DE10114126B4

DE10114126B4 - Tastkopf mit auswechselbarem Taststift

Info

Publication number: DE10114126B4
Application number: DE10114126A
Authority: DE
Inventors: René Dr.-Ing. Theska; Eckhard Dr.rer.nat. Habermehl
Original assignee: Hexagon Metrology GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 2000-04-08
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: DE20006504U1; DE10114126A1

Abstract

Tastkopf mit auswechselbarem Taststift, bei dem eine Tasteraufnahme des Taststiftes in einer Lagerung des Tastkopfes reproduzierbar gelagert ist, der eine Spannvorrichtung aufweist, und bei dem die Lagerung mindestens sechs zueinander versetzt angeordnete Lager und die Tasteraufnahme drei Gegenlager aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Spannvorrichtung (6) als eine mit einem hakenförmigen Ende (18) in eine Öffnung (17) der Tasteraufnahme (3) greifende Spannvorrichtung (6) ausgebildet ist,
– dass die Öffnung (17) als eine eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Ende (18) der Spannvorrichtung (6) bildende Öffnung (17) ausgebildet ist,
– dass die Spannvorrichtung (6) als eine die Tasteraufnahme (3) um ihre Längsachse drehende und die Tasteraufnahme (3) in Richtung der Längsachse spannende Spannvorrichtung (6) ausgebildet ist, und
– dass die Tasteraufnahme (3) drehbar und in wenigstens zwei Winkelpositionen in der Lagerung (5) des Tastkopfes (1) anordbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf mit auswechselbarem Taststift.
Gemäß dem Stand der Technik gibt es bei der Messung von rotationssymmetrischen Geometrien, wie etwa bei Zahnrädern, auf Koordinatenmessgeräten drei Möglichkeiten zur Optimierung des Messvorganges und zur Reduzierung der Messzeiten:

a) Einsatz eines Rundtisches;
b) Verwendung von Tastkonfigurationen in Sternform;
c) Einsatz eines Dreh-Schwenkgelenkes.

Der Einsatz eines Rundtisches hat den Nachteil, dass die Kosten für Präzisionsrundtische sehr hoch liegen. Die Rundtischfehler gehen darüber hinaus in das Messergebnis ein.
Bei der Verwendung eines Tasters in Sternform besteht der Nachteil, dass derart komplizierte Tasterkonfigurationen sich nicht bei allen Geometrien einsetzen lassen und damit die Messung einschränken. Beispielsweise bei der Messung eines Innenzahnrades ist ein Sterntaster nicht einsetzbar. Darüber hinaus ist ein hoher Kalibrieraufwand nötig.
Der Einsatz eines Dreh-Schwenkgelenkes hat den Nachteil, dass die Kosten für Präzisions-Dreh-Schwenkgelenke sehr hoch sind. Darüber hinaus ist man bezüglich der Tastermassen (Drehmoment) eingeschränkt. Das Dreh-Schwenkgelenk sitzt vor dem Tastkopf, so dass der Tastkopf mitgeschwenkt wird. Die Dreh-Schwenkgelenkfehler gehen in das Messergebnis ein. Dies betrifft insbesondere die Reprodu zierbarkeit der einzelnen Dreh- beziehungsweise Schwenkstellungen.

Ein Drehgelenk für einen Tastkopf ist aus der DE 692 21 896 T2 bekannt. Auch gemäß dieser Druckschrift wird der gesamte Tastkopf gedreht. Dies ist relativ aufwendig. Darüber hinaus werden gemäß dieser Druckschrift ferromagnetische Mittel für die Halterung des Tastkopfes verwendet. Diese Ausführungsform hat den Nachteil, dass sie sehr aufwendig und kostspielig ist. Besonders aufwendig ist die Gestaltung des Tastkopfes, wenn er für unterschiedliche räumliche Orientierungen geeignet sein soll.

Zum Stand der Technik ( DE 35 26 108 A1 ) gehört eine Taststiftschnellwechselhalterung, die, wie andere Vorrichtungen auch, für die Messung rotationssymmetrischer Geometrien den Einsatz eines Rundtisches oder die Verwendung von Tastkonfigurationen in Sternform benötigt.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( DE 31 17 795 C2 ) eine Wechseleinrichtung für Messeinsätze bei Tastköpfen. Auch bei Koordinatenmessgeräten, die diese Wechseleinrichtung aufweisen, ist für die Messung von rotationssymmetrischen Geometrien der Einsatz eines Rundtisches oder die Verwendung von Tastkonfigurationen in Sternform erforderlich mit den oben schon beschriebenen Nachteilen.

