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Die Erfindung betrifft einen Messkopf für ein Koordinatenmessgerät.
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Das zentrale Teil eines Koordinatenmessgerätes ist der Messkopf, der die Information über den Antastpunkt liefert. Der Messkopf besteht aus einem festen, mit dem beweglichen Maschinenrahmen verbundenen Teil und einem dazu in mindestens einem Freiheitsgrad beweglichen Teil.
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Bei den zum Stand der Technik (
DE 10 2004 010 083 A1 ) gehörenden so genannten messenden Messköpfen ist das bewegliche Teil des Messkopfes über Führungen so mit dem festen Teil verbunden, dass es seinerseits mit Hilfe von Wegmesssensoren ein eigenes Koordinatensystem aufspannt. Durch geeignete Rückstellkräfte wird das bewegliche Teil des Messkopfes in einer Ruhestellung gehalten, aus der es bei Berührung des Antastelementes des Taststiftes mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt wird, wobei der Betrag und die Richtung der Auslenkung im Koordinatensystem des Messkopfes von den Wegmesssensoren gemessen werden. Diese Rückstellkräfte können beispielsweise durch Federelemente oder elektromagnetisch aufgebracht werden. Üblicherweise ist für jede der Koordinaten ein eigenes Wegmesssystem vorgesehen.
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Um möglichst viele unterschiedliche Messaufgaben erfüllen zu können, besitzen aus der Praxis bekannte Messköpfe eine mechanische Schnittstelle an dem beweglichen Teil, in die verschiedene Taststiftkonfigurationen eingesetzt beziehungsweise automatisch eingewechselt werden können.
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Da diese Taststiftkonfigurationen unterschiedliche Massen haben, wird das bewegliche Teil des Messkopfes in Richtung der wirkenden Schwerkraft unterschiedlich vorausgelenkt, wodurch das bewegliche Teil unter Umständen seine Nulllage verlässt. Um das bewegliche Teil des Messkopfes wieder in seine Nulllage zu bringen, ist eine Vorrichtung vorgesehen, die es ermöglicht, nach jedem Einwechseln eines Taststiftes oder einer Taststiftkonfiguration einen so genannten Gewichtsausgleich durchzuführen.
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Durch die zusätzliche eingewechselte Taststiftmasse wird die vertikale Z-Achse im Messkopf aus ihrer Nulllage ausgelenkt. Beim Vorgang des Gewichtsausgleiches wird diese Nulllage wieder hergestellt. Dabei ist grundsätzlich zwischen zwei aus der Praxis bekannten Verfahren zu unterscheiden:
- 1. Elektronischer Ausgleich
- 2. Mechanischer Ausgleich
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Beim elektronischen Ausgleich (
DE 101 11 377 A1 ) wird das Signal des Wegmesssystems im Messkopf per Software an der aktuellen neuen Position in Z-Richtung zu Null gesetzt. Mit anderen Worten, es wird ein Offset bestimmt, der die Nullpunktverschiebung durch das zusätzliche Gewicht beschreibt. Dieser wird bei der Berechnung der Position berücksichtigt. Voraussetzung für diese Methode ist ein genügend großer Mess- und Linearitätsbereich des Wegmesssystems im Messkopf. Bei geringen Federkonstanten der Vorrichtung im Messkopf, die die Rückstellkräfte aufbringt, kann der Offset durch die Taststiftmasse (und damit auch ein Verlust an Messbereich) recht groß werden, und ein elektronischer Ausgleich allein reicht nicht mehr aus. Werden die Rückstellkräfte elektromagnetisch aufgebracht, so kann der nötige elektrische Strom zur Aufbringung der notwendigen Rückstellkräfte so groß werden, dass die Erwärmung im Messkopf unzulässige Werte annimmt.
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Hier kommt ein mechanischer Ausgleich (Verfahren 2) zur Anwendung.
