeigt wird, ist die Kapazitätslinie, die dicht am Werkstück verläuft, ziemlich steil, so daß das Abstandsband von B bis C zwar ziemlich schmal ist, aber einen breiten Kapazitätsbereich darstellt, wie das durch die Linien D und E gezeigt wird.
Als Beispiel für die Größenordnung des Abstandsbandes wurde ermittelt, daß bei einer angelegten Spannung von 12 V Gleichstrom ein Mindestabstand von etwa 0.0025 mm (0.0001 Zoll) ideal ist, um eine zu enge Annäherung zu vermeiden, bei der ein Durchschlag zu falschen Anzeigeergebnissen führen würde. Da eine numerisch gesteuerte Meßmaschine nach dem bekannten Stand eine Genauigkeit von 0,00025 mm (0.00001 Zoll) hat, kann festgestellt werden, daß diese Genauigkeit bei Abstandsentfernungen bis zu 0.025 mm (0.001 Zoll) aufrechterhalten werden kann. Um die Möglichkeit einer Genauigkeit von 0.00025 mm der numerisch gesteuerten Meßmaschine beibehalten zu können, sollte daher in der Praxis ein gutes Abstandsband zwischen 0,0025 bis 0,025 mm (0.0001 bis 0,001 Zoll) liegen, wenn eine Gleichspannung von 12 V angelegt wird. Wie festgestellt werden kann, ergibt das ein ziemlich breites Abstandsband, wobei der Höchstwert das Zehnfache des Mindestwertes beträgt. Wenn geringere Toleranzen als 0.00025 mm akzeptiert werden können, kann das Empfindlichkeitsband noch verbreitert werden, wodurch die Arbeitsgänge mit einer etwas höheren Geschwindigkeit ausgeführt werden können.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird schematisch die Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, wobei sie den Sensor 10 in enger Nähe zur Oberfläche des Werkstücks (30) zeigt. Die Sonde ist am Kopf (40) einer herkömmlichen numerisch gesteuerten Meßmaschine (45) angebracht, die Antriebselemente (42) und (43) einschließt, um den Kopf (40) in zwei oder drei Koordinatenachsen anzutreiben. Die numerisch gesteuerte Meßmaschine (45) schließt auch ein Positionsregistriergerät (44) ein, das kontinuierlich die Position des Sensors (10) aufzeichnet und damit eine grafische Darstellung der Bewegungsbahn des Sensors erstellt. Innerhalb eines Regelsystems mit Rückführung mit der Sonde ist auch ein Prozessor- Regler (46) vorhanden, der kontinuierlich den dynamischen Kapazitätswert zwischen dem Sensor (10) und der Oberfläche des Werkstücks (30) überwacht und aufzeichnet. Der Prozessor-Regler (46) steuert dann die Bewegung des Sensors (10) in Reaktion auf den empfangenen Kapazitätswert durch Steuerung der Antriebselemente (42) und (43). Außerdem ist auch ein Prozessor-Rechner (48) vorhanden, um den zu ermittelnden Parameter der Oberfläche des Werkstücks dadurch zu bestimmen, daß Daten über die aufgezeichnete Bewegungsbahn des Sensors vom Positionsregistriergerät (44) und die dieser entsprechende aufgezeichnete Kapazität empfangen werden. Der Prozessor-Rechner berechnet die Parameter des Werkstücks durch Korrektur der Bewegungsbahn der Sonde unter Berücksichtigung der Abstandsentfernung, wie sie durch die korrelierten Kapazitätswerte angegeben wird. Bei dem Prozessor-Regler (46) und dem Prozessor-Rechner (48) kann es sich natürlich um jede geeignete Analog- oder Digitalsteuerelemente handeln, die so programmiert werden können, daß die entsprechenden Funktionen ausgeführt werden. Diese Steuerelemente sind in Fachkreisen allgemein bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden.
Das Folgende wird als ein Beispiel für die Fähigkeit der einfachen Abstandsmessung der vorliegenden Erfindung gegeben, nach dem Einspannen des Werkstücks dürfte der erste Schritt bei jedem Meßvorgang normalerweise das Antreiben der Sonde zur Mitte der nächstgelegenen Oberfläche des Werkstücks und deren Selbst-Positionierung in einem festgelegten Abstandsverhältnis, d. h., in einer Abstandsentfernung oder innerhalb eines Abstandsbandes, von der Mitte der Oberfläche des Werkstücks sein. Wenn die Position eingenommen ist, hat der Betriebszustand der Abstandsmessung seine Funktion erfüllt, d. h., der Führung, Verlangsamung und Begrenzung des Annäherungsmechanismus zu einem festgelegten Punkt oder Band nahe der Oberfläche des Werkstücks. Von diesem Punkt ausgehend, werden dann andere Techniken und Algorithmen angewendet, um diese oder jene Meßfähigkeit des Systems wirksam werden zu lassen.
