DE102005015890B4 - Tastfühler - Google Patents

Abstract

Es wird ein Tastfühler mit einem auslenkbaren Taststift (3) einer Ruhelagemechanik, an der der Taststift (3) angeordnet ist, sowie ein Gehäuse (1), in welchem die Ruhelagemechanik untergebracht ist, vorgeschlagen. Die Ruhelagemechanik umfasst eine Taststifthalterung (2) mit Tragelementen (10) sowie den Tragelementen (10) zugeordnete Sitzelemente (7), die mit den Tragelementen (10) zusammenwirken, um die Taststifthalterung (2) im Tastfühler anzuordnen. Mit den Tragelementen (10) und den Sitzelementen (7) ist ein Tastschaltkreis gebildet, der geschlossen ist, wenn die Tragelemente (10) mit den Sitzelementen (7) in Kontakt sind und geöffnet ist, wenn eines der Tragelemente (10) keinen Kontakt zu einem zugeordneten Sitzelement (7) hat. Erfindungsgemäß sind die Tragelemente (10) mit einer von einer Spannvorrichtung (12) unabhängig ausgebildeten elektrischen Kontaktierung (32) versehen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (1) becherförmig ist. Außerdem wird eine Vibrationsvorrichtung im Tastfühler vorgeschlagen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Tastfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der deutschen Übersetzung DE 699 19 457 T2 des europäischen Patents EP 0 967 455 ist ein Tastfühler der einleitend bezeichneten Art bekannt. Er umfasst eine Taststifthalterung, einen Taststift, der mit einem Werkstück in Kontakt treten kann und mit der Taststifthalterung verbunden ist, Sitzelemente im Tastfühler, Tragelemente an der Taststifthalterung, die mit den Sitzelementen zusammenwirken, um die Taststifthalterung im Tastfühler anzuordnen und einen elektrischen Schaltkreis.
• Die Sitzelemente sind Teil des elektrischen Schalterkreises. Der elektrische Schaltkreis ist geschlossen, wenn alle Tragelemente mit beiden ihnen zugeordneten, paarigen Sitzelementen in Kontakt sind. Eine Unterbrechung des elektrischen Schaltkreises findet dann statt, wenn eines von den Tragelementen den Kontakt mit einem von den Sitzelementen verliert. Diese Stromkreisunterbrechung wird z.B. von einer entsprechenden Steuerung als Messsignal erfasst. Der Tastfühler umfasst ferner elektrisch leitende Elemente, die einen Teil der elektrischen Schaltung bilden und die derart angeordnet sind, dass sie je ein Sitzelement eines Sitzelementepaares mit einem nächsten Sitzelement eines benachbarten Sitzelementepaares verbinden.
• Des Weiteren ist eine Klemme vorgesehen, die eine Klemmkraft aufbringt, die die Sitzelemente in Position klemmt und die Sitzelemente und die elektrisch leitenden Elemente in elektrischen Kontakt miteinander drängt.
• In der DE 195 16 272 A1 werden solche Sitzelemente in entsprechender Weise anhand einer Platine miteinander verbunden. Die Kontaktierung zwischen einer Leiterbahn der Platine und den Sitzelementen ist dabei ebenfalls durch einen federbelasteten Presssitz realisiert (vgl. auch DE 94 11 566 U1 ). Eine weitere ähnliche Kontaktierung eines solchen Sensorstromkreis ist aus der DE 197 38 736 A1 bekannt.
• Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik auch bekannten geklebten Sitzelementen (vgl. US-Patent US 4,153,998 oder DE 27 43 665 A1 ) ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Montage und der zuverlässigen elektrischen Isolation der Sitzelemente.
• Aufgabe und Vorteile der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tastfühler der eingangs beschriebenen Art weiter zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
• In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
• Zunächst geht die Erfindung von einem Tastfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
• Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Kontaktierung als Lötstelle (32) zwischen dem Leitungsmittel (31) und einer vergoldeten Kontaktstelle (36) des Sitzelementes (7) bzw. der Sitzelemente (7) ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Kontaktierung bereitgestellt, bei welcher die Kräfte für die Kontaktierung separat für das jeweilige Sitzelement und nach außen kräfteneutral bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist eine hohe Kontaktzuverlässigkeit realisierbar. Zudem können die Sitzelemente unabhängig von einer elektrischen Verbindung der Sitzelemente eingespannt werden, was sich positiv auf die Lagerung der Taststifthalterung auswirkt.
