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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleichen von Gewichtskräften,
die von beweglichen Teilen eines Koordinatenmessgeräts
hervorgerufen werden. Die beweglichen Teile sind insbesondere in
vertikaler Richtung (Z-Achse des Koordinatenmessgeräts)
beweglich. Bei den Teilen handelt es sich insbesondere um Taster
zum mechanischen Antasten von Messobjekten, Messköpfe,
an denen die Taster angebracht werden können, Sensoren
zum mechanischen und/oder optischen Abtasten von Messobjekten zum
Zwecke der Bestimmung von Koordinaten der Messobjekte und/oder Bauteile
des Koordinatenmessgeräts (wie z. B. in Z-Richtung bewegliche
Schlitten), die die mechanische Verbindung zwischen den zuvor genannten
Bauteilen und unbeweglichen Bauteilen des Koordinatenmessgeräts
herstellen.
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Insbesondere
weist ein Koordinatenmessgerät mit derartigen beweglichen
Teilen außerdem einen Antrieb für die Teile, insbesondere
einen Antrieb für einen Messschlitten und eine Einrichtung
für den Gewichtsausgleich, d. h. für die Kompensation
der Gewichtskräfte der zuvor genannten Teile, auf.
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Früher
wurde der Gewichtsausgleich durch Gegengewichte vorgenommen. Koordinatenmessgeräte
dieser Art sind z. B. in der
DE
26 13 451 und der
DE
29 43 431 beschrieben. Nachteilig hieran ist jedoch, dass
ein Gegengewicht die Gesamtmasse der zu bewegenden Teile erhöht.
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Es
ist auch bereits vorgeschlagen worden, anstelle des Gegengewichts
Pneumatikzylinder vorzusehen. Ein entsprechendes Koordinatenmessgerät
ist beispielsweise in der
US
4,207,680 beschrieben. Solche Pneumatikzylinder bzw. Gasdruckfedern weisen
den Zylinder, auch Druckrohr genannt, eine Kolbenstange mit Kolben
sowie geeignete mechanische Anschlüsse zum Einleiten der
Kräfte auf die Kolbenstange auf. Das Druckrohr ist mit
einem komprimierten Gas gefüllt oder beaufschlagt. Je nach
Anwendungsfall sind in axialer Richtung des Druckrohres entweder
eine oder beide Seiten des Kolbens mit Gas befüllt. Es
gibt auch Konstruktionen, die außerdem noch einen Trennkolben
besitzen, der zwei mit Gas und Öl befüllte Bereiche
trennt. Die Gewichts-Kompensationseinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung kann einen Druckzylinder entsprechend einem
der zuvor beschriebenen Typen aufweisen.
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Vorbekannte
Kompensationseinrichtungen zur Kompensation der Gewichtskraft von
in Z-Richtung beweglichen Teilen eines Koordinatenmessgeräts
haben den Nachteil eines hohen Gewichts und eines hohen Platzbedarfs.
So weist z. B. das Koordinatenmessgerät (im Folgenden abgekürzt
durch KMG) nach
US 4,207,680 eine
Umlenkeinrichtung auf, die aus zwei koaxial gelagerten Scheiben
besteht. Auf diese Weise ist zwar eine Wandlung des Drehmoments
und damit der Zugkraft zwischen der Last und dem Luftdruckzylinder
möglich. Der Zylinder erstreckt sich jedoch in horizontaler
Richtung und die Umlenkeinrichtung benötigt erheblichen
Platzbedarf, um die Kraftwandlung bewirken zu können.
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Auch
die
DE 38 23 042 A1 beschreibt
ein KMG mit einer Druckfeder (dort eine Schraubenfeder), deren Längsachse
in horizontaler Richtung verläuft. Zwar wird das Zugseil,
welches die Gewichtskraft auf die Feder überträgt,
zweifach umgelenkt, um den Federweg zu verkürzen. Jedoch
benötigt die Kombination aus Druckfeder und Umlenkung sehr viel
Platz in horizontaler Richtung.
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DE 86 094 23 U1 beschreibt
eine Kompensationseinrichtung für ein Koordinatenmessgerät
mit einer Druckfeder, deren Längsachse in vertikaler Richtung
ausgerichtet ist. Eine Umlenkeinrichtung mit zwei Umlenkrollen befindet
sich oberhalb der Druckfeder. Auch die Befestigung des Zugseils
befindet sich oberhalb der Druckfeder. Trotz des verkürzten Federweges
ist der Platzbedarf relativ hoch.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompensationseinrichtung
zur Kompensation der Gewichtskraft von beweglichen Teilen eines
Koordinatenmessgeräts, insbesondere eines in vertikaler
Richtung beweglichen Messkopfes mit Schlitten, anzugeben, die platzsparend
ist und vorzugsweise ein geringes Eigengewicht aufweist.
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Es
wird vorgeschlagen, eine Druckfeder zu verwenden, die eine Längsachse
aufweist, in deren Richtung die Druckfeder komprimierbar bzw. expandierbar
ist. Über ein langgestrecktes Kraftübertragungselement
(z. B. ein Drahtseil, ein Band oder eine Kette) werden die von der
Druckfeder in ihrem jeweiligen Zustand ausgeübten Kräfte
auf die Teile des Koordinatenmessgeräts übertragen,
deren Gewichtskräfte zu kompensieren sind (die „Last").
Diese übertragenen Kräfte wirken den Gewichtskräften
der Last entgegen und kompensieren die Gewichtskräfte zumindest
teilweise, vorzugsweise vollständig.
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Unter
einer Druckfeder wird ein Bauteil verstanden, welches beim Auftreten
einer Verschiebung in der Längsachse kontinuierlich Kräfte
auf das angreifende Kraftübertragungselement ausübt.
