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Die Erfindung betrifft neuartige Messvorrichtungen für ein Koordinatenmessgerät, aufweisend einen Schaft und einen am Schaft befestigten Messkopf, insbesondere Einmessvorrichtungen und Messtaster, sowie Verfahren zur Herstellung dieser Messvorrichtungen.
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Ein Koordinatenmessgerät ist ein Messgerät zur Bestimmung der kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) eines Punktes an einem Objekt im Raum. Aus der Verbindung von mehreren Messungen weiterer Punkte mit einer Datenverarbeitung ergeben sich verschiedene geometrischen Größen und Eigenschaften eines Messobjekts.
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Der Messtaster eines Koordinatenmessgerätes dient der Vermessung des Objekts. Der Messtaster weist einen Schaft, beispielsweise in Form eines flexibel gelagerten dünnen Stabs, und einen Tastkopf, auch bezeichnet als Tastelement, am Ende des Schafts, beispielsweise eine Tastkugel, auf. Die Kugelform ermöglicht eine genaue Positionsbestimmung aus jeder praktikablen Anfahrrichtung an ein Objekt, weit der Abstand einer Kugelaußenfläche zu ihrem Zentrum und damit zur Mittelachse des Messtasters immer gleich ist.
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Einmessvorrichtungen für Koordinatenmessgeräte dienen der Überprüfung von Messtastern. Sie weisen einen Schaft und einen Einmesskopf, meist eine Einmesskugel, auf. Einmesskugeln werden in Koordinatenmessgeräten verwendet, um für unterschiedliche Tastsysteme einen einheitlichen Bezug herzustellen. Dabei können die Tastsysteme sowohl taktil als auch berührungslos arbeiten. Berührungslos arbeitende Tastsysteme sind zumeist optische Tastsysteme.
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Bei hoch genauen Koordinatenmessgeräten ist auch die Qualität der Einmesskugel für die spätere erreichbare Messgenauigkeit von großer Bedeutung. Formfehler der Einmesskugel beeinflussen das Kalibrierungsergebnis und darüber letztendlich auch die Qualität der Messung. Typischerweise wird bei der Kalibrierung die Einmesskugel als ideale runde Kugel angenommen. Aufgrund dieser Annahme wird bei der Kalibrierung jede Abweichung des Messergebnisses als Fehler des Tastsystems interpretiert. Dadurch werden diese Fehler der Einmessung, die von der Einmesskugel herrühren, implizit dem Tastsystem zugeschlagen. Somit wirkt sich dieser Fehler der Einmesskugel in jeder nachfolgenden Messung aus.
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Typischerweise haben gute Einmesskugeln einen Restfehler in der Rundheit von typischerweise 0,5 μm bis 1 μm. Dieser Wert scheint klein zu sein, ist aber bei Koordinatenmessgeräten mit einer Auflösung von bis zu 0,3 μm schon nennenswert. Auch wenn der Fehler bei der Kalibrierung in gewissen Grenzen ausgemittelt wird, bleibt dennoch ein Rechtsfehlerteil im Bereich von typischerweise ein bis 2/10 μm. Gemessen an der Zielgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes kann dieser Fehler nicht vernachlässigt werden.
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Eine Hauptursache des Rundheitfehlers liegt darin, dass im Standardfertigungsprozess der Einmesskugeln die Kugeln ganz am Ende des Fertigungsprozesses, nachdem Oberflächengüte und -form bereits erreicht sind, noch gebohrt werden. Mit dieser Bohrung wird die Einmesskugel dann auf den Kugelschaft aufgeklebt. Die Kräfte, die bei der Bohrung an der Kugel entstehen, führen zu leichten Verwertungen im Material, die die runde Form der Kugel negativ beeinflussen.
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Die gleichen Probleme wie bei Einmesskugeln existieren in analoger Form auch bei Tastkugeln bei der Anbringung an ihrem Schaft.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die zuvor beschriebenen Formfehler in Messköpfen, insbesondere Einmesskugeln und Tastköpfen, zu vermeiden, insbesondere Rundheitsfehler bei Einmesskugeln und kugelförmigen Tastköpfen.
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Als Lösung wird eine Messvorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen einer solchen Messvorrichtung. Ferner werden Verfahren zur Herstellung solcher Messvorrichtungen angegeben.
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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Koordinatenmessgerät, aufweisend einen Schaft und einen am Schaft befestigten Messkopf, wobei die Befestigung des Messkopfs am Schaft ohne Ausnehmung, im Speziellen ohne Bohrung, im Messkopf ausgeführt ist. Dadurch werden Formfehler bei Messköpfen, insbesondere Rundheitsfehler bei Einmesskugeln und Tastkugeln, vermieden oder zumindest minimiert.
