DE102013102474B4

DE102013102474B4 - Eindimensional messende Tasteinrichtung

Info

Publication number: DE102013102474B4
Application number: DE102013102474.2A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: DE102013102474A1

Abstract

Tasteinrichtung (10)
mit einem Tastelement (12), das zur Aufnahme eines Messwertes mittels einer Lagereinrichtung (15) in einem ersten Messfreiheitsgrad (FM1) bewegbar an einem ersten Schlitten (16) gelagert ist, wobei der erste Messfreiheitsgrad (FM1) durch einen translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrad (DY) gebildet ist,
mit einer Antriebseinrichtung (23), die dazu eingerichtet ist, den ersten Schlitten (16) mittelbar oder unmittelbar in einer Messrichtung (R) entlang einer ersten Schlittenführung (22) zu bewegen,
mit einer ersten Erfassungseinrichtung (30), die wenigstens einen ersten Maßstab (39) und wenigstens einen dem ersten Maßstab (39) zugeordneten Detektor (34) aufweist, jeder Detektor (34) an einer Erfassungsstelle (S) auf dem ersten Maßstab (39) in einem einzigen Erfassungsvorgang gleichzeitig sowohl eine Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) im ersten Messfreiheitsgrad (FM1) als auch eine Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) und/oder des ersten Schlittens (16) in wenigstens einem weiteren Freiheitsgrad (X, Z) erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine für die eindimensionale Messung vorgesehene Tasteinrichtung, beispielsweise zur Messung bzw. Ermittlung der Form, der Kontur oder der Rauheit einer Objektoberfläche eines zu messenden Objekts. Die Tasteinrichtung weist zur Aufnahme eines Messwertes ein Tastelement auf, das die Messwerte taktil oder berührungslos aufnimmt. In beiden Fällen ist das Tastelement zur Messwertaufnahme in einem ersten Messfreiheitsgrad bewegbar relativ zu einem Schlitten gelagert. Hierzu dient eine Lagereinrichtung. Der erste Messfreiheitsgrad kann rotatorisch oder translatorisch sein. Der Schlitten wird entlang einer Schlittenführung über eine Antriebseinrichtung in einer Antriebsrichtung bewegt. Die Antriebsrichtung ist vorzugsweise quer zu der Bewegung des Tastelements im Messfreiheitsgrad orientiert.
Als Tasteinrichtung kann insbesondere ein Tastschnittgerät dienen, bei dem der erste Messfreiheitsgrad von einem rotatorischen Freiheitsgrad gebildet ist. Beispielsweise wird die Oberfläche des zu messenden Objekts durch eine linienhafte Messung erfasst, während die Antriebseinrichtung den Schlitten in die Antriebseinrichtung bewegt, wobei sich das Tastelement entlang Objektoberfläche bewegt. Solche Tastschnittgeräte sind bekannt. Alternativ sind auch punkthafte Messungen an vorgegebenen beabstandeten Messstellen mit einer Tasteinrichtung möglich.
Die Hersteller solcher Tasteinrichtungen sind bestrebt, eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Bei der Bewegung des Schlittens entlang der Schlittenführung und bei der Lagerung des Tastelements mittels der Lagereinrichtung kann es zu Abweichungen kommen, die zu Messfehlern führen und mithin die erreichbare Genauigkeit mindern. Es wird deswegen ein großer Aufwand betrieben, spielfreie Führungen und Lager einzusetzen, damit die verursachten Messfehler sehr gering sind.
Zur Behebung von Führungsfehlern bei Messmaschinen schlägt DE 31 50 977 A1 vor, mindestens zwei zusätzliche Messeinrichtungen an einem verschieblichen Schlitten zu befestigen, um Führungsfehler am Schlitten feststellen und das Messsignal korrigieren zu können. Der Aufwand hierfür ist allerdings groß, weil jedes verschiebbar geführte Teil des Messgeräts mit zusätzlichen Messeinrichtungen ausgestatten werden muss.
Aus DE 43 45 095 C1 ist eine Messmaschine mit einer Führungsvorrichtung bekannt. An den Führungsschienen können Winkelelemente mit mehreren Längenmesstastern angeordnet sein, die jeweils den Abstand zu der zugeordneten Führungsschiene bestimmen. Durch eine verteilte Anordnung der Längenmesstaster mit unterschiedlichen Orientierungen im Raum kann dadurch ein Lagefehler des Winkelelements gegenüber der Führungsschiene erkannt werden. Hierfür sind jedoch mehrere Längenmesstaster an mehreren Erfassungsstellen notwendig.
Aus dem Artikel „Nanometric resolution absolute position encoders“, P. Masa, E. Franzi, C. Urban, 13th European Space Mechanisms and Tribology Symposium, 23. bis 25. September 2009 ist ein mehrdimensionales Messprinzip bekannt, bei dem ein zweidimensionales flächiges Muster zur Positions- bzw. Bewegungserfassung verwendet wird. Zweidimensionale Sensoren sind beispielsweise auch aus US 6 765 195 B1 , EP 1 099 936 A1 oder WO 2006/067481 A1 bekannt.
DE 10 2005 031 796 A1 offenbart eine Tasteinrichtung mit einem über eine Lagereinrichtung schwenkbar an einem Schlitten gelagerten Tastarm bekannt. Der Schlitten ist quer zur Erstreckungsrichtung des Tastarmes vertikal geführt an einer Säule verschiebbar. An der Säule sind zwei sich in der Bewegungsrichtung des Schlittens erstreckende Maßstäbe vorhanden. Die Lagereinrichtung ist zwischen den beiden Maßstäben angeordnet. Jedem Maßstab ist ein Detektor zugeordnet, der mit dem Tastarm verbunden ist, so dass die Schwenkbewegung des Tastarmes durch die translatorische Bewegung der beiden Detektoren entlang des jeweils zugeordneten Maßstabs erfasst werden kann.