Dabei erzeugt die Druckfeder idealerweise eine möglichst konstant
bleibende Kraft, obwohl die genannte Verschiebung in Wegrichtung
des Kraftübertragungselements auftritt. Unter dem Begriff
"Druck" in „Druckfeder" ist also nicht ein Gasdruck oder
Flüssigkeitsdruck zu verstehen, sondern z. B. irgendein
Druck, der bei der Kraftübertragung auf eine beliebige
Fläche wirkt, z. B. auf eine Querschnittsfläche
des Kraftübertragungselements. Dabei wirkt der Druck bzw. die
entsprechende Kraft wie erwähnt in einer Richtung, die
die Gewichtskraft der beweglichen Teile des KMG zumindest teilweise
kompensiert. Andere, äquivalente Begriffe für
Druckfeder sind daher z. B. Kraftgenerator oder mechanischer Energiespeicher.
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Wie
erwähnt, verändert sich die Kraft der Druckfeder
idealerweise nicht, obwohl eine Verschiebung des Kraftübertragungselements
stattfindet, wenn sich die beweglichen Teile des KMG, deren Gewicht
zu kompensieren ist, mit zumindest einer Bewegungskomponente in
Richtung ihrer Gewichtskraft bewegen. Bei "den Teilen" kann es sich
in einem Spezialfall auch um ein einziges, einstückiges
Teil handeln.
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Ein
solcher idealer Kraftgenerator ist jedoch zumindest mit vertretbarem
Kostenaufwand und, da die Bauform klein sein soll, nicht verfügbar.
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Es
wird daher weiter vorgeschlagen, an der Druckfeder zumindest zwei
Umlenkmittel zum Umlenken des langgestreckten Kraftübertragungselements
und damit der in der Erstreckungsrichtung des Kraftübertragungselements
wirkenden Kraft anzuordnen, d. h. die Umlenkmittel mit Teilen der
Druckfeder zu verbinden, so dass Kräfte zwischen der Druckfeder
und dem Kraftübertragungselement übertragen werden
können.
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Außerdem
sind das erste Umlenkmittel und das zweite Umlenkmittel an verschiedenen
Teilen der Druckfeder angeordnet, die sich bei Verschiebung des
Kraftübertragungselements in seiner Erstreckungsrichtung
relativ zueinander bewegen, wobei Betrag und Richtung der Relativbewegung
eindeutig einer Verschiebung und Verschiebungsrichtung des Kraftübertragungselements
und damit einer Bewegung und Bewegungsrichtung der Last zugeordnet sind.
Bei einer Bewegung der Last finden daher eine entsprechende Verschiebung
des Kraftübertragungselements und eine entsprechende Veränderung
der Druckfeder statt, mit der wiederum die Relativbewegung des ersten
und zweiten Umlenkmittels verbunden ist.
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Wegen
der Anordnung der Umlenkmittel an der Druckfeder ist einerseits
eine sehr kompakte Bauform erzielt und führt außerdem
eine Verschiebung des Kraftübertragungselements zu einer
geringeren zurückgelegten Entfernung bei der Relativbewegung
der an der Druckfeder angeordneten Umlenkmittel.
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Vereinfacht
ausgedrückt ist die Druckfeder mit samt der Umlenkmittel
eine besonders kompakte Ausführungsform eines Kraft-Weg-Wandlers
in der Art eines Flaschenzuges. D. h. bei einer Verkürzung des
Abstandes zwischen den beiden einander entgegengesetzten Enden wird
das an der Last befestigte Ende des Kraftübertragungselements
um den Weg verschoben, der dem Doppelten der Verkürzung
des Abstandes entspricht. Je nach der Art der Führung des
Kraftübertragungselements zwischen Last und erstem Umlenkmittel
führt eine Verkürzung des Abstandes zu einer Absenkung
der Last (wenn das Kraftübertragungselement nochmals dazwischen
in entgegengesetzte Richtung umgelenkt ist) oder zu einer Anhebung
der Last (wenn das Kraftübertragungselement ohne weitere
Umlenkung sich von der Last zu dem ersten Abschnitt erstreckt).
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Daher
kann bei sehr kompakter Bauform eine große Bewegung der
gegeneinander beweglichen Teile der Druckfeder vermieden werden.
Die Kraft vor und nach der Bewegung der beweglichen Teile der Druckfeder
ist daher konstanter als bei einer großen Bewegung. Außerdem
kann die Zunahme bzw. Abnahme der Kraft mit der Bewegung in sehr guter
Näherung als linear betrachtet werden. Dies gilt insbesondere
bei besonderen Ausgestaltungen der Druckfeder, auf die noch näher
eingegangen wird, z. B. einer Gasdruckfeder.
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Insbesondere
wird eine Kompensationseinrichtung vorgeschlagen, zur Kompensation
von Gewichtskräften einer Last aus beweglichen Teilen eines
Koordinatenmessgeräts, insbesondere eines beweglichen Messkopfes
und damit verbundenen Teilen, wobei die Kompensationseinrichtung
Folgendes aufweist:
- – eine Druckfeder,
mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei die Teile relativ
zueinander beweglich sind und wobei Kräfte der Druckfeder
zwischen dem ersten und den zweiten Teil wirken,
- – ein langgestrecktes Kraftübertragungselement, das
an einem ersten Ende des Kraftübertragungselements an der
Last angreift und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden
zweiten Ende des Kraftübertragungselements an der Druckfeder
angreift, sodass von der Druckfeder über das Kraftübertragungselement
auf die Last ausgeübte Kräfte Gewichtskräfte
der Last zumindest teilweise kompensieren,
- – ein erstes Umlenkmittel, das mit dem ersten Teil der
Druckfeder verbunden ist und das das Kraftübertragungselement
aus einem ersten Abschnitt seiner Längserstreckung in einen
zweiten Abschnitt seiner Längserstreckung umlenkt,
- – ein zweites Umlenkmittel, das mit dem zweiten Teil
der Druckfeder verbunden ist und das das Kraftübertragungselement
aus dem zweiten Abschnitt in einen dritten Abschnitt seiner Längserstreckung
umlenkt,
wobei das erste und das zweite Umlenkmittel an
in Längsrichtung der Druckfeder entgegengesetzten Enden
der Druckfeder mit der Druckfeder verbunden sind und wobei die Umlenkmittel
derart angeordnet sind, dass zumindest der erste und der zweite
Abschnitt oder zumindest der zweite und dritte Abschnitt der Längserstreckung
des Kraftübertragungselements in einander entgegengesetzten
Richtungen verlaufen, d. h. das Kraftübertragungselement
zumindest an dem ersten Umlenkmittel oder zumindest an dem zweiten
Umlenkmittel in die entgegengesetzte Richtung umlenkt wird.