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Der Begriff „Messvorrichtung” umschreibt alle Messvorrichtungen, die in Koordinatenmessgeräten oder im Zusammenhang mit Koordinatenmessgeräten eingesetzt werden, insbesondere Einmessvorrichtungen und Messtaster, die schon in der Einleitung dieser Beschreibung erläutert wurden.
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Der begriff „Messkopf” umfasst insbesondere einen Einmesskopf einer Einmessvorrichtung, wie beispielsweise eine Einmesskugel, wie auch einen Tastkopf eines Messtasters, wie beispielsweise eine Tastkugel.
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Der „Tastkopf” eines Messtasters wird in dieser Erfindung auch als „Tastelement” bezeichnet und beide Begriffe können austauschbar verwendet werden.
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Messköpfe, insbesondere Tastköpfe bzw. Tastelemente, können verschieden Formen haben, wie Kugel, Zylinder, zylindrische Scheibe, oder die Form eines Kugelausschnitts, wie z. B. eine Äquatorregion einer Kugel als Scheibe, eine Kugelkappe, oder eine Halbkugel.
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Der Begriff „ohne Ausnehmung” bedeutet insbesondere, dass aus einem Messkopf kein Material zur Verschaffung einer Ausnehmung auf der Oberfläche, die auch als „Vertiefung” bezeichnet werden kann, entfernt wurde/ist. Insbesondere ist keine Bohrung im Messkopf bzw. in dessen Oberfläche vorhanden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Messkopf, der mittels eines auf die Oberfläche des Messkopfs aufgebrachten Zapfens am Schaft befestigt ist. Anders ausgedrückt ist der Zapfen an den Schaft gefügt und der Zapfen stellt das Verbindungselement zwischen dem Messkopf und dem Schaft dar. Diese Ausführungsform weist keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung, im Messkopf auf und dieses Merkmal muss bei der Definition dieser Ausführungsform nicht extra erwähnt werden. Zur Befestigung eines Messkopfs mit einem Zapfen am Schaft sind verschiedene Varianten denkbar. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind nachfolgend erläutert.
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Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Messkopf, der mittels eines auf die Oberfläche des Messkopfs aufgebrachten Zapfens in einer Ausnehmung im Schaft befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Ausnehmung im Schaft vorhanden, die vorzugsweise formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig zu der Form des Zapfens gestaltet ist. Vorzugsweise haben sowohl die Ausnehmung im Schaft als auch der Zapfen eine zylindrische Form. Die Befestigung des Zapfens in der Ausnehmung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Pressen, Klemmen, Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, oder Schrauben, wobei bei letzterer Variante der Zapfen mit einem Gewinde versehen ist und die Ausnehmung mit einem passenden Innengewinde versehen ist. Die Ausnehmung ist vorzugsweise eine Bohrung. Die Ausnehmung kann mit einer Entlüftungsöffnung versehen sein, die sich durch den Schaft erstreckt, beispielsweise in Z-Richtung, und durch die durch den eingeführten Zapfen verdrängte Luft entweichen kann.
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In einer anderen Ausführungsform weist der Zapfen (nicht aber der Messkopf, an dessen Oberfläche der Zapfen befestigt ist) einen von außen zugänglichen Hohlraum oder eine Ausnehmung auf, worin der Schaft befestigt werden kann. In einer vorteilhaften Variante hat der Zapfen die Form eines Hohlzylinders oder einer Röhre. In den Hohlzylinder oder die Röhre kann der Schaft eingeführt werden. Die Außenkante der Röhre kann im Querschnitt eine beliebige Geometrie aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig, eckig oder mehrkantig, wie z. B. Vierkant, Sechskant oder Achtkant. Ebenso kann der Hohlraum der Röhre im Querschnitt eine beliebige Geometrie aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig, eckig oder mehrkantig.
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In der zuvor genannten Ausführungsform weist der Schaft vorzugsweise einen Teil oder ein Element auf, der zu der Ausnehmung des Zapfens formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig ist und der/das in die Ausnehmung eingeführt werden kann. Die Befestigung des Schaftes in der Ausnehmung des Zapfens kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Pressen, Klemmen, Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, oder Schrauben, wobei bei letzterer Variante der Schaft mit einem Gewinde versehen ist und die Ausnehmung im Zapfen mit einem passenden Innengewinde versehen ist.
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Verschiedene Varianten sind denkbar, um einen Zapfen an der Oberfläche eines Messkopfs aufzubringen. Beispielsweise kann ein vorgefertigter Zapfen an der Oberfläche des Messkopfs befestigt werden, beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen. In einer anderen, besonders bevorzugten Variante wird der Zapfen mit einem Lasersinterverfahren auf der Oberfläche des Messkopfs erzeugt. Lasersintern ist ein Verfahren, bei dem räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt werden. Die räumliche Struktur, in diesem Fall ein Zapfen, wird Schicht für Schicht auf der Oberfläche des Messkopfs durch Einwirkung eines Laserstrahls aufgebaut, wobei die Energie des Laserstrahls den pulverförmigen Ausgangsstoff zum Sintern bringt.