• Dadurch, dass die Verbindungsstelle eine Oberflächenstruktur enthält, die eine zum übrigen Sitzelementmaterial verbesserte elektrische Kontakteigenschaft aufweist, kann eine hohe Kontaktsicherheit gewährleistet werden. Die Oberflächenstruktur wird nur über einen Teil der Oberfläche des Sitzelements erzeugt, so dass die Materialeigenschaften des Sitzelements als Lager nach wie vor zur Verfügung stehen.
• Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dadurch der elektrische Übergangswiderstand zwischen einem Sitzelement und einem mit ihm verbundenen elektrischen Leiter wesentlich weniger negativ aufgrund sich ändernder mechanischer und/oder thermischer Gegebenheiten beeinflusst werden kann.
• Zur Isolierung des Sitzelementes gegenüber anderen Elementen des Tastfühlers, insbesondere gegenüber dem Gehäuse und zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse kann, vorzugsweise ebenfalls bereichsweise, eine Isolierung an dem Sitzelement aufgebracht sein. Besonders vorteilhaft ist dabei eine mechanisch stabile Isolierschicht die grundsätzlich durch ein beliebiges, jedoch ausreichend mechanisch festes Material ausgebildet sein kann, beispielsweise durch eine Oxidationsschicht. Diese ist einerseits mechanisch fest und trägt andererseits gleichmäßig auf, so dass die Messgenauigkeit des Tastfühlers möglichst unbeeinflusst bleibt.
• In einer möglichen Ausführungsform ist der zwei Sitzelemente verbindende elektrische Leiter als Draht ausgebildet. Dazu bieten sich ein- und/oder mehradrige Drähte an, die vorzugsweise außerhalb des Kontaktbereichs isoliert und wahlweise starr oder flexibel sind. Ein starrer Draht behält seine Formgebung bei, so dass die mit ihm verbundenen Sitzelemente als feste Einlegeeinheit entsprechend vorgebogen positioniert werden können. Ein flexibler Draht hat demgegenüber den Vorteil, dass beim Zusammenbau des Tastfühlers die Führung des Drahtes im Testfühlergehäuse gegebenenfalls an andere Bauteile angepasst oder um solche herumverlaufend bewerkstelligt werden kann.
• Um diesen Teil des Tastschaltkreises nach außen hin kontaktieren zu können kann an wenigstens einem elektrischen Leiter ein Anschlusskontakt ausgebildet sein, der mit einer nach außen geführten Leitung zur Signalbereitstellung zusammenwirkt.
• Für die weitere Ausbildung des gewünschten Tastschaltkreises wird im Weiteren vorgeschlagen, dass die mit den Sitzelementen zusammenwirkenden Tragelemente in Buchsenmittel angeordnet sind, die so ausgebildet sind, dass sie die Tragelemente in Bezug zur Taststifthalterung elektrisch isolieren. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass auch die Tragelemente über die Taststifthalterung den Schaltkreis mit Sitzelementen und Tragelementen nicht kurzschließen. Um einen kostengünstigen Aufbau des Tastfühlers zu fördern, ist es über dies bevorzugt, wenn die Tragelemente handelsübliche Stiftelemente, insbesondere nach DIN sind.
• Um einen elektrischen Zugriff auf den Schaltkreis zu erhalten, wird außerdem vorgeschlagen, dass der Schaltkreis vorzugsweise zwei handelsübliche Kontakte aufweist, die gefederte Kontaktstifte besitzen.
• Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Tragelemente durch eine Spannvorrichtung an der Taststifthalterung befestigt sind.
• Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei lediglich eingesteckten Tragelementen in einer Taststifthalterung, insbesondere durch Verbiegung Ungenauigkeiten beim Messvorgang des Tastfühlers auftreten können. Durch das gesonderte Verspannen der Tragelemente, z.B. über eine Platte, die mit Schraubenmitteln befestigt wird, entsteht eine steife Anordnung, mit der eine Verbesserung der Messgenauigkeit des Tastfühlers erreicht werden kann, insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit eines Messpunktes.
• Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Ruhelagemechanik ein Federelement umfasst, das zur Positionierung der Taststifthalterung auf die Taststifthalterung drückt, wobei Einstellmittel in der Taststifthalterung vorgesehen sind, die eine Einstellung der Anpresskraft des Federelements erlauben.
