DE19607680A1 - Gelenksondenkopf - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gelenksondenkopf, der beispiels­ weise auf einer Koordinatenpositionierungsmaschine wie bei­ spielsweise einer Koordinatenmeßmaschine oder Werkzeugmaschi­ ne verwendet wird.

Typischerweise umfassen derartige Koordinatenpositionierungs­ maschinen einen Arm, der relativ zu einem Tisch mit drei linearen Freiheitsgraden bewegbar ist. Während des Gebrauchs trägt der Arm ein Betriebsmodul wie beispielsweise eine Sonde, die zum Bestimmen der Abmessungen von Komponenten ver­ wendet wird. Es ist häufig notwendig, eine derartige Sonde relativ zum Arm um eine oder mehrere Drehachsen zu orientie­ ren, damit unterschiedlich orientierte Oberflächen der Kompo­ nenten inspiziert werden können. Zu diesem Zweck sind Koordi­ natenpositionierungsmaschinen mit Gelenksondenköpfen wie bei­ spielsweise dem Renishaw PH9 ausgestattet. Dieser Sondenkopf umfaßt eine Basis, auf welcher erste und zweite Rotoren hin­ tereinander zur Drehung um im wesentlichen senkrechte Achsen angebracht sind, wodurch zwei Rotationsfreiheitsgrade ge­ schaffen werden. Die ersten und zweiten Rotoren sind zwi­ schen einer Vielzahl von indizierten Positionen drehbar, von denen jede im hohen Maße wiederholbar ist. Infolgedessen nimmt eine an einem derartigen Sondenkopf angebrachte Sonde im wesentlichen dieselbe Lage im Raum relativ zum bewegbaren Arm der Maschine jedesmal dann ein, wenn die ersten und zwei­ ten Rotoren des Sondenkopfes in besonderen indizierten Posi­ tionen entsprechend einer gegebenen Winkelorientierung in Eingriff gebracht sind. Ein Mechanismus ist vorgesehen, um die ersten und zweiten Rotoren aus ihren wiederholbaren Lagen auf der Basis bzw. auf dem ersten Rotor außer Eingriff zu bringen, um eine Drehung in eine weitere indizierte Posi­ tion zu ermöglichen, in welcher der Mechanismus noch einmal betätigt wird, um die ersten und zweiten Rotoren in auf der Basis bzw. auf dem ersten Rotor vorgesehenen Lagen in Ein­ griff zu bringen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein erster bekannter Typ von Sondenkopf umfaßt einen Verrie­ gelungs-/Entriegelungsmechanismus, der den ersten Rotor axial längs einer ersten Drehachse außer Eingriff mit der Basis bringt und den zweiten Rotor axial längs der zweiten Achse außer Eingriff mit dem ersten Rotor bringt. Ein derar­ tiger Eingriff/Trennung wird mittels eines Schwenkverriege­ lungshebels bewirkt, der auf dem ersten Rotor angebracht ist. Ein Verschwenken des Hebels drängt den zweiten Rotor in axialer Richtung in Eingriff gegen die Wirkung einer Vor­ spannfeder, die ein Ausrücken bewirkt, wenn die Schwenkkraft auf den Hebel entfernt wird. Nach einem Eingriff des zweiten Rotors hört das Verschwenken des Hebels auf, und das Aufbrin­ gen einer weiteren Kraft auf den Hebel verursacht eine kör­ perliche Bewegung des ersten Rotors (mit welchem sich der zweite Rotor nun in Eingriff befindet) in Eingriff mit der Basis. Die aufgebrachte Kraft, die anfangs ein Verschwenken des Hebels, und wenn der Hebel verriegelt ist, eine Bewegung des ersten Rotors verursacht, wird mittels eines Nockens vor­ gesehen, der wirksam mit dem Verriegelungshebel mittels eines weiteren Hebels und einer Zugstange verbunden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft Aspekte einer alternativen Form eines Sondenkopfes.