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Der pulverförmige Ausgangsstoff für das Lasersintern ist beispielsweise ein Kunststoff, ein Metallpulver oder Keramikpulver. Somit können Zapfen aus verschiedenen Materialien auf der Oberfläche des Messkopfs erzeugt werden. Auch vorgefertigte Zapfen, die nicht mit Lasersintern erzeugt sind, können aus verschiedensten Materialien, u. a. aus dem zuvor Genannten, gefertigt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen der Messkopf und der Zapfen aus dem gleichen Material. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen der Zapfen und der Schaft aus dem gleichen Material.
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In noch einer weiteren Ausführungsform besteht der Zapfen aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Ausdehnungskoeffizient des Tastkopfs und dem Ausdehnungskoeffizient des Schafts liegt. Dadurch können Verspannungen aufgrund thermischer Veränderungen reduziert oder minimiert werden, wenn der Zapfen zwischen Tastelement und Schaft angeordnet ist.
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Gemäß der vorherigen Ausführungen zum Lasersintern betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Messkopfs für ein Koordinatenmessgerät an einem Schaft, wobei bei dem Verfahren
- – auf die Oberfläche des Messkopfs durch Lasersintern ein Zapfen aufgebracht wird und
- – der Zapfen am Schaft, insbesondere in einer Ausnehmung im Schaft, befestigt wird.
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Der lasergesinterte Zapfen kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig, gezahnt oder mehrkantig. Entlang der Längsrichtung können auf der Oberfläche des lasergesinterten Zapfens Nuten vorgesehen sein, die im Falle einer Klebung des Zapfens in eine Ausnehmung des Schaftes als Klebertaschen dienen können.
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Der Zapfen kann, auch in Kombination mit den zuvor genannten Formen, einen von außen zugänglichen Hohlraum oder eine Ausnehmung aufweisen, worin der Schaft befestigt werden kann. Ein bevorzugtes Beispiel hierfür ist ein Zapfen in Form eines Hohlzylinders oder Röhrchens.
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Auch die Form entlang der Längsachse des Zapfens (Z-Richtung) kann beliebig gewählt werden, wobei Zapfen mit einer zylindrischen oder konischen Form bevorzugt sind.
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Messköpfe, wie z. B. Einmesskugeln und Tastkugeln, sind typischerweise aus Metall, insbesondere Stahl, Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumnitrit, Siliziumkarbit, oder Kristall, beispielsweise Rubin, Saphir oder Diamant, gefertigt. Häufig werden nichtmetallische Materialen für Messköpfe verwendet, insbesondere Keramiken oder Kristalle. Andererseits ist es wünschenswert, den auf die Oberfläche des Messkopfs aufgebrachten Zapfen aus Metall zu fertigen, wodurch höhere Steifigkeiten als bei anderen Materialien erreicht werden können. Es ist daher nötig, eine haltbare Verbindung zwischen einem metallischen Zapfen, beispielsweise hergestellt durch Lasersintern, und dem nichtmetallischen Kugelwerkstoff herzustellen. Dazu schlägt die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte Ausführungsform einer Messvorrichtung vor, bei der der Messkopf aus einem nichtmetallischen Material besteht, zumindest ein Teil der Oberfläche des Messkopfs mit einem Haftvermittler beschichtet ist und auf der Haftvermittlerschicht ein metallischer Zapfen mit einem Lasersinterverfahren erzeugt ist.
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Geeignete Haftvermittler sind Metalle, beispielsweise aus Aluminium, Chrom, Nickel oder metallischen Legierungen, chemisch aufgebrachte Schichten, Kunststoffe, Primersubstanzen, oder sonstige bekannte Haftvermittler. in einer speziellen Ausführungsform ist die Haftvermittlerschicht eine Metallschicht, vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie der Zapfen. Die Metallbeschichtung auf der Oberfläche des Messkopfs dient hierbei als Haftvermittler zwischen Messkopf und Zapfen. Eine Metallschicht kann mittels üblicher Techniken, wie beispielsweise Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), erzeugt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise hierbei ein Vorvakuum von 0,01 mbar bis 0,1 mbar.
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Es ist auch möglich, die Oberfläche des Messkopfs anzuätzen, um für den nachfolgenden Schritt des Lasersinterns eine gute und haltbare Grundlage zu bilden. Dabei können ggf. Anteile aus dem Material des Messkopfs freigelegt werden, ohne dass dies als „Ausnehmung” im oben genannten Sinne zu verstehen ist.