DE 10 2009 020 294 A1 beschreibt eine Tasteinrichtung mit einem Tastelement, das zur Aufnahme eines Messwertes in einem rotatorischen Messfreiheitsgrad schwenkbar um eine Schwenkachse an einem Schlitten gelagert ist. Der Schlitten ist mittels einer Antriebseinrichtung in einer Messrichtung entlang einer Schlittenführung bewegbar. Ein Messwertaufnehmer an dem Schlitten erfasst die Schwenkposition des Tastelements im Messfreiheitsgrad. Die Position des Schlittens kann auf Basis eines Sensorsignals ermittelt werden, das von einem der Antriebseinrichtung zugeordneten, separaten Sensor an eine Auswerteeinheit übermittelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tasteinrichtung mit hoher Genauigkeit und einem einfachen Aufbau zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Tasteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die eingangs geschilderte Tasteinrichtung weist eine Erfassungseinrichtung auf, die dem Tastelement und insbesondere auch dem Schlitten bzw. der Schlittenführung zugeordnet ist. Die die Objektoberfläche beschreibenden Messwerte werden in einem ersten Messfreiheitsgrad aufgenommen, der ein rotatorischer oder translatorischer Freiheitsgrad sein kann. Über die Erfassungseinrichtung wird in einem Erfassungsvorgang gleichzeitig sowohl die Position und/oder die Bewegung des Tastelements im ersten Messfreiheitsgrad, als auch eine Position und/oder Bewegung des Tastelements und/oder des Schlittens in wenigstens einem weiteren Freiheitsgrad erfasst. Dadurch können insbesondere Lagerfehler gleichzeitig mit der Aufnahme des Messwertes im Messfreiheitsgrad ermittelt werden, beispielsweise bei einer Verschiebung des Schlittens quer zur Schlittenführung und/oder einer Neigung des Schlittens gegenüber der Schlittenführung und/oder einer Bewegung des Tastelements in einem Freiheitsgrad, der nicht dem ersten Messfreiheitsgrad entspricht. Dadurch lässt sich eine sehr genaue Tasteinrichtung mit geringem konstruktiven Aufwand erreichen.
Es ist vorzugsweise auch vorgesehen, in dem einen Erfassungsvorgang sowohl die Position und/oder Bewegung des Tastelements in seinem ersten Messfreiheitsgrad, als auch die Position und/oder die Bewegung des Schlittens relativ zur Schlittenführung zu erfassen. Separate Detektoren zur Erfassung der Position bzw. Bewegung des Tastelements einerseits und des Schlittens andererseits können entfallen. Über die Erfassungseinrichtung kann somit in einem einzigen Erfassungsvorgang gleichzeitig ein Messwert für die Position und/oder die Bewegung des Tastelements und der Position des Schlittens relativ zur Schlittenführung erhalten. Insbesondere werden auch bei dieser Ausgestaltung gleichzeitig Lagerfehler der Lagereinrichtung erkannt und können korrigiert werden.
Vorzugsweise ist das Tastelement an einem Tastarm angeordnet, der durch die Lagereinrichtung um eine rechtwinklig zur Messrichtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. Der Messfreiheitsgrad ist somit ein rotatorischer Freiheitsgrad um die Schwenkachse der Lagereinrichtung. Insbesondere lässt die Lagereinrichtung ausschließlich die Bewegung im Messfreiheitsgrad zu und ist dazu eingerichtet, alle anderen Bewegungen mit möglichst geringem Spiel beziehungsweise spielfrei abzustützen.
Es ist bei einem Ausführungsbeispiel möglich, die Lagereinrichtung in einem weiteren, zweiten Messfreiheitsgrad bewegbar anzuordnen. Beispielsweise kann die Lagereinrichtung zur Schwenklagerung des Tastarms eines Tastschnittgerätes in dem zweiten Messfreiheitsgrad verschiebbar angeordnet sein. Der zweite Messfreiheitsgrad ist vorzugsweise ein translatorischer Freiheitsgrad, der insbesondere der Richtung entspricht, in der das Tastelement relativ zur Objektoberfläche bewegt wird. Bei einer solchen Ausgestaltung kann über das Tastelement die Lage einer Kante oder Bezugsfläche am Werkstück ermittelt werden. Liegt das Tastelement in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades an der Kante oder Bezugsfläche des Werkstücks an, wird bei einer fortgesetzten Relativbewegung des Schlittens in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades die Lagereinrichtung gemeinsam mit dem Tastelement bzw. dem Tastarm relativ zum Schlitten bewegt. Diese Bewegung kann über die ohnehin vorhandene Erfassungseinrichtung erfasst werden. Die Erfassungseinrichtung ist mithin in der Lage in einem Erfassungsvorgang auch bei einer zur eindimensionalen Messung vorgesehenen Tasteinrichtung, insbesondere bei einem Tastschnittgerät, auch eine Lagemessung in einem zweiten Messfreiheitsgrad zu ermöglichen.
Wenn dieser zusätzliche, zweite Messfreiheitsgrad lediglich zur Lagebestimmung einer Kante und/oder Bezugsfläche verwendet wird, kann der Messbereich der Erfassungseinrichtung in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades klein sein, beispielsweise bis maximal 5 mm oder bis maximal 1 cm. Diese Messbereichsbeschränkung vereinfacht auch die bewegbare Lagerung der Lagereinrichtung in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Tasteinrichtung lediglich einen einzigen und mithin nur den ersten Messfreiheitsgrad aufweist.
Die Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise als optische Erfassungseinrichtung ausgeführt. Die Position und/oder Bewegung des Tastelements sowie die Position und/oder Bewegung des Schlittens relativ zur Schlittenführung werden gleichzeitig durch ein optisches Verfahren berührungslos und damit reibungslos erfasst. Beispielsweise kann hierfür eine Mustererkennung, eine Bildverarbeitung oder ein interferometrisches Verfahren verwendet werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung einen Maßstab auf, der unbeweglich an der Schlittenführung befestigt ist. Die Schlittenführung kann beispielsweise eine oder mehrere Führungsschienen aufweisen. Der Maßstab weist vorzugsweise ein zweidimensionales flächiges Muster auf, das durch ein optisches Verfahren von wenigstens einem Detektor der Erfassungseinrichtung erfasst werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung wenigstens einen Detektor auf, der mit dem Tastelement bewegungsgekoppelt ist. Jeder Detektor erfasst die Bewegung und/oder Position des Tastelements sowie zumindest einen weiteren Freiheitsgrad an jeweils einer Erfassungsstelle an dem jeweils zugeordneten Maßstab in einem Erfassungsvorgang. Die Bewegungskopplung kann beispielsweise durch eine unbewegliche, starre Verbindung zwischen dem Detektor und dem Tastelement erreicht werden. Bei einer Ausführung, bei der das Tastelement an einem durch die Lagereinrichtung schwenkbar gelagerten Tastarm angeordnet ist, kann der Detektor vorzugsweise unbeweglich mit der Schwenklagerachse verbunden sein, so dass der Tastarm und der Detektor gemeinsam um die Schwenklagerachse schwenkbar in der Lagereinrichtung gelagert sind.