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Unter
einem Umlenkmittel wird insbesondere eine Umlenkeinrichtung, z.
B. eine Umlenkrolle und/oder eine umlenkende Führung verstanden.
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Bei
dem Kraftübertragungselement muss es sich nicht zwangsläufig
um ein einstückiges Element handeln. Vielmehr können
z. B. zwei oder mehr Drahtseile, die parallel zueinander verlaufen
oder auf verschiedenen Wegen von der Druckfeder zu der Last verlaufen,
vorgesehen sein. Die Abschnitte der Längserstreckung des
Kraftübertragungselements verlaufen somit bis bzw. zwischen
den Umlenkmitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich das Kraftübertragungselement in jedem der
Abschnitte, der sich zwischen zwei Umlenkmitteln befindet, welche
an entgegengesetzten Enden der Druckfeder angeordnet sind, in geradliniger
Richtung und vorzugsweise etwa parallel zur Längsachse
der Druckfeder.
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Vorzugsweise
befindet sich zumindest an einem Ende der Druckfeder nicht nur ein
Umlenkmittel, sondern zumindest ein weiteres Umlenkmittel zum Umlenken
des Kraftübertragungselements. Auf diese Weise können
zwischen Umlenkmitteln an den entgegengesetzten Enden der Druckfeder
mehrere Abschnitte in Längserstreckung des Kraftübertragungselements
realisiert werden. D. h., dass eine Verschiebung des Kraftübertragungselements
in dessen Längsrichtung (die Verschiebung bedeutet eine
entsprechende Verschiebung der Position der Last) zu einer um so
kleineren Veränderung des Abstandes zwischen den entgegengesetzten
Enden bzw. der Umlenkmittel an den Enden der Druckfeder führt.
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Zwei
oder mehr Umlenkmittel an einem Ende der Druckfeder können
dabei durch dasselbe Bauteil realisiert sein. Z. B. kann eine Umlenkrolle
für ein Drahtseil, welches in einer konkreten Ausführungsform
das Kraftübertragungselement ist, zwei in Umfangsrichtung
verlaufende, etwa parallel zueinander angeordnete Nuten aufweisen.
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Weiterhin
wird bevorzugt, dass zwei oder mehr Umlenkmittel an demselben Ende
der Druckfeder sich an gegenüberliegenden Enden einer Achse befinden,
welche sich quer zur Längsachse der Druckfeder erstreckt.
Bei der Verwendung von Umlenkrollen können diese drehbeweglich
um die Achse gelagert sein, so dass bei einer Verschiebung des Kraftübertragungselements
in dessen Längsrichtung eine entsprechende Drehbewegung
der Umlenkrolle um die Drehachse stattfindet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind an beiden
Enden in Längsrichtung der Druckfeder jeweils zwei Umlenkrollen
an den gegenüberliegenden Enden der Drehachse angeordnet,
wobei jede der Umlenkrollen zwei parallele Nuten in Umfangsrichtung
hat. Dabei kreuzt die Drehachse der Umlenkrollen an einem Ende der
Druckfeder die Längsachse der Druckfeder in einer Richtung und
die Drehachse der Umlenkrollen an dem anderen Ende der Druckfeder
die Längsachse der Druckfeder in einer anderen Richtung,
wobei die beiden Richtungen um 90° gegeneinander verdreht
die Längsachse der Druckfeder kreuzen.
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Durch
die insgesamt acht Umlenkmittel entstehen insgesamt acht Umlenkungen
des Kraftübertragungselements und daher bis zu neun Abschnitte der
Längserstreckung des Kraftübertragungselements,
die etwa parallel zur Längsachse der Druckfeder verlaufen.
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Von
der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind Varianten
möglich. Z. B. können die Umlenkrollen jeweils
nicht zwei parallele Nuten, sondern jeweils nur eine oder drei parallele
Nuten aufweisen. In jedem Fall wird aber bevorzugt, dass die Anzahl
der Nuten bzw. Umlenkmittel an den gegenüberliegenden Enden
der Drehachsen bzw. der Achsen, die die Längsachse senkrecht
kreuzen, gleich groß ist, damit durch die von dem Kraftübertragungselement
auf die Druckfeder und umgekehrt wirkenden Kräfte keine nennenswerten
resultierenden Drehmomente auf die Drehachsen wirken. Abgewichen
werden kann von diesem Prinzip insbesondere dann, wenn das Kraftübertragungselement
an einem Ende der Drehachse bzw. gegenüberliegend einem
Ende der Drehachse endet und dort mit der Druckfeder verbunden ist.
Anstelle eines Umlenkmittels ist daher eine Endbefestigung vorgesehen,
die aber ebenfalls zur Übertragung von entsprechenden Kräften
wie bei einem Umlenkmittel zwischen Kraftübertragungselement
und Druckfeder führt.