Zum Stand der Technik ( US-PS 4,177,568 ) gehört darüber hinaus eine Tasterwechseleinrichtung, gemäß der ein Taster in verschiedenen Ausrichtungen aufgrund einer Mehrzahl von Lagern, die am Tastkopf angeordnet sind, und aufgrund der entsprechenden Gegenlager angeordnet werden kann. Diese zum Stand der Technik gehörende Tasterwechseleinrichtung hat jedoch den Nachteil, dass bei einem Lagewechsel der Taster halterung die Tasterhalterung mit dem Taster erst abgelegt werden muss, beispielsweise in einer Tastergarage, was sehr aufwendig ist, da zusätzliche Fahrwege erforderlich sind.

Zum Stand der Technik ( DE 33 20 127 C2 ) gehört darüber hinaus ein Taststiftwechselhalter, der bei der Messung von rotationssymmetrischen Geometrien wieder auf den Einsatz eines Rundtisches oder die Verwendung von Tastkonfigurationen in Sternform angewiesen ist.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, einen Tastkopf mit auswechselbarem Taststift anzugeben, mit dem insbesondere rotationssymmetrische Geometrien in einfacher Art und Weise gemessen werden können.

Dieses technische Problem wird durch den Tastkopf mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, dass eine Tasteraufnahme des Taststiftes in einer Lagerung des Tastkopfes reproduzierbar gelagert ist, und dadurch, dass der Tastkopf eine hakenförmig ausgebildete Spannvorrichtung aufweist, die mit einem Ende in eine Öffnung der Tasteraufnahme greift und die Tasteraufnahme dreht, ist es möglich, dass mit der Spannvorrichtung die Tasteraufnahme in verschiedene Winkelpositionen gebracht wird.

Die Lagerung des Tastkopfes weist hierzu wenigstens sechs Lager auf. In jeweils drei Lagern werden die Gegenlager der Tasteraufnahme positioniert.

Die Lager sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sechs Auflagepunkte vorhanden sind, um die sechs möglichen Freiheitsgrade abzudecken.

Die Lager sind vorteilhaft aus je zwei zylinderförmigen Rollen ausgebildet, und die Gegenlager bestehen aus jeweils einer Kugel, so dass die sechs Auflagepunkte gewährleistet sind.

Es ist auch möglich, die Lager derart auszubilden, dass die Gegenlager jeweils in einem als Planlager, in einem als V-Lager und in einem als Triple-Lager ausgebildeten Lager angeordnet sind, so dass wiederum die sechs Auflagepunkte vorhanden sind.

Dadurch, dass der Taststift um seine Längsachse drehbar ist, ist es möglich, beispielsweise einen abgewinkelten Taststift zu verwenden und damit ein Innenzahnrad anzutasten. Ist ein Teil der Geometrie des Zahnrades angetastet, wird der Taststift mit der Tasteraufnahme beispielsweise um 60° gedreht und kann den nächsten Teil der Geometrie des Innenzahnrades antasten.

Das Ende der Spannvorrichtung ist derart in der Öffnung der Tasteraufnahme angeordnet, dass das Ende der Spannvorrichtung an Seitenwänden der Öffnung anliegt, derart, dass eine Drehbewegung der Spannvorrichtung unmittelbar auf die Tasteraufnahme übertragen wird. Vorzugsweise ist die Öffnung sich konisch verjüngend ausgebildet, so dass in der Endstellung des Endes der Spannvorrichtung ein Formschluss entsteht.

Vorteilhaft ist für den Antrieb der Spannvorrichtung ein Motor vorgesehen. Darüber hinaus wird vorzugsweise we nigstens ein Sensor eingesetzt, um die Winkelposition der Tasteraufnahme zu erfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie mit sehr geringen Kosten gegenüber dem Einsatz eines Rundtisches, eines teuren Tastersternes oder eines Dreh-Schwenkgelenkes realisierbar ist.

Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine sehr hohe Genauigkeit der Messungen (Anschlussmessungen) auf.