Vorzugsweise weist die Erfassungseinrichtung zwei Detektoren, insbesondere Fotodetektoren auf. Bei der Ausführung der Tasteinrichtung, bei der das Tastelement in einem rotatorischen Messfreiheitsgrad um eine Schwenkachse gelagert ist, sind die beiden Detektoren jeweils im gleichen Abstand zur Schwenkachse angeordnet. Insbesondere befinden sind die Schwerpunkte der beiden Detektoren diametral gegenüberliegend der Schwenkachse. Bei dieser Anordnung kann das Massenträgheitsmoment gegenüber einer einseitigen Anordnung deutlich verringert werden. Ein geringes Massenträgheitsmoment ist für die Erzielung einer hohen Messgenauigkeit entscheidend.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn jeder der vorhandenen Detektoren der Erfassungseinrichtung eine Position und/oder eine Bewegung in einem Erfassungsvorgang gleichzeitig in zumindest zwei Freiheitsgraden und insbesondere in bis zu sechs Freiheitsgraden erfasst. Dabei lassen sich zusätzliche Freiheitsgrade ermitteln, die zur Verbesserung der Fehlerkorrektur verwendet werden können. Der Detektor kann auch in verschiedenen Freiheitsgraden unterschiedliche Genauigkeiten aufweisen. Wenn der Detektor in demselben Erfassungsvorgang in allen sechs Freiheitsgraden Messwerte zur Verfügung stellt, können diejenigen mit der höchsten Genauigkeit zur Positionsbestimmung und zur Fehlerkorrektur verwendet werden, was die Messgenauigkeit insbesondere durch eine verbesserte Fehlerkorrektur erhöht. Vorzugsweise werden zumindest die beiden translatorischen Freiheitsgrade zur Positionsbestimmung und/oder Fehlerkorrektur verwendet, die parallel zu der Ebene orientiert sind, in der sich das Muster des Maßstabs befindet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann jeder der verwendeten Detektoren der Erfassungseinrichtung die Position und/oder die Bewegung des Schlittens relativ zu der Schlittenführung zumindest in einem oder zwei translatorischen Freiheitsgraden erfassen. Bei der Verwendung eines rotatorischen Messfreiheitsgrades für die Messwertaufnahme durch das Tastelement sind die erfassten translatorischen Freiheitsgrade des jeweiligen Detektors vorzugsweise quer zur Schwenkachse des rotatorischen Messfreiheitsgrades orientiert, so dass auch Lagerfehler der Lagereinrichtung erfasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfassungseinrichtung weist jeder Detektor eine Lichtquelle und einen von der Lichtquelle angestrahlten mehrzeiligen Fotoempfänger auf. Der Maßstab ist dabei vorzugsweise im Lichtweg von der Lichtquelle zum Fotoempfänger angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen sich die Lichtquelle und der Fotoempfänger auf entgegengesetzten Seiten des Maßstabs gegenüber.
Der Maßstab kann als zweidimensionale Kodierplatte ausgeführt sein und weist für die verwendete Lichtwellenlänge transparente und nicht transparente Abschnitte auf. Anhand des vom Fotoempfänger erfassten Lichtmusters kann die Position und/oder Bewegung des Detektors relativ zum Maßstab erfasst werden. Der Maßstab kann auch eine Kodierung oder eine Spur zur Absolutmessung der Position aufweisen. Der Maßstab bildet sozusagen eine zweidimensionale Kodierplatte. Bei der Verwendung eines rotatorischen Messfreiheitsgrades um eine Schwenkachse ist die Kodierplatte vorzugsweise in einer Ebene rechtwinklig zur Schwenkachse angeordnet.
Die Tasteinrichtung kann bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Zentraleinheit aufweisen, die in Kommunikationsverbindung mit der Erfassungseinrichtung steht. Die Erfassungseinrichtung kann dabei Messsignale an die Zentraleinheit übermitteln. Die Zentraleinheit kann als separate Recheneinheit oder integriert in die Erfassungseinrichtung ausgeführt sein. In der Zentraleinheit werden anhand der Messsignale die Position und/oder Bewegung des Tastelements und mithin der Messwerte für die Kontur des zu messenden Objekts ermittelt. Dabei kann anhand der empfangenen Messsignale auch eine Fehlerkorrektur des Messsignals für die Position und/oder die Bewegung des Tastelements durchgeführt werden. Insbesondere können Lagerfehler des Schlittens gegenüber der Schlittenführung und/oder des Tastelements gegenüber dem Schlitten erkannt und optional korrigiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Tasteinrichtung in Seitenansicht,
2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Tasteinrichtung in Seitenansicht,
3a, 3b und 3c jeweils eine schematische, blockschaltbildähnliche Teildarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Tasteinrichtung nach 1 und 2 mit einem zweiten Messfreiheitsgrad,
4 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eine Detektors der Erfassungseinrichtung gemäß 1,
5 eine schematische perspektivische Ansicht der Anordnung der Erfassungseinrichtung mit zwei Detektoren aus 1 an einer Schwenkachse,
6 eine stark schematisierte Darstellung eines Lichtmusters an einem Fotoempfänger eines Detektors und
7 eine stark schematisierte Darstellung einer als Maßstab für die Erfassungseinrichtung verwendeten zweidimensionalen Kodierplatte.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Tasteinrichtung 10 veranschaulicht. Die Tasteinrichtung 10 dient beispielsgemäß zur linienhaften Messung einer Kontur, einer Form oder der Rauheit einer Objektoberfläche eines zu messenden Werkstücks bzw. Objekts 11. Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel könnte die Tasteinrichtung 10 auch dazu eingerichtet sein, die Kontur durch Antasten mehrerer beabstandeter Stellen auf der Objektoberfläche zu erfassen.