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Der zum Stand der Technik (
DE 102 32 349 A1 ) gehörende mechanische Gewichtsausgleich weist den Nachteil auf, dass er in Richtung Schwerkraft einen relativ großen Bauraum benötigt. Darüber hinaus weist diese zum Stand der Technik gehörende Gewichtsausgleichsvorrichtung mindestens ein Gelenk auf, so dass die Vorrichtung nicht reibungsfrei arbeitet.
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Dieses aus der Praxis bekannte mechanische Gewichtsausgleichssystem weist den Nachteil auf, dass es eine große Baulänge des Messkopfes in Z-Richtung benötigt. Bei einem Messkopf, der in horizontaler Richtung eingebaut wird und der an einer Messmaschine mit horizontaler Pinole montiert ist, gibt es jedoch nicht genügend Bauraum in Z-Richtung.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, einen Messkopf mit einem mechanischen Gewichtsausgleich anzugeben, bei dem der Bauraum in Z-Richtung sehr klein ist und der darüber hinaus reibungsfrei arbeitet.
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Dieses technische Problem wird durch einen Messkopf mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Messkopf mit einer mechanischen Schnittstelle zur Anordnung unterschiedlicher Taststiftkonfigurationen an der Schnittstelle, wobei der Messkopf einen mechanischen Gewichtsausgleich aufweist, und wobei der Messkopf horizontal angeordnet ist und ein in mindestens vertikaler (Z-)Richtung bewegliches Teil aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der mechanische Gewichtsausgleich wenigstens ein Federelement aufweist, welches oberhalb und radial versetzt zu einer horizontalen Längsachse des Messkopfes angeordnet ist, dass das Federelement mittelbar oder unmittelbar mit dem in vertikaler Richtung beweglichen Teil des Messkopfes verbunden ist, und dass Mittel zum Spannen und Entspannen des Federelementes vorgesehen sind.
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Vorteilhaft ist das Federelement als Federstab, Federdraht oder Drehfederstab ausgebildet. Diese Ausführungsformen gewährleisten, dass der Gewichtsausgleich reibungsfrei aufgebaut ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Federstab, der Federdraht oder der Drehfederstab an wenigstens einer Seite drehbar gelagert. Hierdurch ist es möglich, den Federstab, den Federdraht oder den Drehfederstab zu spannen oder zu entspannen, wie es für den jeweiligen Gewichtsausgleich erforderlich ist.
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Auch die weitere vorteilhafte Ausführungsform, dass der Drehfederstab in seiner Längsachse drehbar gelagert ist, gewährleistet das erforderliche Spannen und Entspannen für den Gewichtsausgleich.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zur Spannung des wenigstens einen Federelementes wenigstens ein Aktuator, ein Aktuatorsystem oder wenigstens ein Drehaktuator vorgesehen. Hierdurch ist ein mechanisch einfacher Aufbau zum Spannen und Entspannen angegeben.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Aktuator, das Aktuatorsystem oder der wenigstens eine Drehaktuator einen Elektromotor mit Getriebe oder einen Pneumatikaktuator oder ein Piezoelement aufweist. Durch diese Antriebsmittel wird der erfindungsgemäße Gewichtsausgleich auf einfache Art und Weise realisiert.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Ankopplung des in Z-Richtung beweglichen Teiles des Messkopfes am Federelement wenigstens ein Seil oder Drahtseil vorgesehen. Hierdurch ist die erforderliche reibungsfreie Bewegung des beweglichen Teiles des Messkopfes in X- und Y-Richtung gewährleistet.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Sensor zur Erkennung der Lage des Federelementes vorgesehen. Die Lage des Federelementes ist zu bestimmen, um zu vermeiden, dass das bewegliche Teil des Messkopfes, wenn es sich schon in einer Endlage befindet, noch weiter gegen die Endlage gedrückt oder gezogen wird (Überdrücken der Endlager).