• Dadurch kann auf elegante Weise eine Einstellung der Federkraft auf die Taststifthalterung aus der Richtung des Taststiftes erfolgen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn die Einstellmittel ein Einstellelement aufweisen, das in Längsrichtung des Tastfühlers verstellbar ist. Beispielsweise kann der Taststift abgenommen werden, wodurch Zugriff zu einem Schraubenelement innerhalb der Taststifthalterung zu dessen Verstellung möglich ist.
• Insbesondere bei dieser Ausgestaltung zur Einstellung der Anpresskraft des Federelements ist es im Weiteren bevorzugt, wenn das Federelement einen Federdraht umfasst, der zur Taststifthalterung hin als Zapfen ausgebildet ist, der in Richtung Achse des Tastfühlers verläuft und dass in der Taststifthalterung eine Ausnehmung für den Zapfen vorgesehen ist. Die Federkraft kann dann z.B. durch Verdrehen des Teils der Taststifthalterung erfolgen, in welcher die Ausnehmung vorgesehen ist. Dabei verdreht sich dieser Teil hinsichtlich des Federelements, wogegen sich das Federelement nicht mitdreht. Durch den Drehvorgang ändert sich vorzugsweise die lineare Position des Teils mit Ausnehmung, so dass die Feder entweder stärker vorgespannt oder entspannt werden kann.
• Im Weiteren kann es vorteilhaft sein, dass das Gehäuse becherförmig ist, also auf einer Seite keine wesentlichen Öffnungen aufweist, und daher nur durch eine einseitige Becheröffnung bestückbar ist. Gegebenenfalls sind im einstückig mit dem Gehäuse verbundenen Becherboden vergleichsweise kleine Zugriffsöffnungen vorgesehen. Vorzugsweise ist der Becher aber am Boden gänzlich geschlossen.
• Dadurch lässt sich das Gehäuse stabil ausführen. Außerdem kann auf einer Seite auf das Anbringen eines geschraubten oder anderweitig befestigten Deckelelements vollständig verzichtet werden.
• Bei dieser Ausführungsform sollte die Konstruktion dann so gewählt werden, dass alle Elemente nicht nur durch die einseitige Becheröffnung einbringbar sind, sondern auch eine dementsprechende Befestigung der Teile von dieser Seite möglich ist.
• Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Tastfühler mit Öl befüllt ist, das insbesondere hinsichtlich seiner Gleiteigenschaften optimiert ist.
• Weiterhin kann der Tastfühler eine Vibrationsvorrichtung enthalten. Durch Vibrationen am Tastfühler kann immer ein sicherer Sitz der Tragelemente an den Sitzelementen mit entsprechend hoher Positionsgenauigkeit erreicht werden. Sie sorgt dafür, dass nach Schließen des Tastschaltkreises auf den Tastfühler für eine vorgebbare Zeitspanne Vibrationen übertragen werden. Bereits nach kurzer Zeit erreichen dadurch die Tragelemente eine Endposition zwischen den Sitzelementen, so dass sich eine hohe Schaltwiederholgenauigkeit realisieren lässt, da die Endlage der Tragelemente in hohem Maße reproduzierbar wird.
• Eine Vibrationsvorrichtung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Motor mit Umwucht umfassen.
• Zeichnungen
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten nachstehend näher erläutert. Es zeigen
• 1 einen schematischen Querschnittriss durch einen Tastfühler,
• 2 eine Ansicht von rechts eines Teils der Ruhelagemechanik, die eine Spannvorrichtung für ein Tragelement umfasst und
• 3 eine Draufsicht auf eine Anordnung elektrisch leitend miteinander verbundener Stützelemente des Tastfühlers nach 1.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• 1 zeigt einen Tastfühler mit einem äußeren Gehäuse 1, das vorzugsweise aus Stahl besteht und eine gestufte Innenform 5 aufweist.
• Im Gehäuse 1 ist eine Taststifthalterung 2 mit einem Taststift 3 angeordnet. Der Taststift 3 und ein Teil der Taststifthalterung 2 ragen von dem Gehäuse 1 in Richtung der Längsachse 9 des Tastfühlers durch eine Öffnung 4 eines Deckelelements 1a des Gehäuses 1 heraus. Dadurch ist der Taststift 3 in der Lage, ein Werkstück oder Werkzeug zu berühren oder von diesem berührt zu werden, wenn zwischen dem Tastfühler und dem Werkstück oder Werkzeug eine Relativbewegung stattfindet.