Zu den zusätzlichen Parametern, die zu messen und zu bestimmen sind, können jede einzelne oder mehrere der Abmessungen einer Oberfläche oder eines Hohlraumes, die Form, der Oberflächenumriß und ähnliche gehören. Im Zusammenhang mit diesen Funktionen gibt es eine große Zahl von Verfahren nach dem bekannten Stand, ein Vorteil der vorliegenden Erfindung aber ist es, daß diese Funktionen effektiv viel schneller und sogar "wie im Fluge" ausgeführt werden können, um Echtzeit-Prozeßlenkungen mit einem sehr hohen Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu ergeben.
Die Bestimmung einer Innenflächendimension, beispielsweise des Abstands zwischen zwei gegenüberliegenden Werkstückoberflächen, kann nach Verfahren der Abstandsmessung erfolgen, wozu die Sonde so programmiert wird, daß sie die Entfernung zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen eines Werkstücks überquert und in der Bewegung stoppt, wenn eine festgelegte Kapazität erreicht ist, wie das im wesentlichen in US-PS 4816744 beschrieben wird, auf die oben verwiesen wurde. Die tatsächlich geeichte Entfernung ist gleich der Entfernung, welche die Sonde zurückgelegt hat (wie sie durch die numerisch gesteuerte Meßmaschine gemessen wird), plus dem Zweifachen der Abstandsentfernung, d. h., der Entfernung, um welche die Mitte der Sonde bei jeder der Stopp-Positionen von der Oberfläche des Werkstücks entfernt ist.
Im Gegensatz zu dem Verfahren aber, das in dem genannten Patent beschrieben wird, schließt das Verfahren nach der Erfindung wenigstens eine Echtzeit-Prozeßlenkung dahingehend ein, daß die Geschwindigkeit der Sondenbewegung eine umgekehrte Funktion der gemessenen Kapazität ist. Im einzelnen würde in den Prozessor-Regler derart ein Algorithmus einprogrammiert, daß die Geschwindigkeit der Sonde bei der Bewegung zwischen den beiden Oberflächen nicht konstant ist, sondern vielmehr eine umgekehrte Funktion der Kapazität, die gemessen wird. Wenn sich die Sonde von der Oberfläche des einen Werkstücks weg bewegt, nimmt ihre Geschwindigkeit progressiv zu und erreicht ihren Höchstwert am Mittelpunkt zwischen den beiden Oberflächen. Wenn sich die Sonde an die Oberfläche des anderen Werkstücks annähert, verringert sich ihre Geschwindigkeit im Verhältnis zu der zunehmenden gemessenen Kapazität, wobei die Rate der Verlangsamung zunächst gering ist und eine progressiv zunehmende Rate der Verlangsamung auftritt, wenn sich die Sonde an die Oberfläche des Werkstücks annähert, und die Sonde letztlich an einem gegebenen Nullpunkt oder innerhalb eines gegebenen Abstandsbandes von der heranrückenden Oberfläche gestoppt wird. Auf diese Weise werden Echtzeit-Prozeßlenkungen leicht dadurch ausgeführt, daß die Sondenposition während einer Zeitspanne, in der eine enge Lenkung nicht notwendig ist, schnell vorwärts bewegt wird, und die Bewegung der Sonde progressiv verlangsamt wird, wenn die Annäherung an die Oberfläche enger wird, um die Annäherung mit einem hohen Maß an Präzision und Auflösung zu lenken.
Es dürfte offensichtlich sein, daß die Antriebselemente zur Bewegung der Sonde bestimmten Geschwindigkeitsbegrenzungen unterliegen, so daß die Geschwindigkeit der Sonde, ungeachtet des gemessenen Kapazitätswertes, eine Obergrenze aufweist. Eine derartige Begrenzung beeinträchtigt jedoch die Vorteile der günstigen Echtzeit-Prozeßlenkung, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung erzielt werden, nicht wesentlich.