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Die
Kompensationseinrichtung (d. h. die Einrichtung zum Gewichtsausgleich)
kann einen Druckmittelzylinder aufweisen. Ein erster Teil des Druckmittelzylinders,
z. B. das Zylindergehäuse, ist fest mit anderen Teilen
des KMG verbunden. Diese Teile und der erste Teil des Druckmittelzylinders
bewegen sich daher z. B. nicht, wenn sich die Teile des KMG bewegen,
deren Gewicht kompensiert werden soll. Ein zweiter Teil des Druckmittelzylinders,
z. B. die Kolbenstange und der Kolben, sind dagegen über
ein langgestrecktes Kraftübertragungselement, z. B. ein Zugseil
mit den Teilen des KMG verbunden, deren Gewicht kompensiert werden
soll. Der zweite Teil bewegt sich daher teilweise mit.
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In
einer Ausführungsform ist der Druckmittelzylinder als Pneumatikzylinder
ausgebildet. Das Druckmittel besteht daher aus Druckgas, z. B. Druckluft
und/oder Stickstoffgas. Der Zylinderraum auf der anderen, der aus
Sicht des Kolbens dem Druckmittel gegenüberliegenden Seite,
ist z. B. nach außen frei entlüftet. Bei einer
anderen Ausführungsform ist der Druckmittelzylinder stattdessen
als Hydraulikzylinder ausgebildet. Ferner kann der Druckmittelzylinder
sowohl in der Ausgestaltung als Pneumatikzylinder als auch als Hydraulikzylinder
mehrstufig sein. insbesondere kann der Druckmittelzylinder als Teleskopzylinder
ausgestaltet sein.
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Ausführungsformen
des Druckmittelzylinders sind z. B. in der
DE 86 09 423 beschrieben, nicht jedoch
das im Folgenden beschriebene Konzept der mehrfachen Umlenkung unter
Verwendung einer Mehrzahl von Umlenkmitteln, die an entgegengesetzten
Enden des Druckmittelzylinders angeordnet sind.
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An
einem ersten Ende des Druckzylinders befindet sich ein erstes Umlenkmittel
(z. B. eine Umlenkrolle). Es ist an einem Teil (z. B. dem ersten
Teil) des Druckmittelzylinders befestigt. Das langgestreckte Kraftübertragungselement,
welches in einem ersten Abschnitt entlang der Längsachse
des Druckmittelzylinders und in einer Richtung etwa parallel zur Längsachse
geführt ist, wird in etwa entgegengesetzte Richtung umgelenkt.
An dem ersten Umlenkmittel wird das Kraftübertragungselement
daher von dem ersten Abschnitt in einen zweiten Abschnitt umgelenkt,
der sich ebenfalls wie der erste Abschnitt entlang der Längsachse
des Druckmittelzylinders und in einer Richtung etwa parallel zur
Längsachse erstreckt.
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Den
ersten Abschnitt erreicht das Kraftübertragungselement
aus Sicht der Teile, deren Gewicht zu kompensieren ist (im folgenden
teilweise „die Last"), z. B. ohne Umlenkung oder über
ein weiteres Umlenkmittel. Das weitere Umlenkmittel ist z. B. nicht mit
dem Druckmittelzylinder verbunden. Es kann jedoch auch mit dem Druckmittelzylinder
verbunden sein, wobei sich jedoch der Abschnitt des Kraftübertragungselements
zwischen der Last und dem weiteren Umlenkmittel nicht etwa parallel
zur Längsachse des Druckmittelzylinders erstreckt.
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An
einem zweiten Ende des Druckzylinders befindet sich ein zweites
Umlenkmittel (z. B. eine Umlenkrolle). Es ist an dem anderen Teil
(z. B. dem zweiten Teil) des Druckmittelzylinders befestigt. Unter
dem anderen Teil ist zu verstehen, dass das erste Umlenkmittel und
das zweite Umlenkmittel entsprechend der Bewegung des ersten Teils
und des zweiten Teils des Druckzylinders relativ zueinander bewegt
werden. Das langgestreckte Kraftübertragungselement, welches
sich in dem zweiten Abschnitt entlang der Längsachse des
Druckmittelzylinders erstreckt, wird an dem zweiten Umlenkmittel
in etwa entgegengesetzte Richtung in einen dritten Abschnitt umgelenkt.
Der dritte Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise wiederum entlang
der Längsachse des Druckmittelzylinders und etwa parallel
zu der Längsachse.
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Wenn
das Kraftübertragungselement (wie bevorzugt in seinem Verlauf
von der Last zu seinem gegenüberliegenden Ende) aus dem
dritten Abschnitt nochmals in einen weiteren oder mehrere weitere
Abschnitte umgelenkt wird, erstrecken sich diese weiteren Abschnitte
wiederum jeweils in etwa entgegengesetzte Richtung. Dabei sind die
entsprechenden weiteren Umlenkmittel jeweils alternierend an dem
ersten und zweiten Teil des Druckzylinders angeordnet. Ferner ist
dabei des die Anordnung aller Umlenkmittel, einschließlich
des ersten und des zweiten Umlenkmittels, vorzugsweise insgesamt
alternierend, d. h. zum Beispiel ist das erste Umlenkmittel an dem
ersten Teil des Druckmittelzylinders angeordnet, das zweite Umlenkmittel
an dem zweiten Teil, das dritte Umlenkmittel wieder an dem ersten Teil
usw..
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Der
jeweils letzte Abschnitt, d. h. der Abschnitt, der an dem letzten
Umlenkmittel des Druckmittelzylinders beginnt (dies kann bereits
der dritte Abschnitt sein), kann sich jedoch auch nicht oder auch
nicht ungefähr in entgegengesetzte Richtung wie der vorangehende
Abschnitt erstrecken und an seinem Ende eine Endbefestigung für
das Kraftübertragungselement aufweisen.
