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Die
vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte
und befasst sich demgemäß mit Taststiften.
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Taststifte
werden an Koordinatenmessmaschinen benötigt, um ein Werkstück abzutasten. Dazu
ist der Taststift typisch an einem beweglichen Arm einer Koordinatenmessmaschine
angeordnet und wird mit diesem über
das Werkstück
bewegt. Wenn der Taststift das mit der Koordinatenmessmaschine auszumessende
Werkstück
berührt,
wird ein Signal erzeugt, aus welchem auf die zu messenden Größen geschlossen
werden kann.
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Der
Taststift unterliegt bei diesem Verfahren einem nicht unerheblichen
Verschleiß,
etwa dann, wenn er in kontinuierlicher Berührung („scannend") über
das Werkstück
bewegt wird und damit Abrieb unterliegt, oder Material von dem Werkstück abreibt, also
Aufrieb unterliegt usw. In derartigen Fällen ist die Messgenauigkeit
erheblich beeinträchtigt.
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Um
hohe Genauigkeiten mit Koordinatenmessmaschinen zu erhalten, ist
daher ein regelmäßiger Austausch
der Taststifte erforderlich. Der Taststift selbst besteht deshalb
typisch aus einem Schaft, an welchem die eigentliche, typisch kugelförmige Spitze befestigt
ist, mit welcher der Taststift das auszumessende Werkstück berührt, sowie
einem Ankopplungskörper,
der den Schaft fixiert und der an den Arm der Koordinatenmessmaschine
direkt oder indirekt angekoppelt wird; eine indirekte Ankopplung
ist etwa erforderlich, wenn Zwischenstücke benötigt werden, um den Taststift
im Winkel zum Arm auszurichten, Verlängerungen vorzusehen usw. Im
vorliegenden Text wird mit dem Begriff „Ankopplung" stets sowohl auf eine
direkte Ankopplung als auch auf eine indirekte Ankopplung Bezug
genommen, sofern sich nicht aus dem Sinnzusammenhang oder expliziten
Hinweisen etwas anderes deutlich ergibt.
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Obwohl
der Taststift somit ein regelmäßig auszutauschendes
Verschleißelement
ist, das möglichst
preiswert sein soll, ist dessen ungeachtet eine hohe Präzision erforderlich.
In bekannten Taststiften wird der Taststift in einen Aufnahmekörper eingeklebt und
muss hierzu sorgfältig
ausgerichtet werden. Dies ist eine manuelle Tätigkeit, die teuer ist.
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Aus
der
US 2002/0145421
A1 ist ein Näherungsschalter
bekannt, bei dem eine Näherungsschalterspitze
mit einem Kabel unter Verwendung von Spritzguss verbunden wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche
Anwendung bereitzustellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird in unabhängiger
Form beansprucht; bevorzugte Ausführungsformen finden sich in
den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
somit in einem ersten Grundgedanken einen Taststift nach Anspruch
1 vor.
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Ein
erster wesentlicher Aspekt kann somit in der Erkenntnis gesehen
werden, dass der Schaft durch einen hochautomatisierbaren, manuelle
Klebe- und Ausrichtevorgänge
entbehrlich machenenden Fixierungsschritt, nämlich durch Eingießen mit
heißer Kunststoffspritzgussmasse
im Aufnahmekörper
zu fixieren ist. Dabei lassen sich überraschender Weise hohe Fertigungsgenauigkeiten
erzielen, obwohl der Spritzguss typisch durch die heißen Temperaturen der
einschießenden
Spritzgussmasse und die damit einhergehende thermische Wechselbelastung
sowie die wirkenden dynamischen Kräfte auf Schaft und Aufnahmekörper eine
sehr hohe Präzision
und Reproduzierbarkeit der Tastschaftfixierungen zunächst fraglich
erscheinen lässt.
Es wird davon ausgegangen, dass die mit Spritzguss erzielbare gute
Fixierung auch durch thermische Dehnungs- und Schrumpfeffekte bedingt
ist, wobei sich der Aufnahmekörper nach
der Abkühlung
der Spritzgussmasse stärker kontrahiert
als der geometrisch kleinere, weil vom Aufnahmekörper durch Aufnahme darin umgebene Taststift.
Die erzielbaren Auszugskräfte
sind sehr hoch, eine mögliche
Lockerung bei üblichen
Umgebungsbedingungen unbeachtlich. Im Betrieb ist dann das Verhalten
sogar verbessert gegenüber
herkömmlichen
Anordnungen. Dies liegt zum einem in der geringen Masse der Halterungen,
die hohe Beschleunigungen eines Messarmes zulässt, ohne zu Torsions- sowie
Biegebelastungen und resultierenden Schwingungen zu führen. Zudem
dämpft
die Kunststoffmasse eventuell auftretende Vibrationen des Taststiftes.