Für eine weitere Echtzeit-Prozeßlenkung bei der oben beschriebenen Messung ist es nicht wesentlich, daß die Ausgangs- und die Endposition der Sonde an einen gegebenen Nullpunkt fixiert sind, sondern daß sie nur innerhalb eines festgelegten Bandes der bevorzugten Empfindlichkeit eingeortet werden. Folglich wird es überflüssig, sich die Zeit zur sorgfältigen Positionierung der Sonde in einer genauen Nullpunkt- Ausgangsposition zu nehmen und Zeit darauf zu verwenden, die Sonde zum Stillstand zu bringen und sie auf eine genaue Nullpunkt-Endposition einzustellen oder schrittweise auf diese hin zu bewegen. In Ausführung dieses anderen Verfahrens der Erfindung wird die Sonde von jeder gegebenen Abstandsposition innerhalb eines Abstandsbandes, wie es oben beschrieben wurde, aus bewegt und mit der optimalen Geschwindigkeit zu der gegenüberliegenden Oberfläche bewegt. Da sich die gemessene Kapazität im Ergebnis der Annäherung der Sonde an die gegenüberliegende Fläche erhöht, wird die Geschwindigkeit im Verhältnis dazu verringert und bei einer Abstandsentfernung innerhalb des Abstandsbandes gestoppt. Die Entfernung zwischen den beiden gegenüberliegenden Flächen ist daher die Summe der von der Sonde zurückgelegten Entfernung plus der beiden Abstandsentfernungen. Im Gegensatz zu den Praktiken nach dem bekannten Stand ist dieser Abstand nicht eine im voraus bestimmte festgelegte Position, sondern eine, die durch den Prozessor-Rechner als eine Funktion der Kapazität berechnet werden muß. Es dürfte jedoch offensichtlich sein, daß der Prozessor- Rechner dieser Berechnung in viel kürzerer Zeit ausführen kann als gebraucht wird, um die Sonde an den beiden genauen Nullpunkt-Positionen auszurichten. Bei diesem Verfahren werden zwei Echtzeit-Prozeßlenkungen angewandt.
Als dritte Echtzeit-Prozeßlenkung kann die Richtung der Bewegung der Sonde als eine Funktion der gemessenen Kapazität ermittelt werden. Im einzelnen kann die Sonde so programmiert werden, daß sie sich auf der Grundlage der Fähigkeit der Sonde zur Abstandsmessung in einer Linie senkrecht zu den Oberflächen eines Werkstücks bewegt, von denen sie zurückweicht oder zu denen sie sich hin bewegt. Das geschieht durch Programmierung der Sondenbewegung in einer Richtung zur Maximierung der Kapazitätsabnahme oder -zunahme. Beispielsweise wird die Sonde zuerst in einer Richtung der maximal abnehmenden Kapazität bewegt, wenn sie von der ersten Oberfläche weg bewegt wird, und wenn sie sich dann zu der gegenüberliegenden Fläche hin bewegt, bewegt sie sich in einer Richtung der maximal zunehmenden Kapazität. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Bewegung der Sonde in einer Linie senkrecht zu den entsprechenden Werkstückoberflächen erfolgt, die senkrecht zu jeder einzelnen oder zu beiden der Oberflächen verläuft, ungeachtet der Ausrichtung der Halterung des Werkstücks am stationären Grundkörper. Folglich ist eine sorgfältige Ausrichtung des Werkstücks in der Werkstückhalterung im Verhältnis zu den Koordinaten des sich bewegenden Kopfes nicht von Bedeutung, und folglich können weitere Vorteile der Echtzeit-Prozeßlenkung erzielt werden. Bei der Messung des Durchmessers einer Bohrung können beispielsweise ähnliche Verfahren angewendet werden, wie sie in US-PS 4 816 744, auf die oben verwiesen wird, beschrieben werden, mit der Ausnahme, daß es nicht notwendig ist, die Sonde in einer Linie senkrecht zu den Oberflächen der Bohrung oder durch den Mittelpunkt des Durchmessers zu bewegen. Bei einer entsprechenden Steuerung auf der Grundlage der Datenverarbeitung braucht der Bediener nur drei Kontaktpunkte auf dem Umfang der Bohrung festzulegen. Auf der Grundlage dieser drei Punkte können die Parameter der Bohrung leicht bestimmt werden. Um eine genauere Bestimmung des Durchmessers der Bohrung und eine Bestimmung der Genauigkeit der Bohrung gemäß den Spezifikationen vornehmen zu können, brauchen nur mehr als drei dieser Kontaktpunkte bestimmt und geeicht zu werden. Bei einer solchen Messung können jedoch die Techniken der Sondengeschwindigkeit und des Abstandsbandes einbezogen werden, um eine Echtzeit-Prozeßlenkung zu erreichen, mit welcher der Umfang der Bohrung leicht definiert werden kann.
Um die Entfernung zwischen zwei parallelen Außenflächen zu bestimmen, kann, mit geringfügigen Unterschieden, im wesentlichen das gleiche Verfahren angewendet werden. Gemäß einer ähnlichen Technik, wie sie bei numerisch gesteuerten Meßmaschinen des bekannten Standes angewandt wird, wird die Sonde angrenzend an eine Oberfläche positioniert und wird ihre Koordinatenposition bestimmt. Dann wird die Sonde angrenzend an die gegenüberliegende Oberfläche an einem Punkt positioniert, welcher der ersten Position genau gegenüberliegt, und es wird erneut die Koordinatenposition aufgezeichnet. Die Entfernung kann leicht anhand des Abstands zwischen den beiden Positionen der Koordinatenachsen, abzüglich der Abstandsentfernungen, ermittelt werden. Wie ausgeführt wurde, können die Abstandsentfernungen schnell anhand des dort gemessenen Kapazitätswertes bestimmt werden. In Ausführung dieser Erfindung kann die oben beschriebene Technik durch jede einzelne oder mehrere der Echtzeit- Prozeßlenkungen nach der Erfindung erheblich beschleunigt werden. Beispielsweise kann die Bewegung der Sonde von einer Oberfläche zur anderen mit optimaler Geschwindigkeit erfolgen, und die Position der Sonde angrenzend an die Oberflächen des Werkstücks braucht nicht an einer vorher definierten Abstandsposition, sondern nur innerhalb eines Abstandsbandes gestoppt zu werden.