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Alle
Ausführungen zu dem Druckmittelzylinder gelten bei einer
anderen Ausführungsform entsprechend für eine
mechanische Druckfeder, die z. B. einen um die Längsachse
der Druckfeder helixförmig gewundenen Federdraht aufweist,
der in der Längsachse komprimiert und expandiert werden
kann. Vorzugsweise weist diese Druckfeder zur Stabilisierung einen
sich in Längsachse erstreckenden Kern auf, z. B. einen
Zylinderstab, um den der Federdraht gewunden ist.
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Allerdings
werden Druckmittelzylinder bevorzugt, da mit ihnen ein sehr weitgehend
lineares Kennlinienverhalten erzielbar ist. Die Kennlinie ist die grafische
Darstellung der Kraft als Funktion der Auslenkung der Druckfeder
in Längsrichtung.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum kompensieren von
Gewichtskräften einer Last aus beweglichen Teilen eines
Koordinatenmessgerätes, insbesondere eines beweglichen
Messkopfes und damit verbundenen Teilen. Die Kompensationskraft
wird von einer Druckfeder über ein Kraftübertragungselement
auf die Last übertragen. Dabei wird das Kraftübertragungselement über
zumindest eine erste Umlenkeinrichtung und zumindest eine zweite Umlenkeinrichtung,
welche an der Druckfeder angeordnet sind, umgelenkt. Eine Verschiebung
der Last in Richtung oder Gegenrichtung der Kompensationskraft an
der Last bewirkt dabei eine Kompression oder Expansion, je nach
Richtung der Verschiebung, da die Umlenkeinrichtungen an entgegengesetzten Enden
der Druckfeder angeordnet sind und sich ihr Abstand bei der Verschiebung
verändert. Varianten und Ausgestaltungen des Verfahrens
sind der Beschreibung der Kompensationseinrichtung zu entnehmen.
Bei dem Verfahren handelt es sich insbesondere um ein Verfahren
zum Betreiben der Kompensationseinrichtung in einer der hier beschriebenen
Ausgestaltungen.
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Ausführungsbeispiele
und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nun unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die
einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 die
Mechanik eines Koordinatenmessgeräts mit drei jeweils paarweise
senkrecht zueinander stehenden Bewegungsachsen,
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2 ein
Prinzipbild zur Erläuterung einer platzsparenden Kompensation
von in vertikaler Richtung auftretenden Kräften aufgrund
der Gewichtskraft eines Messkopfes mit daran befestigtem mechanischen
Taster,
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform einer Druckfeder mit Umlenkeinrichtungen
und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Druckfeder mit Umlenkeinrichtungen.
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Der
in 1 dargestellte Teil 1 eines KMG weist
eine Basis 15 auf, die beispielsweise durch das Portal
eines KMG in Portalbauweise gebildet ist. Die Basis 15 stützt
sich (nicht dargestellt) z. B. an ihrer Unterseite an einer Basisplatte
und/oder an einem Messtisch zum Auflegen eines Messobjekts ab. Wie durch
Bezugszeichen 14 angedeutet ist, weist das KMG einen ersten
Schlitten auf, der in einer horizontal verlaufenden Richtung (X-Achse
des Koordinatensystems des KMG) relativ zu der Basis 15 beweglich
ist. An dem Schlitten ist ein weiterer Teil 13 des KMG
befestigt, der sich in einer anderen horizontalen Richtung (Y-Richtung
des KMG-Koordinatensystems), die senkrecht zu der ersten horizontalen
Richtung ist, erstreckt. Gegen den weiteren Teil ist eine hoch (in
Z-Richtung des Koordinatensystems des KMG) aufragende Konstruktion 9 in
der Y-Richtung beweglich gelagert.
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An
der Konstruktion 9 ist wiederum eine Schlittenführung 10 angeordnet,
an der ein Schlitten 7 in Z-Richtung beweglich geführt
ist, wobei an dem Schlitten 7 ein Messkopf 5 und
daran wiederum ein Taster 3 zum mechanischen Antasten des
durch das KMG zu vermessenden Objekts angebracht sind. An Stelle
des Tasters könnte z. B. auch eine optisch arbeitende Messeinrichtung
angeordnet sein. auch ist es möglich, dass das Koordinatenmessgerät
lediglich die Beweglichkeit in Z-Richtung ermöglicht und
optional entweder die Wirklichkeit in X-Richtung oder Y-Richtung,
d. h. die Bewegungseinrichtungen für die anderen Beweglichkeiten
sind nicht vorhanden.
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Alle
möglichen Bewegungen des KMG sind vorzugsweise motorisch
angetrieben.
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Teil
der Konstruktion 9 in 1 ist eine
Umlenkrolle 18 zum Umlenken eines Kraftübertragungselements,
hier speziell eines Drahtseils, welches mit einem ersten Ende an
dem Schlitten 7 befestigt ist. Bei einer Bewegung des Schlittens 7 in
Z-Richtung bewegt sich daher das Ende des Drahtseils mit. Aufgrund
der Gewichtskraft des Schlittens 7 und der daran befestigten
Teile 3, 5 ist das Drahtseil auf Zug belastet.
Anstelle des Drahtseils könnten auch andere Kraftübertragungselemente,
wie z. B. Bänder oder Ketten, verwendet werden.
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An
der Umlenkrolle 18 wird das Kraftübertragungselement 16 vom
Schlitten 7 aus gesehen in entgegengesetzte Richtung nach
unten umgelenkt. Der an der Umlenkeinrichtung 18 beginnende
Abschnitt der Erstreckung des Kraftübertragungselements 16 wird
hier als erster Abschnitt bezeichnet.