Die Tasteinrichtung 10 weist ein Tastelement 12 auf, das in Bezug zu der Oberfläche des Objekts 11 gebracht werden kann. Das Tastelement 12 kann taktil oder berührungslos messen. Ein taktil messendes Tastelement 12 liegt mit einem definierten Körper, beispielsweise einer Kugel oder eine Spitze an der Objektoberfläche an. Ein berührungslos arbeitendes Tastelement 12 kann beispielsweise eine Austrittsöffnung für auf die Oberfläche des Objekts 11 abgestrahltes Licht aufweisen. Bei beiden Varianten kann die Tasteinrichtung 10 eine Einrichtung aufweisen, die das Tastelement 12 in Bezug auf die Oberfläche des Objekts 11 positioniert. Bei der taktilen Messung kann durch diese Einrichtung beispielsweise eine ausreichende Andrückkraft zwischen dem Tastelement 12 und der Objektoberfläche erzeugt werden. Bei einer berührungslosen Messung kann diese Einrichtung dazu dienen, das Tastelement 12 innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereichs zur Objektoberfläche zu positionieren.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tastelement 12 zur Aufnahme eines Messwertes in einem ersten Messfreiheitsgrad FM1 bewegbar gelagert. Bei einer Ausführungsform kann dieser erste Messfreiheitsgrad FM1 der einzige Messfreiheitsgrad sein. In den 3a bis 3c sind Ausführungsvarianten dargestellt, bei denen die Messung zusätzlich zum ersten Messfreiheitsgrad FM1 in einem insbesondere translatorischen zweiten Messfreiheitsgrad FM2 durchgeführt werden kann. Der erste Messfreiheitsgrad FM1 ist beim Ausführungsbeispiel ein rotatorischer Freiheitsgrad und entspricht dem rotatorischen Freiheitsgrad DY um die Y-Richtung, die beispielsgemäß senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist.
Zur bewegbaren und insbesondere schwenkbaren Lagerung im ersten Messfreiheitsgrad FM1 dient eine Lagereinrichtung 15, die beim Ausführungsbeispiel an einem ersten Schlitten 16 angeordnet ist. Die Lagereinrichtung 15 ist als Dreh- oder Schwenklager ausgeführt. Das Tastelement 12 ist an einem äußeren, freien Ende 17 eines Tastarms 18 angeordnet. Der Tastarm 18 ist über eine Schwenklagerachse 19 schwenkbar an der Lagereinrichtung 15 gelagert. Mithin kann das Tastelement 12 gemeinsam mit dem Tastarm 18 im ersten Messfreiheitsgrad FM gegenüber dem ersten Schlitten 16 bewegt werden.
Der erste Schlitten 16 ist beim Ausführungsbeispiel nach 1 in einer X-Richtung translatorisch entlang einer ersten Schlittenführung 22 bewegbar gelagert. Die erste Schlittenführung 22 kann durch eine oder mehrere Führungsschienen gebildet sein. Mit Hilfe einer schematisch dargestellten Antriebseinrichtung 23 kann der erste Schlitten 16 entlang der ersten Schlittenführung 22 bewegt werden. Beispielsweise kann durch das Bewegen des ersten Schlittens 16 in X-Richtung, die also der Messrichtung R entspricht, eine linienhafte Messwerterfassung entlang der Oberfläche des Werkstücks bzw. Objekts 11 erfolgen.
Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen dient die Antriebseinrichtung 23 ferner dazu, einen zweiten Schlitten 26 entlang einer zweiten Schlittenführung 24 zu positionieren. Die erste Schlittenführung 22 ist mit dem zweiten Schlitten 26 verbunden. Die zweite Schlittenführung 24 ermöglicht somit eine translatorische Bewegung der ersten Schlittenführung 22 in einer Richtung quer zu der Erstreckungsrichtung der ersten Schlittenführung 22. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 erstreckt sich die erste Schlittenführung 22 in X-Richtung und die zweite Schlittenführung 24 in Z-Richtung. Die Bewegungsrichtung des Tastelements während der Messung, also die Messrichtung R ist dabei parallel zur ersten Schlittenführung 22 ausgerichtet.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Messrichtung R auch quer zur ersten Schlittenführung und parallel zur zweiten Schlittenführung 24 ausgerichtet sein ( 2 und 3a, 3b, 3c)
Die drei Raumrichtungen X, Y, Z bilden wie beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellt ein kartesisches Koordinatensystem.
Die Antriebseinrichtung 23 kann zum Bewegen des ersten Schlittens 16 und zum Bewegen des zweiten Schlittens 26 separate Antriebsmotoren, insbesondere elektrische Antriebsmotoren aufweisen. Die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 23 erfolgt beim Ausführungsbeispiel über eine Steuereinheit bzw. Zentraleinheit 25. Die Zentraleinheit 25 kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen.
Die Tasteinrichtung 10 weist außerdem zumindest eine Erfassungseinrichtung auf. Beim Ausführungsbeispiel sind eine erste Erfassungseinrichtung 30 und eine zweite Erfassungseinrichtung 31 vorhanden. Die Erfassungseinrichtungen 30, 31 dienen dazu, eine Position und/oder eine Bewegung zweier relativ zueinander beweglicher Elemente der Tasteinrichtung 10 zu erfassen. Dazu weist jede Erfassungseinrichtung wenigstens einen Detektor 34 auf. Jeder Detektor 34 kann an einer Erfassungsstelle S in einem Erfassungsvorgang zumindest zwei und bis zu sechs Freiheitsgrade gleichzeitig erfassen.
Die erste Erfassungseinrichtung 30 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, die Position und/oder die Bewegung des Tastelements 12 in dem ersten Messfreiheitsgrad FM1, also dem rotatorischen Freiheitsgrad DY um die Y-Richtung zu erfassen. Insbesondere wird dabei in demselben Erfassungsvorgang auch die Position und/oder Bewegung des Tastelements 12 und/oder der Schwenklagerachse 19 in zumindest einem weiteren Freiheitsgrad erfasst. Vorzugsweise können in diesem Erfassungsvorgang alle sechs Freiheitsgrade erfasst werden. Beispielsgemäß in diesem Erfassungsvorgang gleichzeitig auch die Position und/oder die Bewegung des Schlittens 16 relativ zur Schlittenführung 22 erfasst. Die erste Erfassungseinrichtung 30 und beispielsgemäß jeder Detektor 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 liefert somit ein Messsignal M in zumindest zwei Freiheitsgraden, beispielsgemäß zumindest dem ersten Messfreiheitsgrad FM1 sowie dem translatorischen Freiheitsgrad in Richtung der ersten Schlittenführung 22, als beispielsweise in X-Richtung.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel liefert die erste Erfassungseinrichtung 30 Messsignale M in jeweils allen sechs Freiheitsgraden, nämlich den translatorischen Freiheitsgraden in X-, Y- und Z-Richtung sowie den rotatorischen Freiheitsgraden DX um die X-Richtung, DY um die Y-Richtung sowie DZ um die Z-Richtung.
Der Aufbau einer bevorzugten ersten und zweiten Erfassungseinrichtung 30, 31 wird nachfolgend anhand der Figuren 4 bis 7 näher erläutert.
