CH679805A5 - - Google Patents

Description

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CH 679 805 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkoordi-natenmesstaster nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der DE-PS 2 242 355 wird ein Mehrkoordinatentaster beschrieben, bei dem der Tastkopf eine torsionssteife Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Geradführungssystemen, die beispielsweise aus Blattfederparallelogrammen bestehen können, umfasst. Diese Ausführung hat aber mehrere Nachteile.

Die Geradführungssysteme sind hintereinander geschaltet. Das der Tasterbasis am nächsten liegende Geradführungssystem trägt also im Falle des in drei Richtungen arbeitenden Mehrkoordinatentasters die Massen der beiden folgenden Führungssysteme mit Wegmesssystem und eventuellen Nullpunkt- und Antastkraftgenerator einschliesslich Taststiftträger und Taststifte. Das dem ersteren Geradführungssystem folgende zweite System trägt nur mehr die Massen des dritten Führungssystems mit Wegmesssystemen und eventuellen Nullpunkt- und Antastkraftgenerator einschliesslich Taststiftträger und Taststifte. Das dritte Führungssystem ist nur mehr mit der Masse von Taststiftträger und Taststiften beaufschlagt. Durch die unterschiedlichen Massen müssen in den jeweiligen Geradführungssystemen stark unterschiedliche statische Kräfte und Momente aufgefangen bzw. kompensiert werden, und es treten stark wechselnde dynamische Kräfte und Momente beim Beschleunigen und Abbremsen des Tasters auf.

Dadurch sind Steifigkeit und Durchbiegung der jeweiligen Führungssysteme sehr stark unterschiedlich, so dass letztendlich immer mehr oder weniger grosse Abweichungen in der Messunricher-heit des Mehrkoordinatentasters in den drei Raumrichtungen auftreten. Diese Schwierigkeiten zeigen sich besonders bei gleichzeitiger Auslenkung aller Geradführungssysteme im Falle der Antastung von schräg zu den Führungsachsen liegenden Flächen des Messobjektes oder bei Messungen, die sehr schnell durchgeführt werden sollen, insbesondere auch bei der kontinuierlichen Antastung von Raumflächen, bei der Messgerät und Messtaster in alle drei Achsen ständig in Bewegung sind (Scanning).

Durch die ungünstige Massenverteilung des bekannten Mehrkoordinatentasters kann dieser auch praktisch nicht in verschiedenen Lagen im Raum eingesetzt werden. Es würden Kräfte und Momente auftreten, die nur schwer kompensierbar wären.

Nachteilig ist ausserdem, dass alle Leitungen des zweiten und dritten Geradführungssystems aufgrund der Hintereinanderschaltung der Geradführungssysteme jeweils durch das erste und zweite Geradführungssystem geführt werden müssen. Dadurch werden Reibung und Hysterese in das System eingebracht, welche die Messunsicherheit erhöhen. Die Verformung der Leitungen bei Auslenken der Geradführungssysteme kann zusätzlich zum Kabelbruch führen.

Es ist daher Aufgabe diese Erfindung, einen Mehrkoordinatenmesstaster aufzuzeigen, der diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere eine höhere Messgenauigkeit vor allem auch bei höheren Messgeschwindigkeiten besitzt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 enthalten spezielle Ausgestaltungen.

Entsprechend dem grundlegenden Erfindungsgedanken wird das durch Kombination folgender Merkmale erreicht:

a. die in den zwei oder drei Hauptrichtungen x, y und z bewegliche, reibungs- und verschleissarme sowie torsionssteife Kinematik besteht aus zwei oder drei Mehrachsen-Führungssystemen, die parallel zueinander angeordnet sind.

b. die Wegmesseinrichtungen und eventuellen Nullpunkt- und Antastkraftgeneratoren sind jeweils an der Tasterbasis befestigt.

c. die Wegmesseinrichtung erfasst in allen betreffenden Hauptrichtungen die Position der der Tasterbasis am nächsten liegenden Führungen und damit die Position der Taststifte in jedem Fall direkt bezogen auf die Tasterbasis.

d. die Nullpunkt- und Antastkraftgeneratoren halten ebenfalls in allen betreffenden Hauptrichtungen die der Tasterbasis am nächsten liegenden Führungen direkt bezogen auf die Tasterbasis in einem definierten Nullpunkt und führen bei Auslenkung dieser Führungen aus dem Nullpunkt zu einer definierten Antastkraft zwischen den Taststiften und dem Messobjekt.