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Entsprechend zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Messkopfs für ein Koordinatenmessgerät, der aus einem nichtmetallischen Material besteht, an einem Schaft, wobei bei dem Verfahren
- – an einer Stelle auf die Oberfläche des Messkopfs eine Haftvermittlerschicht, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht wird, und
- – auf die Haftvermittlerschicht durch Lasersintern ein metallischer Zapfen aufgebracht wird
- – der Zapfen am Schaft, vorzugsweise in einer Ausnehmung im Schaft, befestigt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Zapfen und die Metallschicht aus dem gleichen Metall gebildet.
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In einer Variante der Messvorrichtung ist der Zapfen mit einem elastischen Klebstoff in einer Ausnehmung, insbesondere einer Bohrung, des Schaftes derart befestigt, dass die Oberfläche des Messkopfs nicht am Schaft anliegt, das Zapfenende nicht am Ausnehmungsgrund, insbesondere einem Bohrungsgrund, anliegt und zumindest der Zwischenraum zwischen Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit dem elastischen Klebstoff gefüllt ist. Mit dieser Ausführungsform kann die Steifigkeit der Messvorrichtung in X- und Y-Richtung (d. h. vertikal zur Längsachse des Schaftes) und Z-Richtung (Längsachsenrichtung des Schaftes) in bestimmten Grenzen eingestellt werden. Die Quersteifigkeiten in X-Richtung und Y-Richtung werden durch die Führung des Zapfens in der Schaftausnehmung bestimmt, wobei die Steifigkeit typischerweise umso größer ist, je dichter der Zapfen an der Wand der Ausnehmung, insbesondere der Wand einer Bohrung, anliegt. Bevorzugt ist ein zum Durchmesser des Zapfens passgenauer Durchmesser der Ausnehmung, so dass der Zapfen ohne Spiel an den Wandungen der Ausnehmung im Schaft anliegt. Dadurch, dass des Zapfenende in Z-Richtung nicht am Ausnehmungsgrund anliegt und der Zwischenraum zwischen Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit einem elastischen Klebstoff gefüllt ist, wird in Z-Richtung eine geringere Steifigkeit erzielt als in X- und Y-Richtung. Durch die Elastizitätseigenschaften des eingesetzten Klebstoffs kann die Steifigkeit in Z-Richtung in gewissen Grenzen gesteuert werden, wobei der Klebstoff nach Art einer Feder wirkt. Auch der Abstand des Zapfenendes vom Ausnehmungsgrund und die Schaftlänge beeinflussen die Steifigkeit in Z-Richtung. Dadurch, dass die Oberfläche des Messkopfs, beispielsweise eine Kugeloberfläche, nicht am Schaft, genauer am Ende des Schaftes, anliegt, ist der Messkopf in Z-Richtung relativ zum Schaft beweglich. Geeignete elastische Klebstoffe sind beispielsweise Zweikomponentenklebstoffe auf Harzbasis oder feuchtehärtende Klebstoffe. Weitere geeignete elastische Klebstoffe sind beispielsweise Methylmethacrylat-Klebstoffe und silanvernetzende Polymerklebstoffe.
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In einer Ausführungsform ist der Zapfen über eine Länge von ca. 0,5–2 cm, mehr bevorzugt etwa 0,5–1,5 cm und am meisten bevorzugt über eine Länge von etwa 1 cm in eine Ausnehmung eines Schaftes eingeführt. Dadurch kann eine vorteilhaft hohe Quersteifigkeit erzielt werden.
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Entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsform betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Messkopfes an einem Schaft, bei dem der Zapfen mit einem elastischen Klebstoff in einer Ausnehmung des Schaftes derart befestigt wird, dass die Oberfläche des Messkopfs nicht an dem Schaft anliegt, das Zapfenende nicht am Ausnehmungsgrund anliegt, wobei
zumindest der Zwischenraum zwischen Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit elastischem Klebstoff gefüllt wird.
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In einer konstruktiv zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit einem Zapfen alternativen Ausführungsform ist der Schaft an die Oberfläche des Messkopfs angefügt. Hiermit ist eine Ausführungsform gemeint, in welcher der Messkopf keinen Zapfen aufweist. Der Messkopf ist somit nicht über einen Zapfen mit dem Schaft verbunden. Desweiteren weist diese Ausführungsform auch keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung, im Messkopf auf und dieses Merkmal muss bei der Definition dieser Ausführungsform nicht extra erwähnt werden. Stattdessen ist der Schaft direkt mit der Oberfläche des Messkopfs verbunden, durch eine Fügeverbindung zwischen Schaft und Oberfläche. Insbesondere ist der Messkopf mit einer Schweißverbindung, Lötverbindung oder Klebeverbindung an den Schaft gefügt bzw. am Schaft befestigt. Diese Ausführungsform ist daher auch zu unterscheiden von der zuvor beschriebenen, ebenfalls erfindungsgemäßen Variante, in der ein am Messkopf angebrachter Zapfen durch Schweißen, Kleben oder Löten an einem Schaft, insbesondere in einer Ausnehmung eines Schafts, befestigt ist. In dieser Ausführungsform ist vorzugsweise der Messkopf an seiner Oberfläche mit einem Schaft durch eine Schweißverbindung oder Lötverbindung verbunden, ohne dass ein Zapfen am Messkopf als Verbindungselement vorhanden ist und ohne dass eine Ausnehmung oder Bohrung im Messkopf vorhanden ist.