Weiterhin ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Positionen gegeben.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass ein Kollisionsschutz beim Drehvorgang des Tasters vorgesehen ist. Während des Drehvorganges der Tasteraufnahme und des Tasters wirkt erfindungsgemäß der Kollisionsschutzmechanismus des Tastkopfes. Das bedeutet, dass ohne zusätzlichen Aufwand ein Kollisionsschutzmechanismus vorhanden ist.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass der Tastkopf nicht mitgedreht wird. Damit müssen auch die Versorgungsleitungen zum Tastkopf keine Drehbewegung ausführen. Der Tastkopf bleibt vorteilhaft in seiner Ausrichtung zu der Messmaschine stehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass sie sehr zuverlässig arbeitet (MTTR = Mean Time to Repair).

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach zu handhaben, insbesondere in Bezug auf die Mechanik und die Software.

Im Vergleich zu den gemäß dem Stand der Technik eingesetzten komplizierten Tasterkonfigurationen (zum Beispiel Sterntaster) ist gemäß der Erfindung nur noch eine reduzierte Anzahl von Tastern notwendig.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
1 einen Tastkopf mit auswechselbarem Taststift im Schnitt;
2 einen Schnitt nach der Linie II-II der 1;
3 eine Einzelheit der Funktionsweise;
4 ein geändertes Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Tastkopf (1) mit einem auswechselbaren Taststift (2), der an einer Tasteraufnahme (3) angeordnet ist. Die Tasteraufnahme (3) sitzt in drei Präzisionslagern (4) einer Lagerung (5).
Die Lager (4) sind in Winkelschritten von 120° zueinander in der Lagerung (5) angeordnet. Damit ist eine reproduzierbare Lage der Tasteraufnahme (3) gegenüber der Lagerung (5) gegeben.
Durch Drehung der Tasteraufnahme (3) in 120°-Schritten um die Längsachse lassen sich drei Stellungen der Tasteraufnahme (3) zur Lagerung (5) realisieren.
Der seitlich abgewinkelte Taststift (2), der in der Tasteraufnahme (3) sitzt, kann damit in drei eindeutigen Stellungen zur Lagerung (5) und damit zum Tastkopf (1) ausgerichtet werden.
Durch die Wahl einer kinematisch eindeutig bestimmten Drei-Punkt-Lagerung sind die Positionen sehr gut reproduzierbar. Dadurch wird bei einer Koordinatenmessmaschine nach einem Tasterwechsel eine erneute Kalibrierung nicht notwendig.
Der Vorgang beim Drehen des Tasters (2) ist vergleichbar mit dem Einwechseln des Tasters (2) aus einer Tasterwechselbank (nicht dargestellt).
Es wird im vorliegenden Fall lediglich kein neuer Taster eingewechselt, sondern der vorhandene Taster (2) wird innerhalb von drei Positionsmöglichkeiten in der Tasteraufnahmehaltung (5) neu positioniert.
Hierzu werden Gegenlager (15) der Tasteraufnahme (3) aus den Lagern (4) gehoben und nach einer Drehung um den entsprechenden Winkelbetrag wieder in die Lager (4) abgesenkt.
Die Tasteraufnahme (3) wird durch eine hakenförmige Spannvorrichtung (6), die über eine Vorrichtung (7) eine Hubbewegung ermöglicht und eine Zugkraft ausübt, in die Lager (4) gezogen. Durch die Möglichkeit der Drehung der Spannvorrichtung (6) im geöffneten Zustand durch einen angekoppelten Antrieb (8) wird auch auf die Tasteraufnahme (3) bei entsprechender rotatorischer Kopplung zwischen der Spannvorrichtung (6) und einem Gegenstück (9) der Tasteraufnahme (3) die Drehbewegung übertragen. Der Antrieb (8) ist so gestaltet, dass er die Hubbewegung nicht stört.
Es ist dabei sichergestellt, dass die Tasteraufnahme (3) im offenen Zustand der Lagerung beim Drehen von der Spannvorrichtung (6) festgehalten wird und nicht herausfällt. Durch entsprechende Gestaltung der Tasterhaltevorrichtung (6) und des Gegenstückes (9) an der Tasteraufnahme (3) wird dies gewährleistet. Diese Ausgestaltung wird später noch erläutert.
Durch eine absolute Codierung der Positionen über einen Sensor (10) in der Lagerung (5) lässt sich die jeweilige Winkelstellung der Spannvorrichtung (6) erfassen. Die Signale steuern den Antrieb (8) und erlauben eine präzise Winkelpositionierung der Tasteraufnahme (3) in der Lagerung (5).