• Auf einem Absatz 5a der gestuften Innenform 5 des Gehäuses 1 sitzt ein Träger 6 zur Aufnahme von Sitzelementen 7, hier in der Form von Kugeln. Im Träger 6 befinden sich Ausnehmungen 8 zur Aufnahme der Kugeln 7. Die Ausnehmungen 8 sind paarweise angeordnet. Jeweils drei Paare sind um die Achse 9 herum um 120° versetzt positioniert. Die Ausnehmungen 8 sind dabei so gestaltet, dass die Kugeln 7, wenn sie in die Ausnehmungen 8 gedrückt werden, derart eingespannt werden, dass eine kinematisch stabile Lagerung entsteht. Die Ausnehmungen 8 können, z.B. zumindest abschnittsweise die Form eines Kegels oder einer dreiseitigen Pyramide aufweisen.
• Der Abstand der Kugeln 7 in einem Paar ist derart, dass sie durch eine Walze 10 der Taststifthalterung 2 zur Herbeiführung eines elektrischen Kontakts überbrückt werden können und einen stabilen Sitz für diese bilden.
• Der Träger 6 für die Kugeln 7 besteht vorzugsweise aus Metall, um eine möglichst steife Lagerung der Kugeln 7 zu gewährleisten. Dabei ist vorzugsweise die Oberfläche wenigstens der Ausnehmungen 8 zur Aufnahme der Kugeln 7 mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen. So kann der Träger 7 z.B. aus Aluminium bestehen, dessen Oberfläche durch Anodisierung eine elektrisch isolierende Eigenschaft erhalten hat.
• Die Kugeln 7 sind mittels einer Spannvorrichtung 14, 15 in die Ausnehmungen 8 des Trägers 6 gepresst. Gleichzeitig wird durch die Spannvorrichtung 14, 15 auch der Träger 6 am Gehäuse 1 fixiert. Die Presskraft auf die Kugeln 7 wird z.B. durch wenigstens zwei Schrauben 15 aufgebracht, die z.B. einen Spannring 14 der Spannvorrichtung zur Stufe 5a des Gehäuses hinziehen. Um eine bestmögliche Fixierung der Kugeln 7 zu erhalten, werden vorzugsweise sechs Schrauben 15 eingesetzt, wobei jede Schraube möglichst nah bei je einer der sechs Kugeln 7 positioniert wird. Die Walzen 10 sind in Buchsen 11 gelagert, die entlang ihrer Länge geschlitzt oder geteilt sein können (s. hierzu auch 2). Insbesondere bei einer geschlitzten oder geteilten Ausführung der Buchsen können über eine Spannvorrichtung 12 der Taststifthalterung 2 die Walzen 10 in der Taststifthalterung 2 starr fixiert werden.
• Die Buchsen 11 und eine Platte 12a der Spannvorrichtung 12 sind vorzugsweise aus Metall, um eine möglichst steife Fixierung der Walzen zu erhalten. Die Oberfläche der Buchsen und der Spannvorrichtung weisen bevorzugt eine elektrisch isolierende Schicht auf. Die Buchsen und die Platte 12a der Spannvorrichtung 12 können beispielsweise aus Aluminium bestehen, dessen Oberfläche durch Anodisierung eine elektrisch isolierende Eigenschaft besitzt. Die Spannkraft auf die Buchsen 11 wie auch die Walzen 10 wird z.B. durch wenigstens zwei Schrauben 13 aufgebracht, die die Platte 12a der Spannvorrichtung 12 zur restlichen Taststifthalterung ziehen.
• Damit der Tastfühler ein Signal erzeugen kann, wenn der Taststift 3 entweder durch Kippen oder senkrechte Bewegung in seiner Lage verändert wird, sind die Kugeln 7 elektrisch in Serie geschaltet und bilden einen Schaltkreis, bei welchem die Walzen 10 einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Kugeln eines jeden Kugelpaares herstellen.
• Um die Kugeln 7 und die Walzen 10 zu einem vollständigen Schaltkreis zu verbinden, ist jeweils zwischen zwei Kugeln benachbarter Kugelpaare ein Leitungsmittel, vorzugsweise ein drahtförmiges Element 31 an einer Stelle 32 durch Löten fest mit den Kugeln 7 verbunden (siehe hierzu 3). An Enden 33 der drahtförmigen Elemente 31 kann ein Schaltsignal nach außen geführt werden.