Die Fähigkeit zur Näherungsmessung des Verfahrens nach der Erfindung bietet jedoch Techniken zur Bestimmung von Außenmessungen, die den oben beschriebenen Techniken weit überlegen sind und die bei Kontaktsonden nach dem bekannten Stand nicht angewendet werden können. Auf Grund der Fähigkeit der Sonde zur Näherungsmessung kann sie eine Außenabmessung nach einem ähnlichen Verfahren messen, wie es zur Messung einer Innenabmessung angewendet wurde, wozu die Sonde längs der zu messenden Oberfläche von einer Außenkante zur anderen bewegt wird, während die Kapazität zwischen der Sonde und der angrenzenden Oberfläche gemessen wird und die Bewegung der Sonde in Reaktion auf die Kapazitätsmessung gesteuert wird. Durch eine entsprechende Voreichung des Kapazitätswertes bei der Positionierung der Sonde direkt über der Kante des Werkstücks, wie das in Fig. 6 dargestellt wird, können leicht der Endpunkt bestimmt und die Sonde an einem Endpunkt gestartet und zum anderen bewegt werden. Folglich wird die Außenabmessung bestimmt als die Entfernung, die von einem Endpunkt zum anderen zurückgelegt wird, ohne daß irgendeine Verschiebungskorrektur notwendig ist.
Eine Echtzeit-Prozeßlenkung kann in die oben genannte Technik ebenso durch Steuerung der Sondengeschwindigkeit im direkten Verhältnis zur gemessenen Kapazität einbezogen werden. In der Nähe der mittleren Abschnitte des Werkstücks, wo die gemessene Kapazität ihren Höchstwert oder annähernd ihren Höchstwert aufweist, erreicht die Bewegung der Sonde ihre Höchstgeschwindigkeit oder annähernd ihre Höchstgeschwindigkeit. Wenn sich die Sonde an eine Kante des Werkstücks annähert, verringert sich die Kapazität im Verhältnis zur Nähe der Kante. Daher wird die Bewegung der Sonde automatisch im Verhältnis zu der abnehmenden Kapazität verlangsamt und am entsprechenden Endpunkt gestoppt, wie er durch die gemessene Kapazität gegeben wird. Die Abmessung der Außenfläche kann dann leicht als die Entfernung bestimmt werden, die von der Sonde zurückgelegt wurde und durch die numerisch gesteuerte Meßmaschine angegeben wird, ohne daß Korrekturen notwendig sind.
Ein signifikanter Vorteil der oben beschriebenen Technik ist die Möglichkeit, daß die Sonde ziemlich schnell in seitlicher Richtung längs der Oberfläche des Werkstücks im Modus der Nachformung der Oberfläche, wie er oben beschrieben wurde, bewegt werden kann. Um eine solche Bewegung nach den bekannten technischen Verfahren ausführen zu können, ist es notwendig, die Sonde in winzigen Schritten seitlich zu bewegen, wobei sich an jeden Schritt eine Einstellung der Sonde senkrecht zur Nullpunkt- Entfernung anschließt, ein sehr zeitraubendes Verfahren. Nach der vorliegenden Erfindung dagegen wird die Sonde in einer ununterbrochenen kontinuierlichen Bewegung seitlich innerhalb eines Abstandsbandes bewegt, wobei nur periodische Korrekturen in der Richtung notwendig sind, um die Bewegung innerhalb des Bandes zu halten. Durch Einbeziehung des Konzepts der Geschwindigkeitssteuerung nach der Erfindung ist diese Bewegung nicht nur ununterbrochen, sondern wird auch mit der optimalen Geschwindigkeit ausgeführt, die entsprechend der notwendigen Steuerung möglich ist, um ein Übersteuern der Sonde an der Kante des Werkstücks zu verhindern.