Der Antrieb (8) ist derart ausgelegt, dass die auftretenden Trägheitsmomente bewältigt werden. Es erfolgt eine präzise Bewegung und Abbremsung der Tasteraufnahme (3) mit dem Taststift (2).
Die Spannvorrichtung (6) dient zum einen dazu, die Tasteraufnahme (3) in den Lagern (4) mit den Gegenlagern (15) zu spannen. Hierzu übt die Spannvorrichtung (6) eine Zugkraft in Richtung des Pfeiles (A) aus.
Die Spannvorrichtung (6) versetzt darüber hinaus über das Gegenstück (9) die Tasteraufnahme in eine Drehbewegung um eine Längsachse (11) der Tasteraufnahme (3) in Richtung des Pfeiles (B).
Der Antrieb (8) versetzt hierzu ein Zahnrad (13) sowie ein von dem Zahnrad (13) angetriebenes Zahnrad (12) in Drehung.
Der Antrieb des Zahnrades (12) ist derart ausgebildet, dass die Hubbewegung der Spannvorrichtung (6) ungehindert durchgeführt werden kann.
Gemäß 2 sind in der Lagerung (5) mehrere Präzisionslager (4, 14) angeordnet, und zwar rotationssymmetrisch. Drei Lagerpositionen weisen zueinander immer 120°-Schritte auf, um den Sitz der drei Gegenlager (15) der Tasteraufnahme (3) in den Lagern (4, 14) zu gewährleisten. In diesem Fall lassen sich mehr als drei Ausrichtungen des seitlich abgekröpften Tasters (2) zum Tastkopf (1) realisieren. Gemäß 2 sind sechs Positionen möglich, da sechs Lager (4, 14) vorgesehen sind.
Durch Verwendung von einfachen Tastersternen (nicht dargestellt) ergibt sich die Möglichkeit, die Positionswinkelschritte für Messungen weiter zu verkleinern. Ein Sterntaster mit vier Tastern in 90°-Anordnung erlaubt bei sechs Lagerpositionen eine Winkelschrittweite von 30°. Dies ist bei den meisten Messanwendungen ausreichend. Die Tasteraufnahme (3) ist in jeder Position, die sie einnehmen kann, einmal zu kalibrieren.
Durch die hohe Präzision der Lagerung, die durch die Lager (4, 14) und die Gegenlager (15) gegeben ist, ist die Reproduzierbarkeit der Tasterstellungen sehr hoch. Fehler, die bei den zum Stand der Technik gehörenden Messmethoden durch Gerätekomponenten, wie Rundtisch oder Dreh-Schwenkgelenk vorhanden sind, treten gemäß der Erfindung nicht auf.
Die Tasteraufnahme (3) und der Taststift (2) hängen beim Drehvorgang im Tastkopf (1). Hierdurch wirkt während der Zeit des Drehvorganges der Kollisionsschutzmechanismus des Tastkopfes ein. Sollte der Taststift (2) beim Drehen kollidieren, so wird dies auf den Tastkopf (1) übertragen, ein Trigger-Signal erzeugt und der Vorgang gestoppt.
Die Lager (4, 14), die in 2 dargestellt sind, bestehen aus zylinderförmig ausgebildeten Rollen (16). Hierdurch ist gewährleistet, dass die Gegenlager (15) in jedem Lager (4, 14) zwei Auflagepunkte besitzen.
Die Lagerung (5) weist eine Öffnung (17) auf, in die ein Ende (18) der Spannvorrichtung (6) greift. Die Öffnung (17) ist derart ausgebildet, dass Seitenwände (19) bei einer Drehbewegung auf das Ende (18) der Spannvorrichtung (6) wirken und die Lagerung (5) ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt wird.
3 zeigt die Halterung (6), die das Gegenstück (9) in Richtung des Pfeiles (C) spannt. Zwischen der Halterung (6) und dem Gegenstück (9) ist eine Kugel (20) angeordnet, damit keine Zwangsführung auftritt.
Eine Druckfeder (21) übt eine Kraft in Richtung des Pfeiles (C) auf die Spannvorrichtung (6) aus. Zum Lösen der Spannvorrichtung (6) in die entgegengesetzte Richtung des Pfeiles (C) wird die Vorrichtung mit Druckluft beauf schlagt. Das bedeutet, dass insbesondere der mittlere Zylinder (22) mit Druckluft beaufschlagt wird.
Zusätzlich ist zur Abdichtung eine Gummidichtung (23) vorgesehen. Für eine präzise Lagerung sind Ringführungen (24, 25) vorgesehen.
Der Innenzylinder (22) trägt als Flansch das Zahnrad (12), welches von dem Zahnrad (13) des Motors (8) angetrieben wird.
4 zeigt eine Lagerung (26), die sechs Lager (27, 28, 29, 30, 31, 32) aufweist. Die Lager (27, 28) sind als Planlager, die Lager (29, 30) als V-Lager und die Lager (31, 32) als Triple-Lager ausgebildet. Da die Gegenlager in 120°-Schritten zueinander angeordnet sind, ist immer gewährleistet, dass die Gegenlager jeweils in einem Plan-Lager, V-Lager und Triple-Lager angeordnet sind, unabhängig von der Winkelposition.