Die Erfassungseinrichtung 30, 31 weist wenigstens einen und beim Ausführungsbeispiel zwei Detektoren 34 auf. Zu jedem Detektor 34 gehört ein mehrzeiliger Fotoempfänger 35. Der Fotoempfänger 35 kann beispielsweise von einem CCD-Kamerachip gebildet sein. Der Fotoempfänger 35 weist eine Vielzahl von Pixeln 36 oder Detektorelementen auf, die in Zeilen und Spalten matrixförmig angeordnet sind und eine Empfangsfläche 37 bilden (6).
Zu dem Detektor 34 gehört außerdem eine Lichtquelle 38, die Licht in Richtung zum Fotoempfänger 35 der Detektors 34 abstrahlt. Das Licht kann monochromatisch oder weiß sein. Das von der Lichtquelle 38 abgestrahlte Licht ist divergent. Als Lichtquelle 38 kann beispielsweise eine Lumineszenzdiode und vorzugsweise eine Leuchtdiode verwendet werden. Auch andere Leuchtmittel können als Lichtquelle 38 verwendet werden.
Die erste Erfassungseinrichtung 30 weist außerdem wenigstens einen ersten Maßstab 39 und die zweite Erfassungseinrichtung 31 wenigstens einen zweiten Maßstab 40 auf. Die Maßstäbe 39, 40 sind jeweils im Lichtweg von der Lichtquelle 38 zum Fotoempfänger 35 eines zugeordneten Detekrors 34 angeordnet. Da beim Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 38 das Licht direkt in Richtung der Empfangsfläche 37 des Fotoempfängers 35 abstrahlt, ist der Maßstab 40 beim Ausführungsbeispiel zwischen der Lichtquelle 38 und dem Fotoempfänger 35 angeordnet (4 und 5). Es wäre in Abwandlung hierzu auch möglich, einen Reflektor in den Lichtweg einzubringen und die Lichtquelle 38 und den Fotoempfänger 35 auf einer Seite des zugeordneten Maßstabs 39 bzw. 40 anzuordnen.
Beim Ausführungsbeispiel ist der wenigstens eine Maßstab 39 bzw. 40 beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 bzw. beiden Detektoren 34 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 zugeordnet. Er ist als teilweise transparente Kodierplatte 41 ausgeführt. Die Kodierplatte 41 weist in Reihen und Spalten vorzugsweise regelmäßig angeordnete transparente Zonen 42 auf. Diese transparenten Zonen 42 sind für die verwendete Lichtwellenlänge des Lichts der Lichtquelle 38 durchlässig. Im Übrigen ist die Kodierplatte 41 für das Licht undurchlässig. Durch die Lichtquelle 38 wird ein Bereich 43 der Kodierplatte 41 beleuchtet, der vorzugsweise in beiden Dimensionen der Kodierplatte 41 kleiner ist als die Kodierplatte 41. Dieser beleuchtete Bereich 43 ist sozusagen der von der Lichtquelle 38 erzeugte Lichtfleck auf der Kodierplatte 41. Die Kontur des beleuchteten Bereichs 43 kann abhängig von der Ausrichtung und Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 38 beispielsweise rund oder elliptisch sein. Die transparenten Zonen 42 oder Teile davon können eine Kodierung aufweisen, so dass nicht nur eine Relativbewegung, sondern auch eine absolute Positionsbestimmung durch den zugeordneten Detektor 34 erfasst werden kann. Der beleuchtete Bereich 43 stellt die Erfassungsstelle S eines Detektors dar.
Die Kodierplatte 41 bzw. der Maßstab 39, 40 erzeugen ein Lichtmuster 44 auf der Empfängerfläche 37 des Fotoempfängers 35. Anhand dieses Lichtmusters 44 kann den Detektor 34 bzw. die Erfassungseinrichtung 30, 31 eine Relativbewegung oder die Position des Detektors 34 relativ zum Maßstab 40 erfassen. In 6 ist schematisch und lediglich beispielhaft ein Lichtmuster 44 auf der Empfängerfläche 37 durch die mit einem Punktraster dargestellten Pixel 36 veranschaulicht.
Anstelle der transparenten Zonen 42 der Kodierplatte 41 könnten diese Zonen auch reflektierend ausgeführt sein. Die Kodierplatte 41 würde dann einen im Lichtweg vorhandenen Reflektor bilden und das Lichtmuster auf den Fotoempfänger reflektieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist der erste Maßstab 39 der ersten Erfassungseinrichtung 30 relativ zur Schlittenführung 22 unbeweglich angeordnet und beispielsgemäß an einem mit der Schlittenführung 22 verbundenen Maßstabträger 45 angeordnet. Der zweite Maßstab 40 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 ist relativ zur zweiten Schlittenführung 24 unbeweglich angeordnet und beispielsgemäß fest mit der zweiten Schlittenführung 24 verbunden. Die wenigstens eine und beispielsgemäß zwei Detektoren 34 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 sind parallel zur Erstreckungsrichtung der zweiten Schlittenführung 24 verschiebbar gegenüber dem zweiten Maßstab 40 angeordnet und unbeweglich mit der ersten Schlittenführung 22 verbunden. Dadurch kann die Bewegung der ersten Schlittenführung 22 relativ zur zweiten Schlittenführung 24 erfasst werden.
Bei den hier veranschaulichten Ausführungsformen trägt der Maßstabträger 45 vorzugsweise den wenigstens einen Detektor 34 der zweiten Erfassungseinrichtung. Dadurch kann ein geschlossener Messkreis erreicht werden. Verschiebung, Bewegungen oder Ausrichtfehler der ersten Schlittenführung 22 gegenüber dem zweiten Schlitten 26 werden dadurch automatisch durch das Messsignal M des wenigstens einen Detektors 34 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 berücksichtigt.
Die Anordnung der Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 ist insbesondere in 5 zu erkennen. Ein Haltemittel 48 ist mit dem Tastelement 12 bewegungsgekoppelt und beispielsgemäß gegenüber dem Tastelement unbeweglich angeordnet. Das Haltemittel 48 dient zum Halten des wenigstens einen Detektors 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30.