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Wie
noch besser aus den anhand von 2 bis 4 beschriebenen
Ausführungsbeispielen zu erkennen ist, wird das Kraftübertragungselement
am unteren Ende des ersten Abschnitts wieder in entgegengesetzte
Richtung umgelenkt und im weiteren Verlauf wiederum in entgegengesetzte
Richtung nach unten umgelenkt. Für die zuletzt genannte
Umlenkung ist in 1 eine Umlenkrolle 25 erkennbar. Diese
Umlenkrolle 25 (die in anderen Ausführungsbeispielen
auch eine andere Umlenkeinrichtung, z. B. eine Führung
mit Gleitbeschichtung, sein kann) ist an einer Gasdruckfeder 23 befestigt,
und zwar an dem oberen freien Ende der Gasdruckfeder. Das untere Ende
der Gasdruckfeder 23 (hier die Kolbenstange) ist fest mit
der Konstruktion 9 verbunden, hier am unteren Ende der
Konstruktion 9 an einem Befestigungspunkt 21.
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Im
Bereich des Befestigungspunktes 21 befindet sich die zumindest
eine weitere Umlenkeinrichtung, welche mit der Gasdruckfeder 23 verbunden
ist. Ganz allgemein gilt für die vorliegende Erfindung, dass
die Umlenkeinrichtung oder die Umlenkeinrichtungen, welche mit der
Druckfeder verbunden sind, sich aber nicht relativ zu der zugehörigen
Haltekonstruktion, welche auch die Druckfeder hält, verschieben,
nicht unmittelbar an der Druckfeder angebracht sein müssen.
Vielmehr können die Umlenkeinrichtungen auch an der Halteeinrichtung
bzw. Tragekonstruktion angebracht sein.
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2 zeigt
das Prinzip des kompakten, platzsparenden Aufbaus einer Kompensationseinrichtung
zur Kompensation der Gewichtskraft. Generell gilt für die
Figurenbeschreibung, dass gleiche Bezugszeichen gleiche und funktionsgleiche
Teile und Einrichtungen bezeichnen.
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Wiederum
ist aus 2 der Schlitten 7 mit dem
daran angeordneten Messkopf 5 und dem von dem Messkopf
getragenen Taster 3 erkennbar. Der Schlitten 7 ist
in Z-Richtung verfahrbar, d. h. entlang der schematisch säulenartig
in Z-Richtung hoch aufragenden dargestellten Konstruktion 11,
an deren oberen Ende sich die Umlenkrolle 18 befindet.
Das Kraftübertragungselement ist wiederum mit Bezugszeichen 16 bezeichnet.
Von dem Ende 17 des Kraftübertragungselements 16 am
Schlitten 7 erstreckt sich das Kraftübertragungselement 16 in
einem Abschnitt 16a bis zu der Umlenkeinrichtung 18,
wird dort nach unten umgelenkt und erstreckt sich dabei in dem so
genannten ersten Abschnitt 16b bis zu einer Umlenkeinrichtung 26.
Diese Umlenkeinrichtung 26 ist in der dargestellten Variante
mit der Kolbenstange 27 der als Gasdruckfeder ausgebildeten
Druckfeder 23 verbunden. Eine Drehachse der Umlenkeinrichtung 26,
die hier eine Umlenkrolle ist, erstreckt sich dabei senkrecht zur
Bildebene der 2 und damit senkrecht zur in
Z-Richtung ausgerichteten Längsachse der Druckfeder 23.
Die Kolbenstange 27 und die Umlenkeinrichtung 26 sind
an einem Befestigungspunkt 21 mit der Tragkonstruktion,
d. h. u. a. mit der säulenartig dargestellten Tragkonstruktion 11, verbunden,
an der die beweglichen Teile 3, 5, 7 in Z-Richtung
entlangfahren können.
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Im
weiteren Verlauf der Erstreckung des Kraftübertragungselements 16 befindet
sich beginnend an der Umlenkeinrichtung 26 ein zweiter
Abschnitt 16c, der sich etwa vertikal nach oben (d. h.
in Z-Richtung) erstreckt und an einer weiteren Umlenkeinrichtung 25 endet.
Diese Umlenkeinrichtung 25 ist mit dem oberen Ende der
Druckfeder 23, hier mit dem Druckmittelzylinder 28,
verbunden. An der Umlenkeinrichtung 25 wird das Kraftübertragungselement
erneut in entgegengesetzte Richtung, d. h. wiederum nach unten,
umgelenkt. Der Abschnitt 16d, in dem sich das Kraftübertragungselement 16 dabei
erstreckt, endet unten auf Höhe der Umlenkeinrichtung 26.
Dort ist das Kraftübertragungselement 16 ebenfalls
mit der Kolbenstange 27 verbunden. Alternativ könnte
es mit der Tragkonstruktion 11, z. B. am Befestigungspunkt 21,
verbunden sein.
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Bewegt
sich der Schlitten 7 aus der in 2 gezeigten
Position nach unten (weil er dementsprechend motorisch angetrieben
wird oder manuell betätigt wird), wird das Ende 17 des
Kraftübertragungselements 16 mit nach unten bewegt.
Aufgrund der Umlenkung an den Umlenkeinrichtungen 18, 26,
die sich nicht relativ zu ihrer Tragkonstruktion 11 in
Z-Richtung verschieben, wird eine Kraft auf die Umlenkeinrichtung 25 und
damit auf den Druckmittelzylinder 28 ausgeübt,
so dass sich die Umlenkeinrichtungen 25, 26 in
Richtung der Längsachse und damit in Z-Richtung der Druckfeder 23 aufeinander
zu bewegen. Dabei ist wegen der parallel zueinander verlaufenden Abschnitte 16c und 16d die
Verkürzung des Abstandes der Umlenkeinrichtungen 25, 26 lediglich
halb so groß wie die Verschiebung des Schlittens 7.