Fig. 8 und 9 werden zu dem Zweck gegeben, die Bewegungsbahn innerhalb eines Abstandsbandes nach der Erfindung im Vergleich zur Bewegungsbahn nach den bekannten Verfahren grafisch darzustellen. Die jeweiligen Bewegungsbahnen werden durch die gepunkteten Linien dargestellt, während die Nullpunkt-Linie sowie das Abstandsband durch gestrichelte Linien dargestellt werden. Die Breite des Abstandsbandes und die Änderungen in der Richtung wurden in den Abbildungen übertrieben dargestellt, um winzige Schwankungen sichtbar machen zu können. Wie in Fig. 8 deutlich ist, verlangt das Verfahren nach dem bekannten Stand eine große Zahl von winzigen schrittweisen Seitbewegungen, an die sich jeweils eine oder mehrere schrittweise Bewegungen anschließen, um die Sonde zu einem Nullpunkt zu bringen, an dem ihre Position dann aufgezeichnet wird. Aus Fig. 9 dagegen wird ersichtlich, daß das Verfahren nach der Erfindung eine ununterbrochene seitliche Bewegung ermöglicht, die nur periodisch korrigiert wird, ohne dabei zu stoppen, um die Bewegung innerhalb des Bandes zu halten. Es dürfte offensichtlich sein, daß selbst ohne die Anwendung des Merkmals der Geschwindigkeitsmaximierung nach der vorliegenden Erfindung die Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung, die Bewegung der Sonde innerhalb eines Bandes zu halten, dazu führt, daß die Sonde eine gegebene Entfernung weit schneller zurücklegen kann, als das bei den Techniken nach dem bekannten Stand möglich ist.
Die Arbeit mit einem Abstandsband, wie es oben beschrieben wurde, bietet noch weitere Vorteile. Beispielsweise kann eine die Oberfläche nachformende Sonde sogar so programmiert werden, daß sie an der Ecke wendet und der angrenzenden Oberfläche folgt, so daß der gesamte Umfang eines Werkstücks in einem einzigen Arbeitsgang gemessen und bestimmt werden kann. Um eine solche Wendebewegung auszuführen, wird die Steuerung so programmiert, daß die seitliche Bewegung der Sonde verlangsamt wird, wenn sich diese an eine Ecke annähert, wie das in Fig. 9 dargestellt wird. Wenn sie die Ecke erreicht, fällt die gemessene Kapazität auf Grund einer verringerten Kapazität von der vorderen Seite der Sonde erheblich ab. Im Ergebnis dessen wird das Abstandsband natürlich enger an die Ecke des Werkstücks herangezogen, wie das in Fig. 9 gezeigt wird. Die angrenzende Fläche ist aber in der Lage, eine Kapazität zu bewirken, wofür auch ein gleiches Abstandsband anwendbar ist. Wenn die Sonde daher eine Ecke eines Werkstücks erreicht, nimmt die gemessene Kapazität im Ergebnis der verschwindend geringen Kapazität an der Vorderseite des Sensors natürlich sehr stark ab. Das bewirkt, daß der Prozessor-Regler "denkt", daß sich die Sonde von der Oberfläche des Werkstücks weg bewegt, und er die Sonde daher enger an die Ecke des Werkstücks heranführt. Auf Grund der Mindestgrenze des Bandes berührt der Sensor aber nicht die Ecke des Werkstücks, sondern schwenkt vielmehr in dem Maße um die Ecke, wie das erforderlich ist, um die Bewegung innerhalb der Grenzen der Abstandskapazität beizubehalten. Folglich bewirkt die Bewegung der Sonde innerhalb des Abstandsbandes, daß sie sich von der Endstelle der einen Oberfläche zur Endstelle der angrenzenden Oberfläche bewegt, wodurch sie dann weiter der anschließenden Oberfläche folgt oder diese nachformt, wie das im wesentlichen in Fig. 9 dargestellt ist. Anschließend bewegt sich die Sonde innerhalb des Abstandsbandes entlang der neuen Oberfläche, wiederum von einer Ecke zur nächsten, und das so lange weiter, bis das Werkstück vollständig umkreist worden ist.
Die Nutzung eines Abstandsbandes ist besonders vorteilhaft, wenn der Umfang eines Werkstücks gemessen wird, wie das oben beschrieben wurde. Bei diesem Verfahren kann veranlaßt werden, daß die Sonde das Werkstück innerhalb des Abstandsbandes mit einer vorteilhaften Sondengeschwindigkeit umschreibt, da die Sonde nicht an einem Endpunkt nahe einer äußeren Ecke anzuhalten braucht, sondern nur verlangsamt werden muß, um die Wendung auszuführen. Die Abmessungen des Umfangs der Werkstücks können leicht durch die von der Sonde zurückgelegte Bahn, die durch die numerisch gesteuerte Meßmaschine definiert wird, korrigiert durch Subtraktion des Raumes zwischen der Sonde und dem Werkstück, wie er durch das Kapazitätsprofil definiert ist, bestimmt werden. Auf gleiche Weise könnte der Innenumfang gemessen werden.