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Durch das vorteilhafte Vorsehen wenigstens eines Reglers zur Kontrolle des Gewichtsausgleichsvorganges ist gewährleistet, dass der Gewichtsausgleichsvorgang in einfacher Weise geregelt wird.
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Gemäß der Erfindung wird die Z-Schaukel, mit der die Taststiftkonfiguration verbunden ist, über ein Federelement mit einem Antrieb, bestehend aus Motor und Getriebe in Z-Richtung, verbunden. Der Antrieb kann unterschiedlich ausgeführt sein, zum Beispiel eine Spindel mit Spindelmutter, eine kleine Seilwinde, ein pneumatischer Kolben oder ein Linearantrieb. Er muss lediglich sehr genau positionieren können und über einen Regler ansteuerbar sein.
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Vielfach ist es nötig, dem Motor noch ein Getriebe nachzuschalten, um die nötigen Drehmomente zu erreichen. Dies kann auch durch weitere Untersetzungshebel zwischen Antrieb und Federelement realisiert werden.
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Nach dem Einwechseln eines neuen Taststiftes wird der Offset zur Nulllage am Z-Messsystem des Messkopfes bestimmt und der Antrieb durch den Regler so angesteuert, dass er die Auslenkung des Messkopfes in Z-Richtung in die Nulllage des Messsystems zieht. Ist der Ausgleichsvorgang beendet und die Z-Achse genullt, schaltet der Gewichtsausgleichsregelkreis ab. Durch die Selbsthemmung in der Mechanik des Antriebes bleibt die erreichte Z-Position erhalten.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Kombination aus elektronischem und dem erfindungsgemäßen mechanischen Gewichtsausgleich einzusetzen, bei der erst die Nullposition über den erfindungsgemäßen mechanischen Ausgleich annähernd eingestellt wird. Der verbleibende kleine Rest-Offset wird elektronisch, wie oben beschrieben, kompensiert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Messkopf nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Messkopf in Seitenansicht mit einem Gewichtsausgleich mit einem Federdraht;
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2 einen Messkopf in Seitenansicht mit einem Gewichtsausgleich mit einem Federdraht und einem Aktuator;
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3 den Messkopf gemäß 2 mit gespanntem Federdraht;
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4 einen Messkopf in Seitenansicht mit einem Gewichtsausgleich mit einem durch eine Spindel gespannten Federdraht;
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5 einen Messkopf in Seitenansicht mit einem Gewichtsausgleich mit einem Drehfederstab;
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6 einen Messkopf im Längsschnitt mit einem Gewichtsausgleich mit einem Federdraht mit Drehaktuator.
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1 zeigt eine Pinole 1, an der ein Messkopf 2 angeordnet ist. Der Messkopf 2 weist ein bewegliches Teil 3 mit einem in einer Taststiftaufnahme 3a angeordneten Taststift 4 auf.
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Für einen Gewichtsausgleich wird ein Federdraht 5 verwendet. Der Federdraht 5 liegt oberhalb des horizontalen Messkopfes 2 und das eine Ende des Federdrahtes 5 ist mit einem dünnen Seil oder Drahtseil 6 mit dem in Z-Richtung beweglichen Teil 3 des Messkopfes 2 verbunden. Die Ankopplung über das Seil 6 erlaubt, dass eine Z-Schaukel des beweglichen Teiles 3 sich auch in X- und Y-Richtung nahezu reibungsfrei bewegen kann.
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Das andere Ende des Federdrahtes 5 ist drehbar gelagert. An einer Drehachse mit einer Aufnahme 17 ist ein Drehaktuator 14 adaptiert, der den Federdraht 5 in Z-Richtung spannt und entspannt. Dadurch wird der am anderen Ende des Federdrahtes 5 über das Drahtseil 6 angekoppelte bewegliche Teil 3 des Messkopfes 2 mit dem Taststift 4 gehoben und gesenkt. Mindestens ein Sensor 15 zur Lagenerkennung stellt die Position des Federelementes 5 fest. Der Sensor 15 verhindert zum Beispiel ein Überdrücken in den Endlagen.