Demgemäß schafft ein erster Aspekt der Erfindung einen Ge­ lenksondenkopf zur Verwendung auf einem bewegbaren Arm einer Koordinatenpositionierungsmaschine, wobei der Sondenkopf umfaßt:
eine Basis, durch welche der Sondenkopf mit dem Arm verbun­ den werden kann,
einen ersten Rotor, der im wesentlichen um eine erste Achse relativ zur Basis drehbar ist, wobei der erste Rotor und die Basis wenigstens einen Satz von wechselseitig in Eingriff bringbaren ersten Eingriffselementen aufweisen, die in einer Vielzahl von Winkelorientierungen um die erste Achse in Ein­ griff bringbar sind, um eine entsprechende Vielzahl von er­ sten winkelmäßig indizierten Positionen zu schaffen, in wel­ chen der erste Rotor eine stabile und wiederholbare Lage auf der Basis aufweist,
einen zweiten Rotor, der im wesentlichen um eine zweite Achse relativ zum ersten Rotor drehbar ist, wobei die ersten und zweiten Rotoren wenigstens einen Satz von wechselseitig in Eingriff bringbaren zweiten Eingriffselementen aufweisen, die in einer Vielzahl von Winkelorientierungen um die zweite Achse in Eingriff bringbar sind, um eine entsprechende Viel­ zahl von zweiten winkelmäßig indizierten Positionen zu schaf­ fen, in welchen der zweite Rotor eine wiederholbare Lage auf dem ersten Rotor aufweist,
wobei die ersten und zweiten Sätze von Eingriffselementen in Eingriff und außer Eingriff bringbar sind durch eine axiale Bewegung der ersten und zweiten Rotoren jeweils längs der ersten und zweiten Achsen,
einen Hebel, der auf dem ersten Rotor angebracht ist und erste und zweite Glieder aufweist, wobei das Aufbringen einer Kraft auf das erste Glied ein Verschwenken des zweiten Gliedes, um eine axiale Kraft auf den zweiten Rotor auf­ zubringen, und eine körperliche Bewegung des Hebels verur­ sacht, um eine axiale Kraft auf den ersten Rotor aufzubrin­ gen, um dadurch einen Eingriff der ersten und zweiten Sätze von Eingriffselementen zu bewirken,
einen Motor, der auf der Basis angebracht ist, um eine Kraft auf das erste Glied des Hebels aufzubringen, wobei der Motor mit dem ersten Glied des Hebels mittels eines Seils verbun­ den ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Außenansicht eines Sondenkopfes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Verriege­ lungsmechanismus, der im Sondenkopf von Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 3 eine Draufsicht auf Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere perspektivische Ansicht des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Verriegelungs­ mechanismus, und

Fig. 5 eine weitere Perspektive eines Details des Sondenkopfes.

Nach den Fig. 1-4 umfaßt ein Sondenkopf eine Basis 1, mittels welcher der Sondenkopf starr auf dem bewegbaren Arm der Koordinatenpositionierungsmaschine angebracht werden kann. Ein Betriebsmodul, das in diesem Beispiel eine Berüh­ rungssonde 2 mit einem länglichen Taster 4 und einer sphäri­ schen Wahrnehmungsspitze 6 an dessen freien Ende ist, ist mit zwei Rotationsfreiheitsgraden relativ zur Basis 1 (und daher zum bewegbaren Arm der Maschine) mittels erster und zweiter Rotoren R1, R2 versehen. Der erste Rotor R1 ist direkt an der Basis 1 angebracht, ist um eine Achse A1 dreh­ bar und kann in einer von einer Vielzahl von wiederholbaren indizierten Positionen auf der Basis 1 in Eingriff gebracht werden, von denen jede in einer diskreten Winkelorientierung um die Achse A1 liegt. Die indizierten Positionen sind durch Sätze von wechselseitig in Eingriff bringbaren Eingriffsele­ menten definiert. In dem vorliegenden Beispiel besitzen die Eingriffselemente die Form von Kugeln 5 auf der Basis 1 und v-Nut-Sitzelementen 7 auf dem ersten Rotor R1 und sorgen für eine kinematische Lage (siehe Fig. 4). Der zweite Rotor R2 ist am ersten Rotor R1 angebracht und kann sich relativ zu diesem um eine Achse A2 drehen. Der zweite Rotor R2 kann in einer Vielzahl von wiederholbaren indizierten Positionen auf dem Rotor R1 in Eingriff gebracht werden, wobei jede dieser Positionen eine andere Orientierung um die Achse A2 auf­ weist. Die wiederholbaren Positionen sind wieder durch Sätze von wechselseitig in Eingriff bringbaren Eingriffselementen in Form von Kugeln 9 auf dem zweiten Rotor R2 und v-Nut-Sitz­ elementen 11 auf dem ersten Rotor R1 vorgesehen und sorgen für kinematische Lagen (siehe Fig. 4). Die Sonde 2 kann somit mit zwei Rotationsfreiheitsgraden relativ zu der Basis 1 in irgendeiner von einer Anzahl von diskreten Winkelorien­ tierungen positioniert werden, deren Anzahl gleich dem Pro­ dukt der Anzahl von indizierten Positionen des Rotors R1 relativ zur Stütze 1 und des Rotors R2 relativ zum Rotor R1 ist. Bei jeder Gelegenheit, bei der die Sonde 2 eine gegebe­ nen indizierte Position einnimmt, ist ihre Position im Raum und daher die Position der sphärischen Wahrnehmungsspitze 6 im Raum relativ zur Basis 1 im wesentlichen dieselbe, und zwar aufgrund der Wiederholbarkeit der individuellen Lagen für die Rotoren R1 und R2 relativ zur Stütze 1 bzw. zum Rotor R1. Diese Eigenschaft ist wünschenswert, um die Notwen­ digkeit zu vermeiden, die Position der Wahrnehmungsspitze 6 relativ zur Basis 1 jedesmal dann neu zu kalibrieren, wenn die Sonde 2 in eine neue indizierte Position zum Inspizieren einer anders orientierten Oberfläche bewegt wird. Ein Grad an Genauigkeit, der über das Erfordernis hinausgeht, daß die spezifische Konfiguration der eingesetzten Eingriffselemente es dem Sondenkopf ermöglicht, wie vom Benutzer gefordert wirksam zu sein, wird weder impliziert noch gefordert bezüg­ lich der Verwendung des Begriffs Wiederholbarkeit.