Um ein Oberflächenprofil zu bestimmen, kann jedes der beiden Verfahren angewendet werden, wobei das eine ideal geeignet ist, um eine Makro-Änderung des Oberflächenprofils darzustellen, beispielsweise den Umriß einer Turbinenschaufel oder den Umfang eines Zylinders, während das andere ideal geeignet ist, um ein Mikro-Oberflächenprofil darzustellen, beispielsweise die Oberfläche einer Münze. Das Makroprofil-Verfahren ist im wesentlichen das gleiche, wie es oben für die Messung des Umfangs eines Werkstücks beschrieben wurde. Im einzelnen wird die Sonde auf einer Bahn bewegt, um das Profil des Werkstücks innerhalb eines definierten Abstandsbandes im wesentlichen nachzuformen, während die Geschwindigkeit der Sonde als eine Funktion der gemessenen Kapazität gesteuert wird, wie das im wesentlichen oben beschrieben wurde. Bei der Mikro-Anwendung wird die Sonde in einer geraden Linie im allgemeinen parallel zur Gesamtoberfläche des Werkstücks bewegt, während die variable Kapazität gemessen und grafisch dargestellt wird. Da hohe Stellen zu einer Zunahme der Kapazität führen und niedrige Stellen zu einer Abnahme der Kapazität, gibt eine logarithmische Darstellung der Kapazitätswerte das lineare Profil der Oberfläche des Werkstücks an. Bei jedem einzelnen der beiden Verfahren ermöglicht es eine Vielzahl dieser Arbeitsgänge in parallelen Bewegungslinien, die im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind, den Oberflächenumriß zu bestimmen und dreidimensional darzustellen.
Es wurde festgestellt, daß es, um das hohe Maß an Empfindlichkeit und Auflösung der Kapazitätssonde nach der Erfindung voll nutzen zu können, wesentlich ist, alle Kapazitätsmessungen auf die tatsächliche Kapazität der Kopplung, d. h., die Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück, zu korrigieren und jede Kapazität auszuschließen, die durch Einflüsse der Umgebung, wie Temperatur. Atmosphäre, Feuchtigkeit, und äußeres Rauschen, wie elektromagnetische Interferenz und Funkfrequenz- Interferenz, herbeiführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine angemessene Korrektur durch Bereitstellung von zwei Korrekturmitteln erreicht werden kann, wie das in Fig. 7 gezeigt wird. Erstens muß der Prozessor-Regler gegenüber Einflüssen der Umgebung abgeschirmt werden. Das kann durch physische Abschirmung der Schaltung innerhalb einer kontrollierten Umgebung geschehen, beispielsweise dadurch, daß die Schaltung in einem geerdeten leitenden Behälter (50) untergebracht wird, der die Schaltung gegenüber äußerem Rauschen, äußeren Verunreinigungen, wie Schmutz, Feuchtigkeit, und äußeren Kapazitätseinflüssen abschirmt. Um eine extrem hohe Genauigkeit zu erreichen, kann das Innere des Behälters (50) bei einer konstanten Temperatur und Feuchtigkeit gehalten werden, es wurde jedoch festgestellt, daß es ausreicht, wenn die Schaltung einfach durch einen guten Wärmeisolator geschützt wird. Da Metall normalerweise kein guter Wärmeisolator ist und gute Wärmeisolatoren in der Regel nicht gut für die Abschirmung von Rauschen geeignet sind, besteht eine ideale Lösung darin, die Schaltung in eine geerdete Metallfolie zu wickeln und die umhüllte Schaltung in einen Behälter aus einem guten wärmeisolierenden Material zu packen, beispielsweise Nylon.
Als zweiter korrigierender Schritt muß der Probensensor selbst korrigiert werden, um der Umgebungskapazität Rechnung zu tragen. Beispielsweise führen Temperaturänderungen zu sehr geringen Änderungen in der Gesamtkapazität, die durch den Sensor gemessen wird, ebenso wie die Nähe der leitenden Körper, wie der Bauteile der eigentlichen numerisch gesteuerten Meßmaschine. Um diese Kapazitätsanzeige zu korrigieren, wird eine zweite Sonde, und zwar eine Umgebungssonde, in der Nähe der Hauptsonde angeordnet, aber im ausreichenden Maße gegenüber dem Werkstück versetzt, daß sie nicht wesentlich durch das Werkstück beeinflußt wird. Auf diese Weise mißt die Umgebungssonde die Kapazität, die in erster Linie durch Umgebungseinflüsse ausgelöst wird. Um die tatsächliche Kapazität zwischen dem Sensor der Hauptsonde und dem Werkstück zu bestimmen, muß die Umgebungskapazität, die von der Umgebungssonde aufgezeichnet worden ist, von der Kapazität subtrahiert werden, die von der Hauptsonde aufgezeichnet worden ist. Zwar könnte für diese einfache Berechnung ein gesonderter Datenprozessor eingesetzt werden, diese zusätzliche Aufgabe kann aber auch durch den Prozessor-Regler (46) ausgeführt werden, indem einfach die gemessene Kapazität als der Wert gelesen und aufgezeichnet wird, der von der Hauptsonde gemessen worden ist, abzüglich des Wertes, der von der Umgebungssonde gemessen wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird eine solche erfolgreiche Umgebungssonde (52) gezeigt, die einen spiralförmig gewickelten Taster aufweist, der an einem Ende einen Sensor hat und unmittelbar unter dem Punkt, an dem das Tasterrohr (12) mit dem Kopf der numerisch gesteuerten Meßmaschine verbunden ist, um ein Tasterrohr (12) angeordnet ist. Es ist natürlich wesentlich, daß die Umgebungswirkung an jeder Sonde eine identische Kapazität aufweist, so daß die subtrahierte Kapazität gleich der durch die Umgebung bewirkten Kapazität ist. Daher sollten die physikalischen Parameter der Umgebungssonde (52) im wesentlichen gleich denen der Hauptsonde sein. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden unter Anwendung einer Umgebungssonde erzielt, die hinsichtlich des verwendeten Materials, der Fertigung und der Abmessungen mit der Hauptsonde identisch ist und nur den einen Unterschied aufweist, daß das Tasterrohr der Umgebungssonde spiralförmig gewunden und angebracht ist, wie das in Fig. 7 gezeigt wird.