Da sich die Kraft einer Druckfeder bei Auslenkung verändert und
da der Auslenkungsweg aber geringer ist als die Verschiebung des
Schlittens, ist die Veränderung der Kraft, die die Druckfeder
auf das Kraftübertragungselement ausübt, verringert.
Durch weitere Umlenkungen (wie noch anhand von 3 und 4 gezeigt wird)
lässt sich die Auslenkung der Druckfeder und damit die
Veränderung der Kraft noch weiter reduzieren.
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Bei
dem in 2 dargestellten Prinzip der Gewichtskraftkompension
erstreckt sich die Längsachse der Druckfeder in Z-Richtung.
Daher ist die Bauweise insbesondere in X-Richtung und Y-Richtung
sehr kompakt. Außerdem ist die Bauweise in Z-Richtung kompakt,
da sich die Umlenkeinrichtungen an den entgegengesetzten Enden der
Druckfeder befinden. Dabei besteht ein gewisser Spielraum im Bereich
der einzelnen Enden für die Anbringung der Umlenkeinrichtungen.
Z. B. muss die Umlenkeinrichtung 26 in 2 nicht
unbedingt am unteren Ende der Kolbenstange befestigt sein. Vielmehr
kann sie auch etwas höher oder etwas niedriger angeordnet
sein. Diese Umlenkrolle kann auch, wie bereits erwähnt,
an der Tragkonstruktion, z. B. im Bereich des Befestigungspunktes 21,
angeordnet sein. Für die Umlenkeinrichtung, die am oberen
Ende der Druckfeder angeordnet ist, besteht ebenfalls ein Spielraum
für die Befestigung in Z-Richtung bzw. in Richtung der
Längsachse der Druckfeder. Die Randbedingung für
den Spielraum besteht darin, dass die Änderung des Abstandes
der an den entgegengesetzten Richtungen angeordneten Umlenkeinrichtungen
der Druckfeder soweit verkürzt und verlängert werden
können muss, dass die gewünschte Beweglichkeit
für den Schlitten bzw. allgemeiner formuliert die Last
erreicht ist.
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Anders
als in 2 kann z. B. das obere Ende der Druckfeder fest
mit der Tragkonstruktion verbunden sein und stattdessen das untere
Ende der Druckfeder beweglich sein. Auch sind mehrstufige Druckfedern
möglich, bei denen die Umlenkeinrichtungen an den entgegengesetzten
Enden lediglich einer Stufe (die Stufen sind in Längsrichtung
hintereinander geschaltet und werden bei Belastung/Entlastung der
Druckfeder alle verkürzt bzw. verlängert) angeordnet
sind. In diesem Fall bewegen sich die Umlenkeinrichtungen an den
entgegengesetzten Enden der Stufe beide, wenn sich die Last bewegt.
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In
den meisten Fällen wird die Last in Richtung der Gewichtskräfte
der Last bewegt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr könnte
z. B. der Schlitten 7 auch in einer Richtung beweglich
sein, die mit der Vertikale einen Winkel von wenigen Grad einschließt.
Insbesondere aber verläuft zumindest eine Bewegungskomponente
der Bewegung der Last in vertikaler Richtung.
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Die
auch in Z-Richtung platzsparende Konstruktion der Druckfeder mit
Umlenkeinrichtungen führt in den meisten Fällen
nicht zu einer Verlängerung der Konstruktion des Koordinatenmessgeräts
in vertikaler Richtung, da die Last über einen größeren Wegbereich
in Z-Richtung verschoben werden kann als die Länge der
Druckfeder beträgt. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehr
als zwei Umlenkeinrichtungen an den entgegengesetzten Enden der
Druckfeder angeordnet sind, so dass an diesen Umlenkeinrichtungen
insgesamt eine mehrfache Umlenkung in entgegengesetzte Richtung
stattfindet.
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3 zeigt
die meist bevorzugte Ausführungsform einer Druckfeder mit
Umlenkeinrichtungen. Bei der Druckfeder 23 handelt es sich
um eine Gasdruckfeder mit einem Gasdruckzylinder 28, in dem
ein Kolben beweglich in Längsrichtung der Druckfeder 23 geführt
ist. einen Gasdruckfeder hat den Vorteil, dass sie bei geringer Expansion/Kompression
in Längsrichtung trotzdem eine hohe Kraft aufbringen kann
und dabei den Betrag der Kraft nur geringfügig ändert.
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In
der Darstellung von 3 ragt die Kolbenstange 27 unten
aus dem Gasdruckzylinder 28 heraus. Die Kolbenstange 27 ist
an ihrem unteren Ende über einen Block 37 mit
der Tragkonstruktion verbunden, die hier mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet ist.
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Die
Ausführungsform ist hinsichtlich der folgenden Merkmale,
nämlich der Ausgestaltung der Umlenkeinrichtungen, bevorzugt.
Die Befestigung der Gasdruckfeder an der Tragkonstruktion kann dagegen
variieren.