Beim Ausführungsbeispiel ist der erste Messfreiheitsgrad FM1 durch den rotatorischen Freiheitsgrad DY um die Y-Richtung gebildet. Daher ist das Haltemittel 48 beispielsgemäß drehfest mit der Schwenklagerachse 19 verbunden. Bei einer Schwenkbewegung des Tastelements 12 um eine durch die Schwenklagerachse 19 definierte Drehachse führt mithin auch das Haltemittel 48 und mithin auch der am Haltemittel 48 angeordnete wenigstens eine Detektor 34 einer Schwenkbewegung mit der Schwenklagerachse 19 aus. Die dabei verursachte Relativbewegung zwischen dem wenigstens einen Detektor 34 und dem ersten Maßstab 39 führt zu einer Veränderung des Lichtmusters auf der Empfangsfläche 37 des Fotoempfängers 35. Dadurch kann die Schwenkbewegung des Tastelements 12 entlang der Kontur des zu messenden Objekts erfasst werden.
Das Haltemittel 48 weist beim Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten des ersten Maßstabs 39 jeweils einen Haltesteg 49 auf. Die beiden Haltestege 49 sind parallel zueinander und insbesondere parallel zum ersten Maßstab 39 bzw. der Kodierplatte 41 angeordnet. An dem einen Haltesteg 49 ist der Fotoempfänger 35 und am jeweils anderen Haltesteg 49 die Lichtquelle 38 eines Detektors 34 angeordnet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel trägt das Haltemittel 48 die beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30.
Wie insbesondere aus 1 und 2 hervorgeht, sind die beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 gegenüber der Schwenklagerachse 19 mit jeweils gleichem Abstand a angeordnet. Das Haltemittel 48 erstreckt sich somit ausgehend von der Schwenklagerachse 19 in zwei entgegengesetzte Richtungen. Mit Abstand zur Schwenklagerachse 19 sind die beiden Detektoren 34 im Abstand a zur Schwenkachse 19 am Haltemittel 48 angeordnet. Es entsteht vorzugsweise eine Gesamtanordnung aus dem Haltemittel 48 und den beiden Detektoren 34, die symmetrisch ist bezüglich einer Mittelebene entlang der durch die Schwenklagerachse 19 definierten Drehachse. Dadurch wird das Massenträgheitsmoment dieser schwenkbar gelagerten Anordnung gegenüber einer einseitigen, unsymmetrischen Anordnung reduziert. Das Haltemittel 48 erstreckt sich quer zur Schwenklagerachse 19 in Ruhelage vorzugsweise parallel zum ersten Maßstab 39.
Jeder der hier verwendeten Detektoren 34 erzeugt ein Messsignal M. Das Messsignal M beinhaltet Messwerte für die Position und/oder Bewegung des Detektors 34 relativ zum zugeordneten Maßstab 39, 40 in wenigstens zwei Freiheitsgraden und beim Ausführungsbeispiel in allen sechs Freiheitsgraden X, Y, Z, DX, DY, DZ. Das Messsignal M jedes Detektors 34 wird der Zentraleinheit 25 übermittelt, was in den 1 und 2 schematisch durch die gestrichelten Pfeile veranschaulicht ist. Die Zentraleinheit 25 ermittelt aus dem Messsignal M des wenigstens einen Detektors 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 und optional und auch anhand des Messsignals M der wenigstens einen Detektors 34 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 ein Ergebnissignal E, das dem aktuellen Messwert für die Kontur des zu messenden Objekts 11 entspricht. Das Ergebnissignal E beschreibt somit beispielsgemäß die Position und/oder Bewegung des Tastelements 12, über das der Messwert für die Kontur des zu messenden Objekts 11 erfasst wird.
Die erste Erfassungseinrichtung 30 erfasst wegen ihrer Bewegungskopplung mit dem Tastelement 12 einen die Position und/oder die Bewegung des Tastelements 12 im ersten Messfreiheitsgrad FM1 beschreibendes Messsignal M. Außerdem wird über die erste Erfassungseinrichtung 30 die Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens 16 entlang der ersten Schlittenführung 22 erfasst. Da jeder der beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 Messwerte M für alle sechs Freiheitsgrade erzeugt, besteht sowohl bei der Erfassung der Position des ersten Schlittens 16, als auch bei der Erfassung der Bewegung des Tastelements 12 im ersten Messfreiheitsgrad FM1 eine Redundanz. Diese redundanten Messinformationen können dazu verwendet werden, einen Fehler in der Messung zu erkennen und insbesondere automatisch zu berücksichtigen, denn durch die Detektoren 34 werden auch zusätzlich zum ersten Messfreiheitsgrad FM1 einer oder mehrere weitere Freiheitsgrade erfasst. Die Position des Tastelements 12 kann daher unabhängig von Lagerfehlern stets korrekt bestimmt werden. Beispielsweise kann die erste Erfassungseinrichtung 30 translatorische Verschiebungen der Schwenklagerachse 19 gegenüber der Lagereinrichtung 15 und mithin translatorische Verschiebungen des Tastelements 12 erfassen. Die erste Erfassungseinrichtung 30 kann auch Lagerfehler des ersten Schlittens 16 gegenüber der ersten Schlittenführung 22 erfassen.
Die Detektoren 34 erzeugen Messwerte M für die translatorischen Freiheitsgrade in der Ebene des Maßstabs 40 bzw. der Kodierplatte 41, die eine höhere Genauigkeit aufweisen als die Messwerte für die anderen Freiheitsgrade. Durch die Verwendung von zwei gegenüber der Schwenklagerachse 19 angeordneten Detektoren 34 in der ersten Erfassungseinrichtung 30 können daher auch Translationsbewegungen jedes Detektors 34 relativ zum ersten Maßstab 39 in dessen Erstreckungsebene für die Ermittlung der Schwenkbewegung um die Schwenklagerachse 19 herangezogen werden, was zur Verbesserung der Messgenauigkeit führt.
Die zweite Erfassungseinrichtung 31 ist im Wesentlichen analog zur ersten Erfassungseinrichtung 30 aufgebaut. Im Unterschied zur ersten Erfassungseinrichtung 30 ist der wenigstens eine Detektor 34 der zweiten Erfassungseinrichtung 31 nicht schwenkbeweglich gelagert, sondern entsprechend dem Bewegungsfreiheitsgrad des zweiten Schlittens26 über den Maßstabträger 45 gemeinsam mit der ersten Schlittenführung 22 translatorisch verschiebbar angeordnet. Ansonsten kann die zweite Erfassungseinrichtung 31 analog zur ersten Erfassungseinrichtung 30 aufgebaut sein.