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Der Messkopf 2 weist darüber hinaus ein Messsystem 13 auf, um die Lage des beweglichen Teiles 3 des Messkopfes 2 zu bestimmen.
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Der Gewichtsausgleichsvorgang wird mit einem Regler 16 geregelt. Der Regler 16 ist über Leitungen 18 mit dem Messsystem 13, dem Drehaktuator 14 und dem Sensor 15 verbunden.
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Gemäß 2 drückt ein linearer Aktuator 8 in Z-Richtung direkt gegen den Federdraht 5, der in einer drehbaren Lagerung 7 gelagert ist, wodurch ebenfalls eine Hubbewegung erzeugt wird. In der Mechanik der Aktuatoren (8, 14) ist eine Hemmung vorhanden, so dass ein Absenken des beweglichen Teils 3 in Z-Richtung durch das Eigengewicht und die Gewichtskraft des Taststifts 4 verhindert wird.
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3 zeigt ein gespanntes Federsystem mit einem gespannten Federelement 5a, wenn eine höhere Taststiftmasse 4a eingesetzt ist. Der Regler 16 ist in 3 nicht mehr dargestellt, gleichwohl jedoch vorhanden.
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4 zeigt eine Lösung, bei der die Spannung des Federdrahtes 5 durch eine Spindel 10 mit inhärenter Selbsthemmung erzeugt wird. Die Spindel 10, angetrieben durch einen Drehaktuator 11, wirkt auf eine Spindelmutter 10a, die am Ende eines Hebels 9a sitzt. Dieser Hebel 9a dreht den Federdraht 5 in dem Lager 7 und spannt ihn dadurch in Z-Richtung. Der Federdraht 5 ist mit dem Hebel 9a starr verbunden.
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5 zeigt einen Drehfederstab 12, der oberhalb des Messkopfes 2 liegt (seitlich zur Mitte um die Länge des Hebels 9 versetzt) und zweifach drehbar in Lagern 19, 20 gelagert ist. An dem vorderen Ende des Drehfederstabes 12 ist ein seitlicher Hebel 9 angeordnet. Ein äußeres Ende des Hebels 9 wird über das Seil oder Drahtseil 6 mit dem in Z-Richtung beweglichen Teil 3 des Messkopfes 2 verbunden, ähnlich wie in der Ausführungsform gemäß 1 oder 2.
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Durch Verdrehen des Drehfederstabes 12 durch den Drehaktuator 14 kann nun eine Massenänderung am in Z-Richtung beweglichen Teil 3 kompensiert werden.
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6 zeigt das Seil 6, welches sich direkt auf dem in dem Lager 19 um seine Längsachse drehbar gelagerten Federelement 5 aufwickelt. Dadurch wird das Seil 6 kürzer und der Federstab 5 vorgespannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pinole
- 2
- Messkopf
- 3
- beweglicher Teil des Messkopfes 2
- 3a
- Taststiftaufnahme (Schnittstelle)
- 4
- Taststift
- 4a
- Taststift mit höherer Masse
- 5
- Federelement
- 5a
- gespanntes Federelement
- 6
- Seil
- 7
- drehbare Lagerung
- 7a
- drehbare Lagerung
- 8
- Aktuator
- 9
- Hebel
- 9a
- Hebel
- 10
- Spindel
- 10a
- Spindelmutter
- 11
- Motor
- 12
- Drehfederstab
- 13
- Messsystem
- 14
- Drehaktuator
- 15
- Sensor für Lagenerkennung
- 16
- Regler
- 17
- Aufnahme
- 18
- Leitungen
- 19
- Lager
- 20
- Lager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004010083 A1 [0003]
- DE 10111377 A1 [0007]
- DE 10232349 A1 [0009]