Die Rotoren R1 und R2 sind axial längs Achsen A1 und A2 aus jeweiligen indizierten Positionen auf der Basis 1 und auf dem Rotor R2 außer Eingriff bringbar, um eine Drehung in eine neue Winkelorientierung zu gestatten, die im wesentli­ chen einer neuen indizierten Position entspricht, in welcher die Rotoren R1 und R2 in axialer Richtung in die neue indi­ zierte Position mit der Basis 1 und dem Rotor R1 in Eingriff bringbar sind.

Unter Bezugnahme auf insbesondere die Fig. 2-4 wird nun der Verriegelungsmechanismus beschrieben, mittels welchem die Rotoren R1 und R2 in Eingriff und außer Eingriff ge­ bracht werden. Der Verriegelungsmechanismus umfaßt einen Ver­ riegelungsmotor M, der auf der Basis 1 (welche aus Gründen der Klarheit nicht in den Fig. 2-4 gezeigt ist) vorgese­ hen ist und eine exzentrische Rotationswelle 10 aufweist, an der eine flexible Verbindung in Form eines Seils 12 befe­ stigt ist. Der Motor M dreht die Welle 10 zwischen zwei vor­ bestimmten Winkelgrenzen entsprechend der Verriegelung und Entriegelung des Sondenkopfes. Das Seil 12 läuft um eine erste Seilspann- oder -vorspanneinrichtung in Form einer federbelasteten Rolle 14 herum, die schwenkbar auf der Basis 1 mittels eines Gelenks in Form einer Kugellagerverbindung 16 angebracht ist, und über eine weitere vertikale Rolle 18.

Das Seil 12 ist an seinem von der Welle 10 entfernten Ende mit einer Betätigungseinrichtung in Form eines rechtwin­ kligen Verriegelungshebels 20 verbunden. Der Verriegelungshebel 20 ist an seinem Winkel mit einem Lagefestlegungs- und Schwenkmechanismus in Form einer ebenen Fixierungsfeder 22 befestigt, die ihrerseits fixiert und starr am Rotor R1 an ihrem unteren Ende mittels zweier Bolzen 24, 26 angebracht ist (der Rotor R1 ist aus Gründen der Klarheit in den Fig. 2-4 weggelassen worden). Die ebene Feder 22 wirkt als eine Stütze für den Verriegelungshebel 20 gegen ein Verdre­ hen und laterale Bewegungen des Hebels 20 und gestattet dabei eine Schwenkwirkung des Hebels auf dem Rotor R1. Um die Feder unterzubringen, sind die beiden Glieder 30, 32 des Verriegelungshebels 22 gegeneinander längs der Schwenkachse des Hebels 20 verschoben. Ein Schneidenbauteil 34 ist auf dem Glied 32 des Verriegelungsarms 20 vorgesehen, um eine gute Schwenkwirkung auf einer Lagerfläche des Rotors R1 (nicht gezeigt) sicherzustellen. Das untere Ende des Glieds 32 stützt eine horizontale Schubstange 36, die an den Rotor R2 stößt.