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Am
unteren Ende der Kolbenstange 27 ist ein Paar von Umlenkeinrichtungen 26a, 26b angeordnet,
die um eine Drehachse 38, welche in horizontaler Richtung
verläuft, drehbar gelagert sind. Dabei befindet sich die
erste Umlenkrolle 26a an einem Ende der Drehachse 38 und
die zweite Umlenkrolle 26b am entgegengesetzten Ende der
Drehachse 38. Ferner ist die Anordnung der Umlenkrollen 26a, 26b so
relativ zu der Tragkonstruktion 31 befestigt, dass die
Längsachse der Druckfeder 23, die gleich der Längsachse
und Mittelachse der Kolbenstange 27 ist, die Drehachse 38 etwa
in ihrer Mitte senkrecht durchstößt. Beide Umlenkrollen 26a, 26b sind
vorzugsweise mit jeweils zwei in ihrer Umfangsrichtung verlaufenden
Nuten 36a, 36b (Umlenkrolle 26a) bzw. 36c, 36d (Umlenkrolle 26b)
versehen. In diesen Umfangsnuten 36 wird das Kraftübertragungselement, hier
das Drahtseil 16, geführt und umgelenkt.
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Am
entgegengesetzten Ende der Druckfeder 23 befindet sich
am oberen Ende des Druckzylinders 28 eine hinsichtlich
der Ausgestaltung und Anordnung der Umlenkeinrichtung gleiche Konstruktion
wie am unteren Ende. Die Umlenkrollen 25a und 25b sind
aber um eine Drehachse 39 drehbar gelagert, die die Längsachse
der Druckfeder gegenüber der Drehachse 38 um 90° versetzt
kreuzt. Dies erlaubt eine kollisionsfreie mehrfache Umlenkung des
Kraftübertragungselements. Die Umfangsnuten der Umlenkrolle 25a sind
mit den Bezugszeichen 32a, 32b und die Umfangsnuten
der Umlenkrolle 25b mit den Bezugszeichen 32c, 32d bezeichnet.
Beispielsweise durchstößt zur Realisierung der
Drehachse 39 ein Stab das Ende des Druckmittelzylinders 28 und
sind die Rollen um diesen Stab drehbar gelagert.
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Das
Kraftübertragungselement 16 erstreckt sich von
oben in 3 kommend zunächst
in den so genannten ersten Abschnitt 16b bis zu der Umfangsnut 36b,
wird im weiteren Verlauf in den zweiten Abschnitt 16c umgelenkt,
erreicht am Ende des zweiten Abschnitts 16c die Umfangsnut 32b,
wird darin in den dritten Abschnitt 16d umgelenkt, erreicht
am Ende des dritten Abschnitts 16d die Umfangsnut 36c,
wird darin in den nächsten Abschnitt 16e umgelenkt
und erreicht an dessen Ende die Umfangsnut 32c, wird darin
in den folgenden Abschnitt 16f umgelenkt und erreicht an
dessen Ende die Umfangsnut 36a, wird in der Nut 36a in
den folgenden Abschnitt 16g umgelenkt, erreicht an dessen
Ende die Umfangsnut 32a, wird darin in den folgenden Abschnitt 16h umgelenkt, erreicht
an dessen Ende die Umfangsnut 36d, wird darin den in folgenden
Abschnitt 16i umgelenkt, erreicht an dessen Ende die Umfangsnut 32d,
wird darin erneut in entgegengesetzte Richtung umgelenkt und wird
bis zum unteren Ende der Gasdruckfeder 23 geführt
und ist dort an der Tragkonstruktion 31 befestigt.
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4 zeigt
eine Variante einer Druckfeder 42, die als mechanische
Helixfeder ausgestaltet ist. Eine solche Bauform kann bei einer
reduzierten Anzahl von Umlenkungen und aus Kostengründen
gewünscht werden. Um einen säulenartigen, hohlzylindrischen
Träger 43 erstreckt sich in mehreren übereinanderliegenden
Abschnitten (insgesamt vier Abschnitte 51a–51d)
jeweils ein helixförmig gewundener Federdraht. Am oberen
Ende des Abschnitts 51d ist die so gebildete Drahtfeder
mit der Halterung 52 einer Umlenkrolle 25 verbunden,
wobei die Halterung 52 mit samt der Umlenkrolle 25 in
Richtung der Längsachse der Druckfeder 42 verschieblich
ist. Am unteren Ende des Abschnitts 51a ist die Drahtfeder fest
mit der Tragkonstruktion 41 verbunden. Ebenfalls fest mit
der Tragkonstruktion 41 verbunden ist ein Paar von Umlenkrollen 26a, 26b,
die in gleicher Weise ausgestaltet und drehbar gelagert sind, wie die
Umlenkrollen 26a, 26b gemäß 3.
Dabei weisen die Umlenkrollen 26a, 26b jedoch
lediglich eine Umfangsnut auf.
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Das
von oben in 4 kommende Drahtseil 16 wird
zunächst in den ersten Abschnitt 16b bis zu der
Umlenkrolle 26a geführt, in deren Umfangsnut in entgegengesetzte
Richtung umgelenkt, erreicht am Ende des dritten Abschnitts 16c die
Umfangsnut der Umlenkrolle 25, wird darin in entgegengesetzte
Richtung nach unten umgelenkt in den folgenden Abschnitt 16d,
erreicht an dessen Ende die Umfangsnut der Umlenkrolle 26b,
wird darin wieder in entgegengesetzte Richtung nach oben umgelenkt
in den Abschnitt 16e und erreicht an dessen Ende eine Befestigung 45 an
der Halterung 52.
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Im
Gegensatz zu der Ausführungsform der 3,
bei der acht Umlenkungen stattfinden und das Ende des Kraftübertragungselements
nach der letzten Umlenkung nach unten geführt wird und
dort befestigt ist, so dass eine achtfache Untersetzung der Kraft
der Druckfeder stattfindet, wird das Kraftübertragungselement 16 bei
der Ausführungsform in 4 nur dreimal
umgelenkt und es findet nur eine dreifache Untersetzung der Kraft
statt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2613451 [0003]
- - DE 2943431 [0003]
- - US 4207680 [0004, 0005]
- - DE 3823042 A1 [0006]
- - DE 8609423 U1 [0007]
- - DE 8609423 [0029]