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Prinzipiell
ist es möglich,
den Schaft aus unterschiedlichen Materialien vorzusehen, beispielsweise
aus Keramik, Karbonfa sern oder dergleichen; bevorzugt wird der Taststift
jedoch mit einem Schaft aus Metall, insbesondere Hartmetall hergestellt.
Dabei ist es auch bevorzugt, wenn die eigentliche Taststiftspitze
durch eine Tastkugel gebildet ist, die wie üblich aus Rubin, Sternsaphir
oder einem anderen, hinreichend harten Material gebildet sein kann;
auf die Verwendbarkeit von Diamantkugeln sei explizit hingewiesen.
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Der
Ankopplungskörper
kann prinzipiell auf eine Vielzahl unterschiedlicher Weisen gebildet
werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn er eine Aufnahmebohrung hat,
in welche der Schaft eindringen kann. Bevorzugt ist diese Schaftaufnahmebohrung als
Durchgangsbohrung gebildet beziehungsweise besonders bevorzugt als
insbesondere dünnwandiges
Röhrchen
oder dergleichen. Eine Dünnwandigkeit
ist bevorzugt und gegeben, wenn zum Beispiel durch Schrumpfeffekte
eine fixierende Klemmung mitbewirkt wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass es prinzipiell möglich wäre, den Aufnahmekörper beispielsweise
mehrteilig wie zum Beispiel mit Halbelementen herzustellen und darin
den Schaft durch Zusammensetzen einzulegen oder auf andere Weise
den Aufnahmekörper
zu bilden. In einer bevorzugten Variante wird der Schaft durch den
Aufnahmekörper
hindurchtreten, insbesondere durch die Durchgangsbohrung hindurch,
und über
den eigentlichen Aufnahmekörper
hinausragen. Dies hat Vorteile bei der Fertigung, weil dann der
Schaft von zwei Seiten fixiert, also sowohl vor dem Aufnahmekörper als
auch hinter dem Aufnahmekörper
gehalten werden kann, während
die Umspritzung stattfindet.
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Der
Aufnahmekörper
kann auf verschiedene Weisen zur Ankopplung an die Koordinatenmessmaschine
gebildet sein, beispielsweise mit einem Bajonettverschluss, 3-Punkt
Lagerungen usw.; bevorzugt ist aber, wenn der Aufnahmekörper ein
Gewinde besitzt, mit welchem er an der Koordinatenmessmaschine bzw.
dazwischen geschalteten Elementen wie Verlängerungen usw. angekoppelt
werden kann. Das Gewinde wird typisch ein Außengewinde sein, wobei das
Gegengewinde so gebildet ist, dass der über den Aufnahmekörper hinausragende
Schaft nicht anstößt.
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Das
Gewinde wird typisch von einer Anschlagplatte oder dergleichen umgeben
sein. Über diese
kann sichergestellt werden, dass das Gewinde bis zu einer hinreichenden
Tiefe in eine Aufnahme eingedreht wird und im Übrigen eine korrekte Ausrichtung
des Taststiftes relativ zum Koordinatenmessmaschinenarm erhalten
wird. Bevorzugt ist es, wenn der Schaft mit dem Aufnahmekörper nicht
nur im Bereich vor und hinter dem Aufnahmekörper verbunden ist, sondern
wenn zwischen der eigentlichen Schaftaufnahme und dem Schaft Kunststoffspritzmasse
gleichfalls vorhanden ist, beispielsweise durch eine dünne Schicht
Kunststoffspritzmasse in der Aufnahmekörperbohrung. Bevorzugt ist
dabei eine Schichtdicke zwischen 0,02 und 1 mm, bevorzugt weniger
als 1 mm. Schichtdicken unter 0,02 mm gefährden das vollständige Eindringen
von Kunststoffspritzmasse um den Schaft herum in der Aufnahmekörperbohrung;
es sei aber darauf hingewiesen, dass die minimale Schichtdicke u.a.