In Weiterführung des grundlegenden Erfindungsgedankens können lineare Wälzlagerführungen als Elemente in den Mehrachsen-Führungssystemen eingesetzt werden, wenn grosse Auslenkwege des Tasters, die mit Blattfederelementen nicht erreichbar sind, verlangt sind.

Bei kleineren Auslenkungen werden die linearen Führungselemente vorzugsweise durch Doppeldrehgelenkplatten oder gleichwertige Blattfederelemente ersetzt, wobei die Blattfederelemente eine grösstmögliche Spiel- und Verschleissfreiheit gewährleisten.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens führt zu einem vereinfachten Aufbau dadurch, dass die der Tasterbasis am nächsten liegenden Führungen durch Einfachdrehgelenkplatten oder gleichwertige Blattfederelemente ersetzt werden und die in jedem Mehrachsenführungssystem den eben genannten Führungen folgenden beiden Führungen als je ein Paar von Doppelkugelgelenkstützen oder gleichwertige Biegefederelemente ausgeführt sind.

Durch diese Ankoppelung des Taststiftträgers wird neben der Reduzierung des Aufwands in den Führungen selbst auch eine Beseitigung der statisch überbestimmten Ankoppelung und damit eine einfachere Herstellung und Montage der Führungssysteme erreicht, da keine hochgenauen Toleranzen eingehalten werden müssen.

Die Erfindung wird anhand von sechs Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungs-gemässen Tasters mit linearen Führungen

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Fig. 2 zeigt eine lineare Führung aus Fig. 1

Fig. 3 zeigt eine Variante zu Fig. 1 mit Doppeldrehgelenkplatten

Fig. 4 zeigt eine Doppeldrehgelenkplatte in Form eines Blattfederelements aus Fig. 3

Fig. 5 zeigt eine Variante zu Fig. 1 bzw. 3 mit Einfachdrehgelenkplatten und Doppelkugelgelenkstützen

Fig. 6 zeigt eine Auführung des Messtasters nach Fig. 5.

Wie in Fig. 1 erkennbar, sitzen auf der Tasterbasis 1, die mit dem Träger 1' der Mess- oder auch Bearbeitungsmaschine verbunden ist, mechanisch stabile Verbindungselemente 2, 3, 4 parallel zu den Hauptrichtungen x, y und z. Mit diesen Elementen 2, 3, 4 sind die Führungen 7, 8, 9 fest verbunden, so dass diese auch in die drei Hauptrichtungen x, y und z weisen. Bestandteil dieser der TasteFbasis 1 am nächsten liegenden Führungen 7, 8, 9 sind der Nullpunkt* und Antastkraftgenerator 5 und das Wegmesssystem 6.

An die Führung 7 schliessen sich die Führungen 13 und 19 verbunden über zwei weitere stabile mechanische Elemente 10 und 16 jeweils rechtwinklig an, so dass alle drei Führungen 7,13, 19 zusammen ein Dreiachsen-Führungssystem bilden, das sich in den drei Hauptrichtungen x, y und z auslenken lässt. Die Position dieses Dreiachsen-Führungssy-stems wird jedoch nur durch ein Wegmesssystem 6 in der x-Richtung erfasst und Nullpunkt- und Antastgenerator 5 wirken ebenfalls nur in x-Richtung.

An die Führungen 8 und 9 schliessen sich in gleicher Weise wie an die Führung 7 jeweils die Führungen 14,20 und 15,21 über die Verbindungselemente 11, 17 und 12, 18 an, so dass zwei weitere Dreiachsen-Führungssysteme gebildet werden, die sich ebenfalls in den drei Hauptrichtungen x, y und z auslenken lassen. Nullpunkt- und Antastgenerator 5 und Wegmesssystem 6 wirken auch bei diesen beiden Dreiachsen-Führungssystemen nur in den verbleibenden Hauptrichtungen y und z.