Wenn der Motor M betätigt wird, um die Welle 10 zu drehen und das Seil 12 nach oben zu ziehen, wird der Verriegelungs­ hebel verschwenkt, und eine Kraft wird auf den Rotor R2 durch die Schubstange 36 im wesentlichen längs der Achse A2 in der Richtung des Pfeils A vermöge des daraus folgenden Verschwenkens des Verriegelungsarms 20 aufgebracht. Diese Kraft bringt den Rotor R2 in Eingriff in einer Lage bezüg­ lich des Rotors R1 gegen die Wirkung einer Vorspannung (nicht gezeigt), die zwischen dem Rotor R2 und dem Rotor R1 wirkt, um den Rotor R2 aus der indizierten Position heraus vorzuspannen. Die Hebewirkung des Seils 12 veranlaßt außer­ dem den Rotor R1, nach oben in Eingriff mit der Basis 1 längs der Achse A1 gegen die Wirkung einer weiteren Vorspan­ nung (nicht gezeigt) vermöge der Verbindung des Verriege­ lungsarms 20 mit dem Motor R1 durch die ebene Feder 22 und Bolzen 24 und 26 gedrängt zu werden.

Die Sequenz von Ereignissen während eines Verriegelungsvor­ gangs hängt unter anderem von den relativen Kräften ab, die durch die Federvorspannungen aufgebracht werden, welche wirk­ sam sind, um ein Ausrücken der Basis 1, des Rotors R1 und des Rotors R2 zu bewirken, wenn der Motor M gedreht wird, um die Verriegelungskraft abzuschwächen. Beispielsweise können die relativen Vorspannkräfte so sein, daß die zwischen der Basis 1 und dem Rotor R1 wirkende Vorspannung größer als diejenige ist, die zwischen dem Rotor R1 und dem Rotor R2 wirkt, so daß eine Drehung des Motors M, um den Sondenkopf zu verriegeln, anfangs ein Verschwenken des Hebels 20, um einen Eingriff des Rotors R2 zu bewirken, und wenn dieser Eingriff stattgefunden hat, eine nachfolgende körperliche Bewegung des Rotors R1 nach oben in Eingriff mit der Basis 1 bewirkt. Alternativ kann die Vorspannkraft zwischen den Roto­ ren R1 und R2 größer sein als diejenige zwischen dem Rotor R1 und der Basis 1, wobei ein Eingriff der Elemente 7 und 5 auf dem Rotor R1 und der Basis 1 zuerst stattfindet. Gleiche Kräfte und gleichzeitiger Eingriff ist auch möglich.

Die Verriegelungskraft, d. h. die Kraft, mit welcher der Rotor R2 in Eingriff mit dem Rotor R1 und der Rotor R1 in Eingriff mit der Stütze 1 gedrängt wird, ist durch eine Feder 40 bestimmt, deren Vorspannwirkung auf die Rolle 14 be­ wirkt, daß das Seil 12 gespannt wird, wenn alle Elemente des Sondenkopfes in Eingriff gebracht worden sind. Die Feder 40 weist vorzugsweise eine sehr niedrige Federkonstante auf und ist einem relativ hohen Grad vorbelastet, um die erforderli­ che Federkraft bereitzustellen. Dadurch ist gewährleistet, daß kleine Variationen beispielsweise der Länge des Seils aufgrund von beispielsweise thermischer Ausdehnung keine signifikanten Änderungen der Kraft verursachen, mit der die Elemente des Sondenkopfes in Eingriff gedrängt werden.

Nach Fig. 5 ist in einer Modifizierung der Motor M auf der Basis 1 in einer einseitig eingespannten bzw. freitragenden Weise mittels eines Paares von Kugellagern 50, 52 gestützt, die sich um die Welle des Nockens herum erstrecken und mit der Basis 1 verbunden sind. Eine Drehung des Motors wird durch die Verbindung eines am Motor M fixierten Trägers 60 mit einer an der Basis 1 durch vier Federn 54 fixierten Platte 62 verhindert. Diese Methode zum Anbringen des Motors M vermeidet, daß unerwünschte Belastungen auf die Motorlager aufgebracht werden. Diese Anbringungsmethode bildet einen weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung, der an Sonden­ köpfen eingesetzt werden kann, die nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen.