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Unter Berücksichtigung der obigen Erläuterungen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Messkopfs für ein Koordinatenmessgerät an einem Schaft, bei dem der Schaft an die Oberfläche des Messkopfs gefügt wird bzw. an der Oberfläche befestigt wird. Insbesondere wird der Messkopf durch Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, mit seiner Oberfläche an den Schaft gefügt.
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Als Schweißverfahren bieten sich beispielsweise das Laserschweißen oder ein auf elektrischer Leitfähigkeit der Werkstoffe basierendes Schweißverfahren, insbesondere Widerstandsschweißen, an. Das Laserschweißen bietet prinzipiell den Vorteil, dass elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe, beispielsweise ein Messkopf aus Keramik, miteinander verbunden werden können. Der Vorteil des in der Erfindung mehr bevorzugten Widerstandsschweißens liegt darin. dass die Schweißzeit extrem kurz gehaltert werden kann, wodurch das Eindringen von Wärme aus dem Schweißprozess in das Messkopfmaterial minimiert wird. Somit können störende Effekte durch die Einwirkung von Temperatur, beispielsweise Verformungen des Messkopfs, minimiert werden. Bevorzugte Parameter für das Widerstandsschweißen sind eine Leistung von 10 W bis 100 W und eine Zeitdauer von 10 μs bis 100 ms. In der Praxis kann daher mit kurzen intensiven Stromstößen gearbeitet werden.
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Sofern der Messkopf auf einem leitfähigen Material aufgebaut ist oder zumindest die Oberfläche des Messkopfes aus einem leitfähigen Material besteht, kann eine Schweißverbindung zwischen dem Messkopf und einem ebenfalls metallischen Schaft durch Widerstandsschweißen direkt hergestellt werden.
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In einer anderen Variante besteht der Messkopf aus einem elektrisch nicht leitenden Material und die Oberfläche des Messkopfs ist an der Schweiß- oder Lötverbindungsstelle zum Schaft mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall, beschichtet. Eine Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen zwischen dem Messkopf, beispielsweise einer Kugel, und dem Schaft setzt voraus, dass auch auf dem Messkopf eine leitfähige Oberfläche vorliegt. Daher wird bei Messköpfen aus nicht leitfähigem Material, beispielsweise Keramik, vor dem Schweißprozess eine leitfähige Beschichtung, insbesondere aus Metall, aufgebracht, die fest mit dem Oberflächenmaterial, beispielsweise Keramik, verbunden ist. Die leitfähige Schicht gehört dann zur Oberfläche des Messkopfs bzw. ist ein Teil der Oberfläche des Messkopfs. Die leitfähige Beschichtung kann auf unterschiedliche Art und Weise aufgebracht werden. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, eine Beschichtung, insbesondere aus Metall, chemisch abzuscheiden oder mit geeigneten Bedampfungs- oder Beschichtungsverfahren, beispielsweise mit Ionenstrahlsputtern, aufzubringen. Ebenfalls geeignet sind PVD- und CVD-Verfahren, die bereits zuvor erwähnt wurden.
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Die (metall)beschichtete Fläche ist so groß, dass das Schaftende darauf vollständig platziert werden kann. Es kann eine kreisförmige Fläche, beispielsweise eine Kugelkappe im Falle eines kugelförmigen Messkopfs, beschichtet werden. In der Mitte dieser Kappe kann dann der Schaft aufgeschweißt werden. Ein überstehender Bereich der metallischen Beschichtung kann. zum Kontaktieren einer Schweißelektrode genutzt werden und der zweite Kontakt für des Schweißen befindet sich am metallischen Schaft. Wenn somit der Messkopf aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material besteht und der Schaft aus Metall, wird der große Teil der beim Widerstandsschweißen eingetragenen Wärme über den Schaft abgeführt und kann nicht den Messkopf eindringen, wodurch die Entstehung wärmebedingter Formfehler des Messkopfs vermieden oder minimiert werden.
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Entsprechend den vorangegangenen Ausführungen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Messkopfs, der aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, bei dem
- – an einer Stelle auf die Oberfläche des Messkopfs eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht wird, und
- – der Schaft auf die Schicht geschweißt wird.
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Beim Widerstandsschweißen kann je nach Geometrie der Messkopfoberfläche und des Schaftendes entweder flächig geschweißt werden, beispielsweise auf einer Phase oder Kugelfläche. Eine Phase ist eine Flachstelle, vorzugsweise eine ringförmige Flachstelle, die passgenau zu einer Kugeloberfläche gekrümmt sein kann. Eine Phase ist beispielsweise erhältlich durch Abflachung einer Ringschneide.