An die Führungen 19, 20, 21 ist der Taststiftträger 23 über das Verbindungskreuz 22 mit samt den Taststiften 24, die das Messobjekt 25 antasten, befestigt. Dadurch lässt sich der Taststiftträger 23 in den drei Hauptrichtungen x, y und z linear bewegen, ohne dass rotatorische Freiheitsgrade zu einem unzulässigen Verkippen führen. Durch die parallele Anordnung der drei Dreiachsen-Führungssysteme erhält man eine sehr steife Tasterkinematik und die Möglichkeit, die Position des Taststiftträgers 23 jeweils direkt gegenüber der Tasterbasis 1 mit den Wegmesssystemen 6 zu erfassen.

Da alle Nullpunkt- und Antastkraftgeneratoren 5 direkt mit der Tasterbasis 1 verbunden sind, beeinträchtigen diese Bauelemente auch nicht das dynamische Verhalten des Tasters. Dabei kommt es natürlich darauf an, die Massen der drei parallel geschalteten Dreiachsen-Führungssysteme zu minimieren.

Fig. 1 deutet schliesslich den in z-Richtung erforderlichen Gewichtsausgleich an. An der Tasterbasis 1 und dem Verbindungskreuz 22 ist jeweils eine Befestigungsvorrichtung 26 vorgesehen, zwischen denen eine Zugfeder 27 aufgehängt ist, die so ausgelegt wird, dass sie das Gewicht der in z-Richtung beweglichen Komponenten des Tasters kompensiert.

Fig. 2 zeigt als Beispiel den Aufbau der linearen Führungen 7, 8, 9; 13,14,15; 19, 20, 21 in Form von Wälzlagerführungen 28. Der runde Schaft 29 wird durch die Kugeln 30, die über einen Käfig 31 auf Abstand zueinander gehalten werden, im zylindrischen Gehäuse 32 linear geführt. Eine Drehbewegung des Schaftes 29 im Gehäuse 32 muss nicht verhindert werden, da die Führungen 7,14,21 und 8,15,19 und 9, 13, 20 entsprechend Fig. 1 zusammen jeweils ein Parallel-Führungssystem darstellen, das kein Drehen oder Kippen zulässt.

In Fig. 3 werden die linearen Führungen 7, 13, 19; 8, 14, 20; 9, 15, 21 aus Fig. 1 durch Doppeldrehgelenkplatten 33 ersetzt. Diese bestehen, wie an einem Beispiel dargestellt wird, aus einer Platte, an deren vier Ecken jeweils ein Gelenklager 35 angebracht ist.

In Fig. 4 ist als Beispiel der Aufbau eines Blattfederelementes 36 dargestellt, das an die Stelle der Doppeldrehgelenkplatten 33 aus Fig. 3 treten kann. Die Blattfeder 37 mit den Versteifungen 38 ist an beiden Enden über die Klemmstücke 39 mit den mechanischen Elementen 40 in den Mehrachsen-Führungssystemen verbunden, so dass diese durch Verbiegen der Blattfeder 37 in den nicht versteiften Bereichen eine spiel- und reibungsfreie Bewegung zueinander ausführen können. Ein Verkippen der Elemente und damit der Führungssysteme wird auch in diesem Fall dadurch verhindert, dass die Blattfederelemente 7,14, 21 und 8,15,19 und 9,13, 20 entsprechend Fig. 3 zusammen jeweils ein Drei-element-Blattfederparallelogramm bilden.

In Fig. 5 bestehen die Führungen 13,19 und 14,20 und 15, 21 aus Doppelkugelgelenkstützen 41, während Einfachdrehgelenkplatten 42 die Führungen 7, 8, 9 bilden. Letztere unterscheiden sich von den Doppeldrehgelenkplatten 33 nach Fig. 3 dadurch, dass nur an einem Ende zwei Gelenklager 35 angebracht sind, am dem anderen Ende sind die Doppelkugelgelenkstützen 41 befestigt. Vorteil dieser Ausführung ist die Reduzierung des Aufwands für die Führungen und die Beseitigung der statisch überbestimmten Koppelung zwischen Taststiftträger 23 und Tasterbasis 1. Dies ist möglich, weil an allen Stützen 41 beidseitig Kugelgelenke 34 angebracht sind.