Die Erfindung braucht nicht durch irgendeines bzw. irgendei­ ne der vorstehend beschriebenen spezifischen Merkmale bzw. Funktionen verkörpert werden, und jedes Merkmal oder jede Funktion, auf das bzw. auf die Bezug genommen worden ist, kann ersetzt werden durch andere Merkmale, welche dieselbe oder eine ähnliche Funktion erfüllen, und durch andere Funk­ tionen, welche dasselbe oder ein ähnliches Resultat erzie­ len. Des weiteren sind die vorstehend beschriebenen unter­ schiedlichen Merkmale der Erfindung nicht notwendigerweise auf ihre Zuordnung zu den Ausführungsformen begrenzt, in Ver­ bindung mit welchen sie beschrieben wurden. Viele Aspekte der Erfindung sind allgemein anwendbar auf andere Ausfüh­ rungsformen der hierin beschriebenen Erfindung.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung somit einen Gelenkson­ denkopf zum Orientieren einer Sonde relativ zu dem bewegba­ ren Arm einer Koordinatenmeßmaschine mit einer Basis, durch welche der Kopf auf dem Arm angebracht werden kann, und ersten und zweiten Rotoren R1, R2, die hintereinander an der Basis angebracht und relativ zur Basis bzw. zum ersten Rotor um erste bzw. zweite senkrechte Achsen drehbar sind. Die Rotoren sind in einer Vielzahl von wiederholbaren indizier­ ten Positionen in Eingriff bringbar, die sich in diskreten Winkelorientierungen um die ersten bzw. zweiten Achsen befin­ den, und sie sind in axialer Richtung in Eingriff bringbar und außer Eingriff bringbar aus diesen Positionen, um eine Drehung in andere indizierte Positionen zu ermöglichen. Ein Eingriff des Kopfes wird durch einen Motor M vorgenommen, der ein Seil zurückzieht. Das distale Ende des Seils ist mit einem rechtwinkligen Verriegelungshebel auf dem ersten Rotor verbunden, der geschwenkt wird, um den zweiten Rotor in einer indizierten Position in Eingriff zu bringen, und es hebt den ersten Rotor körperlich in Eingriff mit der Basis. Die Spannung, mit welcher der Kopf verriegelt wird, ist durch eine federvorgespannte Rolle bestimmt, um welche das Seil herumgeführt ist.

Claims (4)

1. Gelenksondenkopf zur Verwendung auf einem bewegbaren Arm einer Koordinatenpositionierungsmaschine, wobei der Son­ denkopf umfaßt:
eine Basis, durch welche der Sondenkopf mit dem Arm ver­ bunden werden kann,
einen ersten Rotor, der im wesentlichen um eine erste Achse relativ zur Basis drehbar ist, wobei der erste Ro­ tor und die Basis wenigstens einen Satz von wechselsei­ tig in Eingriff bringbaren ersten Eingriffselementen auf­ weisen, die in einer Vielzahl von Winkelorientierungen um die erste Achse in Eingriff bringbar sind, um eine entsprechende Vielzahl von ersten winkelmäßig indizier­ ten Positionen zu schaffen, in welchen der erste Rotor eine stabile und wiederholbare Lage auf der Basis auf­ weist,
einen zweiten Rotor, der im wesentlichen um eine zweite Achse relativ zum ersten Rotor drehbar ist, wobei die er­ sten und zweiten Rotoren wenigstens einen Satz von wech­ selseitig in Eingriff bringbaren zweiten Eingriffselemen­ ten aufweisen, die in einer Vielzahl von Winkelorientie­ rungen um die zweite Achse in Eingriff bringbar sind, um eine entsprechende Vielzahl von zweiten winkelmäßig indi­ zierten Positionen zu schaffen, in welchen der zweite Rotor eine wiederholbare Lage auf dem ersten Rotor auf­ weist,
wobei die ersten und zweiten Sätze von Eingriffselemen­ ten in Eingriff und außer Eingriff bringbar sind durch eine axiale Bewegung der ersten und zweiten Rotoren jeweils längs der ersten und zweiten Achsen,
einen Hebel, der auf dem ersten Rotor angebracht ist und erste und zweite Glieder aufweist, wobei das Aufbringen einer Kraft auf das erste Glied ein Verschwenken des zweiten Gliedes, um eine axiale Kraft auf den zweiten Rotor aufzubringen, und eine körperliche Bewegung des He­ bels verursacht, um eine axiale Kraft auf den ersten Rotor aufzubringen, um dadurch einen Eingriff der ersten und zweiten Sätze von Eingriffselementen zu bewirken,
einen Motor, der auf der Basis angebracht ist, um eine Kraft auf das erste Glied des Hebels aufzubringen, wobei der Motor mit dem ersten Hebel mittels eines Seils ver­ bunden ist.

2. Sondenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel auf dem ersten Rotor durch eine ebene Feder angebracht ist und die ersten und zweiten Glieder des Hebels gegeneinander längs einer Achse verschoben sind, um welche der Hebel schwenkt.

3. Sondenkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannmittel vorgesehen sind, um eine vorbestimmte Spannung auf das Seil aufzubringen, wenn der Motor be­ tätigt worden ist, um die ersten und zweiten Eingriffs­ elemente in Eingriff zu drängen.

4. Sondenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Seil um eine Rolle herumläuft und die Rolle durch die Vorspannmittel vorgespannt ist.