1: Tastkopf
2: Taststift
3: Tasteraufnahme
4: Lager
5: Lagerung
6: Spannvorrichtung
7: Vorrichtung
8: Antrieb
9: Gegenstück zur Spannvorrichtung (6)
10: Sensor
11: Längsachse
12: Zahnrad
13: Zahnrad
14: Lager
15: Gegenlager
16: Rollen
17: Öffnung
18: Ende der Spannvorrichtung (6)
19: Seitenwand
20: Kugel
21: Druckfeder
22: innerer Zylinder
23: Gummidichtung
24: Ringführung
25: Ringführung
26: Lagerung
27 bis 32: Lager
A: Pfeil
B: Pfeil
C: Pfeil

Claims

Tastkopf mit auswechselbarem Taststift, bei dem eine Tasteraufnahme des Taststiftes in einer Lagerung des Tastkopfes reproduzierbar gelagert ist, der eine Spannvorrichtung aufweist, und bei dem die Lagerung mindestens sechs zueinander versetzt angeordnete Lager und die Tasteraufnahme drei Gegenlager aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Spannvorrichtung (6) als eine mit einem hakenförmigen Ende (18) in eine Öffnung (17) der Tasteraufnahme (3) greifende Spannvorrichtung (6) ausgebildet ist, – dass die Öffnung (17) als eine eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Ende (18) der Spannvorrichtung (6) bildende Öffnung (17) ausgebildet ist, – dass die Spannvorrichtung (6) als eine die Tasteraufnahme (3) um ihre Längsachse drehende und die Tasteraufnahme (3) in Richtung der Längsachse spannende Spannvorrichtung (6) ausgebildet ist, und – dass die Tasteraufnahme (3) drehbar und in wenigstens zwei Winkelpositionen in der Lagerung (5) des Tastkopfes (1) anordbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (17) als eine das Ende (18) der Spannvorrichtung (6) formschlüssig aufnehmende Öffnung (17) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Tastkopf (1) ein Antrieb (8) für die Drehbewegung der Spannvorrichtung (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (10) zur Erfassung der Winkelpositionen der Tasteraufnahme (3) oder der Spannvorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasteraufnahme (3) drei Gegenlager (15) aufweist, und dass die Gegenlager (15) aus Kugeln gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (4, 14; 27 bis 32) der Lagerung (5, 26) des Tastkopfes (1) derart ausgebildet sind, dass die Kugeln der Gegenlager (15) der Tasteraufnahme (3) in jeder Winkelposition insgesamt sechs Auflagepunkte mit den Lagern (4, 14; 27 bis 32) des Tastkopfes (1) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (4, 14) des Tastkopfes (1) als aus je zwei zylinderförmigen Rollen (16) bestehende Lager (4, 14) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (17 bis 32) derart ausgebildet sind, dass die Gegenlager (15) jeweils in einem als Planlager (27, 28) ausgebildeten Lager, in einem als V-Lager (29, 30) oder Prismenlager ausgebildeten Lager und in einem als Triple-Lager (31, 32) oder Kegellager ausgebildeten Lager angeordnet sind.