In Fig. 6 wird der in Fig. 5 prinzipiell dargestellte Taster in ausgeführter Form mit allerdings anderen, aber äquivalenten Führungen gezeigt. So treten an die Stelle der Einfachdrehgelenkplatten 42 Einfachblattfederelemente 36' und an die Steile der Doppelkugelgelenkstützen 41 Biegefederelementenpaare 43. Beim Einfachblattfederelement 36' sind dabei nur auf einer Seite Blattfedern 37 angebracht, während bei den Biegefederelementpaaren 43 an die Stelle der Gelenke 34 Biegefedern 44 treten.

An den stabilen, mit den nicht gezeigten Tasterbasis verbundenen Verbindungselementen 3, 4 (2 ist nicht sichtbar) sind zunächst die Einfachblattfederelemente 36' über die Blattfedern 37 befestigt, und zwar so, dass sie den Führungen 7, 8, 9 entsprechen und in x-, y- und z-Richtung Schwenkbe-

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wegungen zulassen. Daran schliessen sich jeweils Biegefederelementenpaare 43 an. Letztere tragen dann das Verbindungskreuz 22, an dem der nicht gezeigte Taststiftträger und die Taststifte befestigt sind.

Beispielsweise wird die Anordnung eines Wegmesssystems 6 gezeigt. Dieses ist über die Halterung 45 am Element 4 befestigt und steht über den Messstift 46 mit dem Einfachblattfederelement 36' in Verbindung und misst so die Bewegung des ganzen Systems in z-Richtung.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Mehrkoordinatenmesstaster, der aus einer in zwei oder drei der Hauptrichtungen x, y und z beweglichen, reibungs- und verschleissarmen sowie torsionsteifen Kinematik besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei Mehrachsen-Führungssysteme (7, 13, 19; 8, 14, 20; 9, 15, 21) mit je drei Führungen parallel zueinander angeordnet sind, dass Wegmesseinrichtungen (6) und Nullpunkt" und Antastkrafteinrichtungen (5) jeweils an einer Tasterbasis (1) befestigt sind und dass diese Wegmess- und Antastkrafteinrichtungen (5, 6) die Position der jeder dieser Tasterbasis (1) am nächsten liegenden Führungen (7, 8, 9) und damit jeweils die Position eines Taststiftes (24) relativ zu dessen Tasterbasis (1) erfassen bzw. die dieser Tasterbasis (1) am nächsten liegenden Führungen (7, 8, 9) in einem definierten Nullpunkt halten und bei Auslenkungen dieser Führungen (7, 8, 9) aus dem Nullpunkt zu einer definierten Antastkraft zwischen den Taststiften (2, 4) und einem Messobjekt (25) führen.

2. Mehrkoordinatenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssysteme (7,13,19; 8,14,20; 9,15,21) aus linearen Wälzlagerführungen (28) bestehen.

3. Mehrkoordinatenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssysteme (7,13,19; 8,14,20; 9,15,21) aus Doppeldrehgelenkplatten (33) oder gleichwertigen Blattfederelementen (36) bestehen.

4. Mehrkoordinatenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Tasterbasis (1) am nächsten liegenden Führungen (7, 8, 9) aus Einfachdrehgelenkplatten (42) oder gleichwertigen Blattfederelementen (36') bestehen und die in jedem Mehrachsen-Führungssystem (7, 13, 19; 8, 14, 20; 9, 15, 21) diesen Führungen (7, 8, 9) folgenden Führungen (13,19; 14,20; 15,21) als je ein Paar von Doppelkugelgelenkstützen (34) oder gleichwertigen Biegefederelementen (43) ausgeführt sind.

5. Mehrkoordinatenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssysteme (7,13,19; 8,14, 20; 9,15, 21) eine Kombination aus linearen Wälzlagerführungen (28) und Doppeldrehgelenkplatten (33) darstellen.

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