In Abwandlung zu den bislang beschriebenen Ausführungsformen kann jede Erfassungseinrichtung 30, 31 auch jeweils mehrere Maßstäbe aufweisen. Jedem Maßstab ist dann zumindest ein Detektor 34 zugeordnet. Die Kodierung bzw. das Muster tragenden Maßstabflächen der Maßstäbe können dabei entweder parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene oder in versetzten Ebenen angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, die Maßstabflächen in zueinander unter einem Winkel geneigten Ebenen anzuordnen. Insbesondere können die Maßstabflächen rechtwinklig zueinander ausgerichtet sein. Dadurch kann eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit erreicht werden, da die Detektoren bei Verschiebungen parallel zur Maßstabfläche Messsignale mit höherer Genauigkeit liefern. Einem Maßstab können dabei ein oder zwei Detektoren 34 zugeordnet sein.
In 2 ist eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform der Tasteinrichtung 10 veranschaulicht. Bei dieser Ausführung nach 2 ist die Messrichtung R im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach 1 quer und in etwa rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung der ersten Schlittenführung 22 orientiert. Zur Bewegung des Tastelements 12 in Messrichtung R dient bei diesem Ausführungsbeispiel der entlang der zweiten Schlittenführung 24 bewegbare zweite Schlitten 26. Die beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 sind somit auf einer Geraden angeordnet, die in etwa quer zur Messrichtung R und bei nicht ausgelenktem Tastelement 12 in etwa parallel zum ersten Maßstab 39 an der ersten Schlittenführung 22 verläuft. Beispielsgemäß sind die beiden Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 in Vertikalrichtung oberhalb bzw. unterhalb der Schwenklagerachse 19 der Lagereinrichtung 15 angeordnet. Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel nach 2 im Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.
Sowohl beim ersten Ausführungsbeispiel nach 1, als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 besteht die Möglichkeit, die Lagereinrichtung 15 in einem zweiten Messfreiheitsgrad FM2, beispielsgemäß in einem translatorischen Freiheitsgrad, bewegbar am ersten Schlitten 16 zu lagern. Dies ist beispielhaft in den 3a bis 3c anhand des zweiten Ausführungsbeispiels nach 2 dargestellt und beschrieben, kann jedoch auch beim Ausführungsbeispiel nach 1 realisiert werden.
Der zweite Messfreiheitsgrad FM2 ist ein translatorischer Freiheitsgrad parallel zur Messrichtung R der Tasteinrichtung 10. Zur bewegbaren Lagerung der Lagereinrichtung 15 in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 dient eine Lageranordnung 50 auf dem Schlitten 16. Mit der Lageranordnung 50 ist die Lagereinrichtung 15 mit der Schwenklagerachse 19 in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 bewegbar gelagert. Die Lageranordnung 50 kann dabei verschieden ausgestaltet sein. Lediglich beispielhaft schematisch ist die Lageranordnung 50 in den 3a bis 3c durch mehrere Federn 51 dargestellt, die mit ihrem einen Ende mit einem die Lagereinrichtung 15 tragenden Tragteil 52 und mit ihrem jeweils anderen Ende fest mit dem Schlitten 16 verbunden sind. Durch diese Anordnung ist die Lagereinrichtung 15 gemeinsam mit den Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 sowie mit dem Tastelement 12 in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 relativ zum Schlitten 16 bewegbar.
Auf diese Weise kann aus der von dem Tastschnittgerät mit dem Tastarm 18 gebildeten Tasteinrichtung 10 eine zweidimensional messende Tasteinrichtung gebildet werden. Über die erste Erfassungseinrichtung 30 werden dabei auch die Messwerte im zweiten Messfreiheitsgrad FM2 in demselben Erfassungsvorgang erfasst, wie die Messwerte im ersten Messfreiheitsgrad FM1.
Eine beispielhafte, bevorzugte Anwendung des abgewandelten Ausführungsbeispiels der Tasteinrichtung 10 gemäß 3a ist in den 3b und 3c schematisch veranschaulicht. Beim Ausführungsbeispiel wird die Tasteinrichtung 10 zum Ermitteln von Bezugskanten 55 und/oder Bezugsflächen 56 an dem Objekt 11 verwendet. Hierfür kann das Tastelement 12 in Messrichtung R bewegt werden, beispielsweise mit Hilfe des zweiten Schlittens 26. Sobald das Tastelement 12 an einer Bezugskante 55 bzw. einer Bezugsfläche 56 anliegt, die sich quer zur Messrichtung R erstreckt, wird durch eine fortgesetzte Bewegung des betreffenden Schlittens, beispielsgemäß des zweiten Schlittens 26, der wenigstens eine Detektor 34 relativ zum ersten Maßstab 39 in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 bewegt. Diese Bewegung bzw. die dadurch erfasste Positionsänderung in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 kann durch den wenigstens einen Detektor 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 erfasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Position bzw. die Lage einer Bezugskante 55 und/oder einer Bezugsfläche 56, deren Normalenvektor sich in etwa in Messrichtung R erstreckt, zu bestimmen.
In 3c ist beispielhaft schematisch die Verschiebung der Lagereinrichtung 15 gemeinsam mit den Detektoren 34 der ersten Erfassungseinrichtung 30 um einen Weg d in Richtung des zweiten Messfreiheitsgrades FM2 veranschaulicht. Während sich der zweite Schlitten 26 mit der ersten Schlittenführung 22 und dem daran angeordneten ersten Maßstab 39 in Messrichtung R weiterbewegt, wird durch das an der Bezugskante 55 bzw. Bezugsfläche 56 anliegende Tastelemente 12 die Lagereinrichtung 15 und die mit der Lagereinrichtung 15 bewegungsgekoppelten Detektoren 34 sozusagen festgehalten, wodurch es zu der Verschiebung um den Weg d relativ zum ersten Schlitten 16 und mithin relativ zum ersten Maßstab 39 kommt.
Die Erfindung betrifft eine Tasteinrichtung 10. Die Tasteinrichtung 10 weist zur Erfassung der Kontur eines zu messenden Objekts 11 ein im genau einem ersten Messfreiheitsgrad FM beweglich gelagertes Tastelement 12 auf. Über eine Lagereinrichtung 15 ist das Tastelement 12 in seinem ersten Messfreiheitsgrad FM beweglich an einem ersten Schlitten 16 gelagert. Der erste Schlitten 16 ist translatorisch in einem weiteren Freiheitsgrad X, Z beweglich an einer ersten Schlittenführung 22 angeordnet. Während der Messung wird das Tastelement 12 durch die Kontur des zu messenden Objekts 11 im ersten Messfreiheitsgrad FM bewegt bzw. ausgelenkt und gleichzeitig wird das Tastelement 12 in Messrichtung R bewegt. Eine erste Erfassungseinrichtung 30 dient dazu, die Position und/oder Bewegung des Tastelements 12 im ersten Messfreiheitsgrad FM, und vorzugsweise auch die Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens in wenigstens einem Freiheitsgrad relativ zur Schlittenführung 22 in einem einzigen Messvorgang sozusagen gleichzeitig zu erfassen. Bei diesem Messvorgang werden auch Lagerfehler der Lagereinrichtung 15 berücksichtigt. Eine automatische Fehlerkorrektur ist somit möglich.