Angesichts der oben gegebenen Beschreibung dürfte es offensichtlich sein, daß das Verfahren und die Vorrichtung nach dieser Erfindung sehr brauchbare Techniken zur Messung von verschiedenen Werkstückparametern mit signifikanter Echtzeit-Prozeßlenkung ermöglichen, wie sie mit keinem anderen Verfahren nach dem bekannten Stand erreicht werden können.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Oberflächenkenndaten, die Abmessungen und Umriß eines leitenden Werkstücks umfassen, unter Anwendung eines berührungslosen leitenden Sondensensors, das folgende Schritte umfaßt:

a) Anlegen einer Spannung an das Werkstück und an den Sensor,

b) Auslösen einer relativen Bewegung zwischen dem Sensor und dem Werkstück, so daß der Sensor eine Bewegungsbahn im Verhältnis zu dem Werkstück definiert, um die der Sensor allgemein parallel zu einer ersten Oberfläche des Werkstücks mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die von der gemessenen Kapazität abhängig ist, so daß sich diese Geschwindigkeit erhöht, wenn die Kapazität anzeigt, daß für den Sensor keine Gefahr besteht, mit dem Werkstück zusammenzuprallen oder sich über dieses hinaus zu bewegen, und diese Geschwindigkeit im Verhältnis zu Änderungen der Kapazität verlangsamt wird, die anzeigen, daß sich der Sensor an eine zweite Oberfläche des Werkstücks annähert, die mit der ersten Oberfläche des Werkstücks einen Schnittpunkt bildet,

c) Messen und Aufzeichnen dieser Bewegungsbahn,

d) Messen und Aufzeichnen der Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück im Verhältnis zu der Bewegungsbahn,

e) Bestimmen der Oberflächenparameter des Werkstücks als eine Funktion der aufgezeichneten Bewegungsbahn und der entsprechenden aufgezeichneten Kapazität.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Parameter der auf den Sensor bezogenen Bewegung, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Geschwindigkeit und Richtung innerhalb eines Abstandsbandes, das an die Oberfläche des Werkstücks angrenzt, besteht, und beide eine Funktion der gemessenen Kapazität sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sensor mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die von der gemessenen Kapazität abhängig ist, so daß diese Geschwindigkeit erhöht wird, wenn die Kapazität anzeigt, daß für den Sensor keine Gefahr besteht, mit dem Werkstück zusammenzustoßen oder sich über dieses hinaus zu bewegen, und die Geschwindigkeit im Verhältnis zu Änderungen der Kapazität verringert wird, die anzeigen, daß sich der Sensor an Veränderungen in den Kenndaten der angrenzenden Oberfläche des Werkstücks annähert, bei denen sich der Sensor einem Zustand zum Zusammenprall mit dem Werkstück oder zur Bewegung über dieses hinaus annähert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die auf den Sensor bezogene Bewegung zum Stillstand gebracht wird, bevor der Sensor die zweite Oberfläche des Werkstücks kontaktieren kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bewegungsrichtung des Sensors geändert wird, bevor der Sensor die zweite Oberfläche des Werkstücks kontaktieren oder sich über diese hinaus bewegen kann, und bei dem sich der Sensor anschließend allgemein parallel zu der zweiten Oberfläche des Werkstücks bewegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sensor in einer kontinuierlichen, ununterbrochenen Bewegung allgemein parallel zu der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird, während die gemessene Kapazität die Bewegungsrichtung steuert, um die Bewegung des Sensors innerhalb eines gegebenen Abstandsbandes zu halten, das im Abstand zur Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist, bis die gewünschte Messung abgeschlossen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Abstandsband ein Band von angemessener Empfindlichkeit darstellt, so daß der Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche des Werkstücks innerhalb eines annehmbaren Grades an Genauigkeit durch die Kapazität bestimmt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Schritte einschließt der kontinuierlichen Messung der Kapazität, die von Einflüssen der Umgebung verursacht wird, und der Korrektur der gemessenen und aufgezeichneten Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück durch Ausschalten der Wirkung der Umgebungskapazität.

9. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Schritte einschließt der Abschirmung des Prozessor-Reglers gegenüber den störenden Umgebungseinflüssen von Temperatur, Staub, elektromagnetischer Interferenz und Funkfrequenz- Interferenz.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Abschirmung darin besteht, den Prozessor-Regler mit geerdetem leitendem Metall zu umhüllen und den umhüllten Prozessor-Regler in einem nichtmetallischen thermischen Gehäuse unterzubringen.

11. Vorrichtung zur Messung von Oberflächenkenndaten wie Abmessungen, Umriß und ähnlichen eines leitenden Werkstücks, die folgende Komponenten aufweist:

a) eine Kapazitätssonde mit einem leitenden Sensor.

b) Mittel zum Anlegen einer Spannung an den leitenden Sensor und das Werkstück,

c) Antriebselemente zur Auslösung einer relativen Bewegung zwischen dem Sensor und dem Werkstück, so daß der Sensor eine Bewegungsbahn definiert, um die der Sensor allgemein parallel zu einer ersten Oberfläche des Werkstücks mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die von der gemessenen Kapazität abhängig ist, so daß sich diese Geschwindigkeit erhöht, wenn die Kapazität anzeigt, daß für den Sensor keine Gefahr besteht, mit dem Werkstück zusammenzuprallen oder sich über dieses hinaus zu bewegen, und diese Geschwindigkeit im Verhältnis zu Änderungen der Kapazität verringert wird, die anzeigen, das sich der Sensor an eine zweite Oberfläche des Werkstücks annähert, die einen Schnittpunkt mit der ersten Oberfläche des Werkstücks bildet,

d) Mittel zum Messen und Aufzeichnen der Bewegungsbahn,

e) Mittel zum Messen und Aufzeichnen der Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück im Verhältnis zu dieser Bewegungsbahn,

f) Mittel zum Berechnen der Parameter der Oberfläche des Werkstücks als eine Funktion der aufgezeichneten Bewegungsbahn und der aufgezeichneten, dieser entsprechenden Kapazität.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die außerdem Mittel einschließt zum Steuern der Antriebselemente zur Bewegung des Sensors in Reaktion auf die gemessene Kapazität, so daß ein Parameter der Bewegung des Sensors, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Geschwindigkeit, Richtung innerhalb eines Abstandsbandes, das an das Werkstück angrenzt, besteht, und beide eine Funktion der gemessenen Kapazität sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Elemente zur Bewegung des Sensors und das Mittel zum kontinuierlichen Messen und Aufzeichnen der Position des Sensors eine numerisch gesteuerte Meßmaschine umfassen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, die außerdem Mittel einschließt zum kontinuierlichen Messen der Kapazität, die durch die Bedingungen der Umgebung bewirkt wird, und zum Korrigieren der gemessenen und aufgezeichneten Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück durch Ausschalten der Wirkung der Umgebungskapazität.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Mittel zum kontinuierlichen Messen der Kapazität, die durch die Bedingungen der Umgebung bewirkt wird, eine Umgebungssonde umfaßt, die der Kapazitätssonde im wesentlichen ähnlich ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Umgebungssonde in der Nähe der Kapazitätssonde, aber im ausreichenden Abstand von dem Werkstück angeordnet wird, um signifikante Kapazitätsmessungen im Verhältnis zu dem Werkstück zu vermeiden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Mittel zum kontinuierlichen Messen der Kapazität, die durch die Bedingungen der Umgebung bewirkt wird, und zum Korrigieren der gemessenen und aufgezeichneten Kapazität zwischen dem Sensor und dem Werkstück durch Ausschalten der Wirkung der Umgebungskapazität den Prozessor-Regler umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, die außerdem Mittel einschließt zum Abschirmen des Prozessor-Reglers gegenüber den Umgebungseinflüssen von Temperatur, Staub, elektromagnetischer Interferenz und Funkfrequenz- Interferenz.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der das Mittel zum Abschirmen des Prozessor-Reglers gegenüber den Umgebungseinflüssen von Temperatur, Staub, elektromagnetischer Interferenz und Funkfrequenz-Interferenz das Umhüllen des Prozessor-Reglers mit geerdeter leitender Folie umfaßt, die innerhalb eines wärmeisolierenden Behälters untergebracht wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Kapazitätssonde einen im wesentlichen kugelförmigen, elektrisch leitenden Sensor aufweist, der ein längliches, leitendes Element hat, das daran befestigt ist, wobei der Sensor an einem länglichen, rohrförmigen leitenden Taster befestigt ist, wobei das längliche, leitende Element durch den rohrförmigen Taster geführt wird und zwar so, daß der Sensor und das längliche, leitende Element gegenüber dem Taster elektrisch isoliert sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei welcher der Sensor aus Gold oder mit Gold plattiert ist.