abhängig
ist von der Wärmekapazität des Aufnahmekörpers, der
Einspritztemperatur der Kunststoffspritzmasse der Viskosität, dem Einspritzdruck
usw. Bevorzugt sind Schichtdicken um 0,2 mm. Noch wesentlich größere Schichtdicken
können
zu einer Schräglage
des Schaftes in der Bohrung führen,
was eine nicht exakte Ausrichtung des Schaftes im Taststift zur
Folge haben kann. Die Umspritzung in einer Hülse und insbesondere dem lichten
Raum zwischen Hülse
und Schaft hat den Vorteil einer sehr großflächigen Fixierung, was dazu
beiträgt,
den Taststift sicher zu halten. Es sei darauf hingewiesen, dass
der Schaft im Bereich der Umspritzung gerändelt sein kann und auch der
Innenbereich der Aufnahmebohrung gerändelt oder auf andere Weise
nicht vollkommen kreisrund im Querschnitt gemacht werden kann. Dies
verringert die Gefahr eines Lösens
des Schaftes durch Torsionsbelastungen. Weiter sei darauf hingewiesen, dass
andere Formen der Aufrauung oder dergleichen ebenfalls dazu beitragen
können,
den Schaft besser in der Aufnahmehülse zu fixieren.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn mit der Kunststoffmasse gleichzeitig ein
Griffkörper
gebildet wird, mit welchem sich der Ankopplungskörper leicht an der Koordinatenmessmaschine
anbringen lässt. Der
Griffkörper
wird typisch die Hülse
oder dergleichen vollständig
umgeben, was zu deren Erwärmung während des
Spritzgusses beiträgt
und so zu einer verbesserten Fixierung beitragen kann. Dies kann sogar
Werkzeug entbehrlich machen, was sonst benötigt wird, um Taststifte an
der Koordinatenmessmaschine zu wechseln. Dies trägt zu einer weiteren Verringerung
der Betriebskosten bei, weil sich dadurch der Wechsel schneller
vollziehen lässt.
Es sei darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls die Hülsen und/oder
der Griffkörper
auch für
den Angriff mit einem Werkzeug wie einem Schlüssel oder dergleichen ausgebildet
sein kann, was insbesondere das Lösen eines Taststiftes erleichtern
kann.
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Schutz
wird auch beansprucht für
ein Verfahren zur Herstellung eines Taststiftes, bei dem ein Schaft
in einen Aufnahme körper
eingeführt
und dann mittels Kunststoffspritzguss daran und/oder darin fixiert
wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben. In dieser ist gezeigt durch
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1 eine
Querschnittsansicht eines Taststiftes der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Draufsicht auf den Taststift von der Seite;
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3 eine
Draufsicht auf den Taststift von der Spitze her;
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4 eine
perspektivische Ansicht des Taststiftes.
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Nach 1 umfasst
ein allgemein mit 1 bezeichneter Taststift 1 einen
Schaft 2 und einen diesen fixierenden Ankopplungslungskörper 3 zur
Ankopplung an eine Koordinatenmessmaschine (nicht gezeigt), wobei
der Schaft 2 im Ankopplungskörper 3 durch Spritzgussmasse 4 fixiert
ist.
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Der
Taststift 1 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu, an einer
Koordinatenmessmaschine befestigt zu werden, um hochgenau Messungen
von Werkstückkoordinaten
scannend oder tastend durchführen
zu können.
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Der
Schaft 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel wie bevorzugt
und möglich
aus Hartmetall gebildet, könnte
aber auch aus Kohlefaser, Kohlefaserverbundwerkstoffen oder anderen
Materialien gebildet sein. An der im Betrieb zum Werkstück weisenden
Spitze ist eine Kugel 5 aus geeignetem Material, hier aus
Rubin vorgesehen, die auf übliche Weise
mit dem Schaft 2 verbunden ist, hier beispielsweise durch
eine komplementäre
Formbildung an der Schaftspitze 2a und Einkleben der Kugel 5 mittels
bekannter Kleber; auf andere Verbindungsmöglichkeiten wie Löten sei
hingewiesen. Es sei weiter darauf hingewiesen, dass die Kugel 5 vor
oder nach Vorsehen der Spritzgussmasse und somit vor oder nach Bildung
der Fixierung angebracht werden kann.
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Der
Ankopplungskörper 3 ist
im vorliegenden Fall aus Werkzeugstahl hergestellt und weist zur
Koordinatenmessmaschine hin einen Gewindeansatz 3a auf,
der beispielsweise mit mehreren Windungen eines M5-Gewindes versehen
sein kann, wobei anfangs- und Endbereiche des Gewindeansatzes 3a angefast
sein können,
vergl. 3a1, 3a2. Der Gewindeansatz 3a ist
von einem sich weit über
den Gewindeansatz 3a in radialer Richtung erstreckenden
und damit einstückigen
Ansatz 3b umgeben, der zum Anschlag des Aufnahmekörpers an
einer Koordinatenmessmaschine nach Eindrehen des Gewindes 3a in ein
entsprechendes Gegenelement mit einer ebenen Anschlagfläche 3b2 versehen
ist, die im Übrigen
zum Schaft hin eine ringförmige
Eintiefung 3b3 aufweist, so dass die eigentliche Anlage
des Aufnahmekörpers an
dem Gegenstück
der Koordinatenmessmaschine an einem radial weit außen liegenden
Bereich erfolgt, was zu einer präziseren
Winkelausrichtung des mit der Koordinatenmessmaschine verbundenen
Taststiftes relativ zu dieser führt.