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In einer anderen Variante kann die Fügestelle am Schaft mit leichten örtlichen Erhebungen ausgeführt sein und das Schweißen als Widerstandsbuckelschweißung vorgenommen werden. Mehrere Buckel sind vorzugsweise symmetrisch über den Umfang einer in Querschnitt kreisförmigen Schaftspitze verteilt, wobei vorzugsweise mindestens drei Buckel vorhanden sind.
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In einer speziellen Variante der Schweißverbindung ist am Ende des Schaftes eine Ringschneide vorgesehen, die beispielsweise durch eine Bohrung im Schaft erzeugt sein kann. An diese Ringschneide kann der Messkopf, beispielsweise ein kugelförmiger Messkopf, angeschweißt werden. Sofern eine größere Auflage- und Klebefläche erwünscht ist, kann eine kegel- oder kugelförmige Phase für die Ausführung der Schweißung verwendet werden, indem man die Ringschneide abflacht, z. B. durch Schleifen. Im Fall eines kugelförmigen Messkopfs ist die Phase vorzugsweise in Tangentenrichtung zum Berührkreis auf dem kugelförmigen Messkopf ausgeführt. Der Berührkreis kann an der äußeren Phasenkante, der inneren Phasenkante oder dazwischen auf der Phasenfläche liegen. Ein auf der Phase außen liegender Berührkreis hat den Vorteil eines größeren Stützradius.
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Wie bereits erwähnt, kann die Verbindung zwischen Schaft und Messkopf auch eine Lötverbindung sein. Ein Lötverfahren wird vorzugsweise in einem Ofen ausgeführt, um eine gleichmäßige Wirkung der Temperatur auf dem Messkopf zu erreichen und Temperatureffekte zu vermeiden, welche die Form des Messkopfes, beispielsweise eine Kugelform, nachteilig beeinflussen könnten. Ein Lötverfahren kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass auf die zu verbindende Stalls des Schafts und/oder des Messkopfs ein Lötmittel gelegt wird. Optional kann zuvor auch ein Lötflußmittel auf den Schaft und/oder den Messkopf gelegt werden. Anschließend werden der Schaft und Messkopf in eine Vorrichtung eingebracht, die den Schaft mit einer Vorspannkraft auf des Lötmittel und den Messkopf, der ggf. in einer geeigneten Aufnahme sitzt, presst. Danach kann dieser Aufbau in den Lötofen gestellt und die Lötung ausgeführt werden, ggf. bei sich ändernder Temperatur (Heizkurve, Temperaturrampe). Wenn der Messkopf aus einem nicht lötbaren, beispielsweise keramischen oder kristallinen, Material besteht, wird zuvor auf die Oberfläche des Messkopfs eine Metallisierungsschicht aufgetragen. Statt im Ofen ist auch eine induktive Erwärmung des Übergangbereichs vom Tastelement zum Schaft möglich oder ein Laserlötverfahren, bei dem eine Erwärmung mit kurzen Laserpulsen erfolgt.
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In noch einer Ausführungsform der Erfindung ist bzw. wird der Messkopf mit einer Klebeverbindung am Schaft befestigt. Diese Ausführungsform weist keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung im Messkopf auf und dieses Merkmal muss bei der Definition dieser Ausführungsform nicht extra erwähnt werden. Bei einer Klebeverbindung weist das Ende des Schaftes vorzugsweise eine Vertiefung auf, die als Kleberreservoir dient. Im Falle eines kugelförmigen Messkopfes weist das Ende des Schaftes vorzugsweise eine kugelförmige oder kegelförmige Öffnung auf, an welche die Messkopfkugel angesetzt und angeklebt wird. In einer solchen kugelförmigen oder kegelförmigen Öffnung kann ein zusätzliches Kleberdepot vorgesehen sein. In einer speziellen Variante ist am Ende des Schaftes eine Ringschneide vorgesehen, die beispielsweise durch eine Bohrung im Schaft erzeugt sein kann. An diese Ringschneide kann der Messkopf, beispielsweise ein kugelförmiger Messkopf, angeklebt werden. Sofern eine größere Auflage- und Klebefläche erwünscht ist, kann eine kegel- oder kugelförmige Phase für die Ausführung der Klebung verwendet werden. Im Fall eines kugelförmigen Messkopfs ist die Phase vorzugsweise in Tangentenrichtung zum Berührkreis auf dem kugelförmigen Messkopf ausgeführt, wobei der Berührkreis außen, innen oder dazwischen auf der Phasenfläche liegen kann. Ein auf der Phase außen liegender Berührkreis hat den Vorteil eines größeren Stützradius und einer gegebenenfalls sauber durchzuführenden Klebung.