• Die Kugeln 7 besitzen wenigstens an der Lötstelle 32 eine Beschichtung 36, die eine gute Haftung einer Lötverbindung gewährleistet. Die Beschichtung 36 ist nicht auf der ganzen Kugel aufgebracht, sondern nur im Bereich der Lötstelle bzw. im Bereich der Lötstelle und Bereichen, die nicht als Lagerflächen für die Kugel selbst bzw. der Walzen dient. Eine Beschichtung in dem Bereich, an dem die Tragelemente 10 aufliegen, kann von Nachteil sein. Die Beschichtung der Kugeln 7 besteht aus Gold.
• In 3 ist die Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement 31 und einem Sitzelement 7 symbolisch durch viele kleine Striche angedeutet.
• Eine sich an einem Boden 20 des Gehäuses 1 abstützende vorzugsweise konische Schraubenfeder 21 drängt die Taststifthalterung 2 in ihre durch die Kombination von Walzen 10 und Kugeln 7 vorgegebene Null-Stellung.
• Durch ein in der Taststifthalterung 2 integriertes Einstellelement 22, das vorzugsweise über ein Gewinde in Relation zur Taststifthalterung 2 in Richtung der Achse 9 verfahren werden kann, besteht die Möglichkeit, die Druckkraft der Schraubenfeder 21 auf die Taststifthalterung 2 einzustellen.
• Hierzu ist lediglich das Entfernen des Taststifts 3 erforderlich. Der komplette Tastfühler kann dadurch in einer Aufnahme, z.B. einer Messmaschine während eines Einstellvorgangs, verbleiben.
• Die Schraubenfeder 21 umfasst einen Zapfen 23 in Achsrichtung, der in einer Ausnehmung 23a in der Taststifthalterung 2 sitzt.
• Vorzugsweise wird eine Serienschaltung aus elektrisch leitenden Verbindungselementen 31, Kugeln 7 und Walzen 10 an den Enden 33 der Verbindungselemente 31 nach außen kontaktiert. Oder funktional betrachtet, lässt sich an diesen Stellen vorzugsweise ein Schaltsignal durch Unterbrechung des Schaltkreises nach außen führen.

Claims (6)

1. Tastfühler mit einem auslenkbaren Taststift (3) einer Ruhelagemechanik, an der der Taststift (3) angeordnet ist sowie einen Gehäuse (1), in welchem die Ruhelagemechanik untergebracht ist, wobei die Ruhelagemechanik eine Taststifthalterung (2) mit Tragelementen (10) sowie den Tragelementen (10) zugeordnete Sitzelemente (7) umfasst, die mit den Tragelementen (10) zusammenwirken, um die Taststifthalterung (2) im Tastfühler anzuordnen, wobei mit den Tragelementen (10) und den Sitzelementen (7) ein Tastschaltkreis gebildet ist, der geschlossen ist, wenn die Tragelemente (10) mit den Sitzelementen (7) in Kontakt sind, und geöffnet ist, wenn eines der Tragelemente (10) keinen Kontakt zu einem zugeordneten Sitzelement (7) hat, wobei elektrische Leitungsmittel (31) mit wenigstens einem Sitzelement (7), oder jeweils allen Sitzelementen (7) durch eine Kontaktierung verbunden sind, bei welcher elektrische Leitungsmittel (31) unmittelbar an dem wenigstens einen Sitzelement (7), oder an allen Sitzelementen (7) festgemacht sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sitzelementen (7) eine Teilbeschichtung aus Gold vorgesehen ist, wobei die Vergoldung im Bereich einer Kontaktstelle (36) ausgebildet ist, und wobei zwischen Leitungsmittel (31) und der Kontaktstelle eine Lötverbindung (32) ausgebildet ist.
2. Tastfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sitzelement (7) eine Isolierschicht angebracht ist.
3. Tastfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (31) als Draht ausgebildet ist.
4. Tastfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem elektrischen Leiter (31) ein Anschlusskontakt (33) zur Kontaktierung des Tastschaltkreises (2) nach außen hin vorhanden ist.
5. Tastfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastschaltkreis (2) Anschlusskontakte mit gefederten Kontaktstiften umfasst.
6. Tastfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragelemente (10) handelsübliche Stiftelemente sind.