Bezugszeichenliste

10: Tasteinrichtung
11: Objekt
12: Tastelement
15: Lagereinrichtung
16: erster Schlitten
17: freies Ende des Tastarms
18: Tastarm
19: Schwenklagerachse
22: erste Schlittenführung
23: Antriebseinrichtung
24: zweite Schlittenführung
25: Zentraleinheit
26: zweiter Schlitten
30: erste Erfassungseinrichtung
31: zweite Erfassungseinrichtung
34: Detektor
35: Fotoempfänger
36: Pixel
37: Empfangsfläche
38: Lichtquelle
39: erster Maßstab
40: zweiter Maßstab
41: Kodierplatte
42: transparente Zone
43: beleuchteter Bereich
44: Lichtmuster
45: Maßstabträger
48: Haltemittel
49: Haltesteg
50: Lageranordnung
51: Feder
52: Tragteil
55: Bezugskante
56: Bezugsfläche
d: Weg
DX: rotatorischer Freiheitsgrad um die X-Richtung
DY: rotatorischer Freiheitsgrad um die Y-Richtung
DZ: rotatorischer Freiheitsgrad um die Z-Richtung
E: Ergebnissignal
FM1: erster Messfreiheitsgrad
FM2: zweiter Messfreiheitsgrad
M: Messsignal
R: Messrichtung
S: Erfassungsstelle
X: Raumrichtung
Y: Raumrichtung
Z: Raumrichtung

Claims

Tasteinrichtung (10) mit einem Tastelement (12), das zur Aufnahme eines Messwertes mittels einer Lagereinrichtung (15) in einem ersten Messfreiheitsgrad (FM1) bewegbar an einem ersten Schlitten (16) gelagert ist, wobei der erste Messfreiheitsgrad (FM1) durch einen translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrad (DY) gebildet ist, mit einer Antriebseinrichtung (23), die dazu eingerichtet ist, den ersten Schlitten (16) mittelbar oder unmittelbar in einer Messrichtung (R) entlang einer ersten Schlittenführung (22) zu bewegen, mit einer ersten Erfassungseinrichtung (30), die wenigstens einen ersten Maßstab (39) und wenigstens einen dem ersten Maßstab (39) zugeordneten Detektor (34) aufweist, jeder Detektor (34) an einer Erfassungsstelle (S) auf dem ersten Maßstab (39) in einem einzigen Erfassungsvorgang gleichzeitig sowohl eine Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) im ersten Messfreiheitsgrad (FM1) als auch eine Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) und/oder des ersten Schlittens (16) in wenigstens einem weiteren Freiheitsgrad (X, Z) erfasst.
Tasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (30) in dem einen Erfassungsvorgang die Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens (16) relativ zur ersten Schlittenführung (22) erfasst, an der der erste Schlitten (16) verschiebbar gelagert ist.
Tasteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Maßstab (39) unbeweglich mit der ersten Schlittenführung (22) verbunden ist.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (12) an einem Tastarm (18) angeordnet ist, der durch die Lagereinrichtung (15) um eine rechtwinkelig zur Messrichtung (R) verlaufende Schwenklagerachse (19) schwenkbar gelagert ist.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (30) optisch arbeitet.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Detektor (34) der ersten Erfassungseinrichtung (30) mit dem Tastelement (12) bewegungsgekoppelt ist.
Tasteinrichtung nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Detektor (34) unbeweglich mit der Schwenklagerachse (19) der Lagereinrichtung (15) verbunden ist.
Tasteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (30) zwei Detektoren (34) aufweist, die bezüglich der Schwenklagerachse (19) diametral gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils den gleichen Abstand (a) zur Schwenklagerachse (19) aufweisen.
Tasteinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung (15) mittels einer Lageranordnung (50) in einem zweiten Messfreiheitsgrad (FM2) bewegbar an dem ersten Schlitten (16) gelagert ist.
Tasteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (30) die Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) im ersten Messfreiheitsgrad (FM1) und die Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) im zweiten Messfreiheitsgrad (FM2) in demselben Erfassungsvorgang erfasst.
Tasteinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der vorhandenen Detektoren (34) eine Position und/oder eine Bewegung in zumindest zwei Freiheitsgraden (DX, DY, DZ, X, Y, Z) an jeweils einer Erfassungsstelle (S) an dem ersten Maßstab (39) erfasst.
Tasteinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der vorhandenen Detektoren (34) die Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens (16) relativ zu der ersten Schlittenführung (22) zumindest in einem oder zwei translatorischen Freiheitsgraden (X, Y) an jeweils einer Erfassungsstelle (S) an dem ersten Maßstab (39) erfasst.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Detektor (34) eine Lichtquelle (38) und einen von der Lichtquelle (38) angestrahlten mehrzeiligen Fotoempfänger (35) aufweist.
Tasteinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Maßstab (39) als zweidimensionale Kodierplatte (41) ausgeführt ist und sich im Lichtweg von der Lichtquelle (38) zu dem Fotoempfänger (35) befindet.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentraleinheit (25) vorhanden ist, die in Kommunikationsverbindung mit der ersten Erfassungseinrichtung (30) steht und der die Messsignale (M) der ersten Erfassungseinrichtung (30) übermittelt werden.
Tasteinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (25) dazu eingerichtet ist, aus den Messsignalen (M) ein Ergebnissignal (E) zu ermitteln, das die Position und/oder Bewegung des Tastelements (12) angibt.
Tasteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schlitten (26) an einer zweiten Schlittenführung (24) bewegbar geführt gelagert ist, wobei die erste Schlittenführung (22) am zweiten Schlitten (26) befestigt ist und wobei die Position und/oder Bewegung des zweiten Schlittens (26) gegenüber der zweiten Schlittenführung (24) durch eine zweite Erfassungseinrichtung (31) erfasst wird.
Tasteinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung (31)wenigstens einen Detektor (34) aufweist, der mittels einem Maßstabträger (45) mit der ersten Schlittenführung (22) verbunden ist.