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Bei einer Klebeverbindung kann eine Entlüftungsöffnung im Schaft vorgesehen sein, die sich vom Schaftende aus, d. h. von der Klebefläche aus, durch den Schaft erstreckt, beispielsweise in axialer Richtung (Z-Richtung), und durch die verdrängte Luft entweichen kann. Ferner kann für eine Klebung auf dem Messkopf ein Haftvermittler aufgebracht sein. Im Falle eines kugelförmigen Messkopfes kann die Kugeloberfläche an der Klebestelle für das Schaftende abgeflacht sein und die Flachstelle kann wiederum mit einem Haftvermittler versehen sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Einmessvorrichtung nach dem Stand der Technik,
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2a–2c einen kugelförmigen Messkopf und das Aufbringen eines Zapfens durch Lasersintern,
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3 den Zusammenbau eines kugelförmigen Messkopfs mit aufgebrachtem Zapfen und eines Schaftes,
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4 einen Messkopf mit Zapfen, der mittels eines elastischen Klebstoffs in der Bohrung eines Schaftes befestigt ist,
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5 einen Messkopf, der mit einer Schweiß- oder Lötverbindung an einem Schaft befestigt ist,
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6 eine Draufsicht auf eine Schweiß- oder Lötverbindung eines Messkopfs entlang der Längsachse des Schafts,
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7 einen Schaft mit Buckeln an der Schaftspitze,
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8a–8b Schaftspitzen mit Ringauflagen für Schweißverbindungen im Schnitt entlang der Schaftlängsachse,
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9 einen Schaft, eingerichtet für eine Klebeverbindung mit einem Messkopf,
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10a–10e spezielle Schaftspitzen zur Anbringung eines Messkopfs mit einer Klebeverbindung im Schnitt entlang der Schaftlängsachse,
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11 eine Draufsicht auf einen Messkopf in Richtung der Schaftlängsachse mit einer präparierten Klebestelle und
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12 eine seitliche Ansicht eines Messkopfs mit einer abgeflachten Stelle zur Anbringung eines Schaftes mit einer Klebeverbindung.
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In der 1 ist eine Messvorrichtung für ein Koordinatenmessgerät, in diesem Fall eine Einmessvorrichtung, nach dem Stand der Technik gezeigt. Sie besteht aus einem Schaft 1 und einem Einmesskopf 2 in Kugelform. Der Schaft ist aus einem zylindrischen Teil 3 und einem kegelförmigen Teil 4 aufgebaut Das kegelförmige Teil 4 mündet in eine Schaftspitze 5 und am zylindrischen Teil 3 ist ein Anschluss 6 vorgesehen. Der Messkopf 2 weist eine Bohrung 7 auf, in der die Schaftspitze 5 zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen Schaft und Messkopf befestigt ist, beispielsweise durch Kleben.
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Die 2a–2c zeigen die Aufbringung eines Zapfens auf einen Messkopf 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Der Messkopf 2, hier kugelförmig, besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material und an einer Stelle der Oberfläche wurde eine Metallschicht 8 aufgebracht. Es kann sich bei der Schicht 8 auch um eine Schicht aus einem anderen geeigneten Haftvermittler handeln. In 2b ist durch ein Lasersinterverfahren ein Zapfenansatz auf die Metallschicht 8 aufgebracht, der aus drei einzelnen gesinterten Schichten 9 besteht. In 2c ist der Lasersinterprozess abgeschlossen und ein kompletter angesinterter Zapfen 10 auf die Oberfläche des Messkopfs 2 aufgebracht. Der Zapfen kann aus dem gleichen Metall bestehen wie die Metallschicht 8.
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In der 3 ist der Zusammenbau aus einem Schaft 1 und einem Messkopf 2 mit Zapfen 10 gezeigt. Der Schaft 1 ist in einem Schnitt entlang der Längsachse gezeigt und weist eine Ausnehmung 12 auf, in die der Zapfen 10 des Messkopfs 2 eingeführt und befestigt wird. Entlang seiner Längsachse (Z Richtung) weist der Schaft 1 eine Entlüftungsbohrung 11 auf, wodurch Luft, die durch den Zapfen 10 verdrängt wird, entweichen kann. Der Zapfen 10 kann in der Ausnehmung 12 durch Kleben, Pressen, Schrumpfen, Schrauben oder auch Löten befestigt werden.
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In der 4 ist eine Messvorrichtung gezeigt, bei der der Zapfen 10 mit einem elastischen Klebstoff 13 in der Bohrung 12 des Schaftes 1 derart befestigt ist, dass die Oberfläche 14 des Messkopfs 2 nicht am Schaft 1, insbesondere nicht an der aus dem kegelförmigen Teil 4 gebildeten Schaftspitze, anliegt. Dies bedeutet im vorliegenden Fall, dass die Oberfläche 14 des Messkopfs 2 nicht das Schaftende 30 berührt. Ferner liegt das Zapfenende 16 nicht am Bohrungsgrund 17 an und der Zwischenraum zwischen Zapfenende 16 und Bohrungsgrund 17 ist mit elastischem Klebstoff 13 gefüllt. Der Klebstoff 13 ist hier schraffiert dargestellt. Je nach Durchmesser des Zapfens 10 und der Bohrung 12 kann zwischen der Wandung der Bohrung 12 und dem Zapfen 10 ein mehr oder minder großer Spalt gebildet sein, in dem sich ebenfalls Klebstoff befinden kann.