In axialer Richtung setzt sich oberhalb der Anschlagschulter 3b der
Ankopplungskörper 3 mit
einem ebenfalls einstückig
integrierten und gebildeten Rohransatz 3c fort. Dieser Rohransatz 3c erstreckt
sich in Richtung des Schaftes 2 um etwa die doppelte Länge von
Gewindekörper
und Anschlagplatte. Prinzipiell ist es möglich, den Rohransatz 3c noch
länger
zu gestalten, insbesondere dann, wenn sehr lange Schäfte 2 verwendet werden;
allerdings erfordert dies dann gegebenenfalls für längere Schäfte andere Werkzeuge bei der Umspritzung
und es besteht die Ge fahr, dass die Spritzgussmasse 4 nicht
mehr vollständig
in den lichten Bereich 3d zwischen Schaft 2 und
Rohransatz 3c eindringt. Es sei erwähnt, dass die Einstückigkeit
des Ankopplungskörpers
mit dem Rohransatz bzw. dem Gewindekörper vorteilhaft und bevorzugt,
aber nicht zwingend ist.
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Wie
erkennbar, tritt der Schaft 2 durch das Rohr 3c hindurch
und über
dessen Ende hinaus, so dass er über
den Ankopplungskörper 3 auf
der von der Tastkugel 5 abgewandten Seite übersteht.
Der Überstand 2b ist
mindestens so lang, dass bei der Umspritzung der Schaft 2 gut
in einer Form fixiert werden kann, damit keine Verschiebung relativ
zum Aufnahmekörper 3 erfolgt.
Andererseits steht der Schaft hinten nicht so weit über, dass
er das Befestigen des Aufnahmekörpers
an der Koordinatenmessmaschine beeinträchtigen würde.
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Die
Spritzgussmasse 4 ist aus herkömmlichen Materialien wie fasergefüllten Kunststoffen
gebildet und durchdringt den lichten Bereich 3d zwischen
der Innenseite des Aufnahmerohres 3c bzw. der Anschlagschulter 3b bzw.
dem Gewindeansatz 3a des Ankopplungskörpers 3 und dem Schaft 2 vollständig. Außerhalb
des Aufnahmeröhrchens 3c ist auf
der zur Tastspitze hin gewandten Seite der Anschlagplatte 3b die
Spritzgussmasse 4 so geformt, dass ein ergonomisch leichtes
Ergreifen des Taststiftes ermöglicht
wird, wozu zum Beispiel Mulden 4a in den Spritzgussmantel
um das Röhrchen 3c eingeformt
sind. Der Spritzgussmantel ist des weiteren ein Stück weit über des
der Tastspitze bzw. Tastkugel 5 zugewandten Ende des Röhrchens 3c hinausgezogen,
um diese Kante zu schützen
und vollständing
zu umfassen, was die Fixierung durch Schrumpfen bei Erkalten begünstigt.
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Die
Anordnung wird hergestellt wie folgt:
Zunächst wird ein Schaft 2 bereitgestellt,
in dem bereits eine Formgebung für
die spätere
Verklebung mit einer Tastkugel an der Spitze vorgesehen ist. Weiter wird
ein Ankopplungskörper 3 bereitgestellt.
Der Schaft wird durch den Ankopplungskörper hindurchgesteckt und mit
diesem zusammen in eine Spritzgussform gebracht. Dabei wird durch
die Spritzgussform eine exakte relative Fixierung von Ankopplungskörper 3 und
Schaft 2 erzielt, und zwar aufgrund der beidseitigen Fixierung
des Schaftes, denn der Ankopplungskörper kann definiert an nicht
umspritzten Bereichen wie dem Gewinde positioniert werden, während der
Schaft an seinen Enden gehalten wird. Bevorzugt ist dabei die Fixierung
sowohl am Vorder- als auch Hinterende des Schaftes sowie am Ankopplungskörper 3.
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Danach
wird mit großem
Spritzdruck Kunststoffmasse eingespritzt und strömt um das Röhrchen 3c herum und
in dieses hinein. Durch Erhärtung
der Kunststoffspritzmasse ist der Schaft am Aufnahmekörper fixiert
und es kann nun die Kugel 5 mit dem Schaft verbunden werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass es prinzipiell möglich ist, den Kugelverbindungsschritt
auch vor der Spritzung durchzuführen.