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Die 5 zeigt einen Schaft 1, an dem ein Messkopf 2 mit einer Schweißverbindung 18 befestigt ist. Es kann sich statt um eine Schweißverbindung auch um eine Lötverbindung handeln.
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Die 6 zeigt eine Draufsicht auf die Schweißverbindungsstelle auf dem Messkopf entlang der Längsachse des Schaftes 1. Der Messkopf 2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material und die Oberfläche ist teilweise mit einer Metallschicht 20 versehen, in Form einer kreisförmigen Kugelkappe. Die Metallschicht 20 schließt die Schweißverbindungsstelle 19, die auch eine Lötverbindungsstelle sein kann, ein.
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Die 7 zeigt einen Schaft 2, dessen Spitze mit Buckeln 21 versehen ist. Die Buckel sind vorzugsweise symmetrisch über den Umfang der in der Querschnittsansicht (nicht gezeigt) kreisförmigen Schaftspitze verteilt, wobei vorzugsweise mindestens drei Buckel vorhanden sind. Beim Widerstandsbuckelschweißen wird die zum Schweißen notwendige Stromdichte nicht durch die Schweißelektroden, sondern durch die Bauteilform generiert, wobei die notwendige Stromdichte an den Buckeln 21 erzeugt wird.
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Die 8a und 8b zeigen alternative Formen einer Schaftspitze 15. 8a zeigt im Querschnitt durch die Schaftspitze eine Ringauflage 22, die durch eine Ausnehmung 23 in der Schaftspitze erzeugt wurde. In 8b ist die Ringauflage zu einer so genannten Phase abgeflacht. Durch die Krümmung der Fläche der Phase 24 eignet sich die Schaftspitze zur Anbringung einer entsprechend gekrümmten Kugel, die mit ihrer Oberfläche an der Phase 24 anliegt.
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Die 9 zeigt einen Schaft 2, der für die Befestigung eines Messkopfs mit einer Klebeverbindung vorgesehen ist.
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Die 10a–10e zeigen verschiedene Ausführungen einer Schaftspitze 15, wobei der mit gestrichelter Linie gekennzeichneter Ausschnitt x der 9 entsprechend vergrößert ist. In den 10a und 10b ist ein Schnitt durch die Spitze 15 entlang der Schaftlängsachse gezeigt. Durch unterschiedlich geformte Bohrungen sind in der Schaftspitze jeweils Ausnehmungen 23 und Ringschneiden 22 gebildet. In der 10c ist eine Ringschneide gemäß 10a abgeflacht worden, wodurch eine Phase 24 hergestellt wurde. Die gekrümmte Phasenfläche dient zur Anbringung einer Kugel, wobei nicht die gesamte Phasenoberfläche auf der Kugeloberfläche aufliegen muss. Der Berührkreis zwischen Phase und Kugel kann außen oder innen auf der Phasenfläche liegen oder dazwischen. Eine äußere Auflage hat den Vorteil eines größeren Stützradius und gegebenenfalls einer saubereren Klebung zwischen Messkopfoberfläche und Phasenfläche 24, da überschüssiger Klebstoff nach innen verdrängt wird. Idealerweise liegt die Phasenfläche in Tangentenrichtung zum Berührkreis.
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In 10d ist die Fläche der Schaftspitze 15 in Form einer Kugelteilfläche 25 gestaltet, wobei die Krümmung an die Krümmung des anzufügenden kugelförmigen Messkopfs angepasst ist. Die 10e zeigt eine Variante der Ausbildungsform nach 10d, wobei zusätzlich ein Kleberdepot 26 vorgesehen ist.
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Die 11 zeigt eine Draufsicht auf eine Klebestelle auf der Oberfläche des Messkopfs 2. Die Klebestelle ist mit einem Haftvermittler 27 versehen. Die 12 zeigt eine seitliche Ansicht eines Messkopfs 2 mit einer abgeflachten Stelle 28, an die eine Schaftspitze mit abgeflachtem Ende angeklebt werden kann. Gegebenenfalls kann auf die Flachstelle 28 auch ein Haftvermittler 27 aufgebracht werden.
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Viele der zuvor gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen beziehen sich auf Einmessvorrichtungen für ein Koordinatenmessgerät. Analoge Ausführungsformen werden ausdrücklich auch für Messtaster, aufweisend einen Testkopf und einen Schaft, angeregt.
