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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen von Werkzeugen, von Werkzeugmaschinen, und/oder zum mechanischen Abtasten von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Tastennadel nach Patentanspruch 12.
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Der Einsatz vollautomatischer Produktionsanlagen mit kurzen Taktraten erfordert eine durchgängige Qualitätssicherung und somit eine Kontrolle aller Fertigungsschritte. Um beispielsweise defekte oder gebrochene Werkzeuge, fehlerhaft eingeführte oder ausgeworfene Werkstücke, oder verschlissene Werkzeuge erkennen zu können, und um Ausschluss und Folgeschäden an den betreffenden Arbeitsmaschinen zu vermeiden, werden dabei häufig taktile Messungen mit Tastköpfen und Tastnadeln durchgeführt, die die entsprechenden Werkzeuge und/oder Werkstücke abtasten. Eine solche Tastnadel kann beispielsweise mittels eines Elektromotors aus einer Ruheposition in eine vorgebbare Winkelposition verschwenkt und wieder zurückgeschwenkt werden. Ertastet die Tastennadel ein Objekt in der vorgegebenen Winkelposition, so erzeugt die Vorrichtung ein Gegenstandsfeststellungssignal, andernfalls wird festgestellt, dass der betreffende Gegenstand nicht vorhanden oder nicht richtig positioniert ist. Durch sehr kleine Messtoleranzen oder Schmutz auf dem abzutastenden Objekt kann es vorkommen, dass auch fälschlicherweise, Fehlermeldungen ausgegeben werden, insbesondere wenn das Vorhandensein von Spitzen überprüft wird. Um dies zu vermeiden, können beispielsweise automatisch ein oder mehrere weitere Abtastvorgänge eingeleitet werden, so dass erst nach Ablauf dieser Vorgänge eine Fehlermeldung oder eine Okay-Meldung ausgegeben wird.
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Ein weiteres Anwendungsfeld für derartige taktile Messvorgänge mit Hilfe von Tastnadeln ist das Einteachen unbekannter Werkzeuge oder Werkstücke. In diesen Fällen fährt die Tastnadel dabei langsam auf ein Objekt zu und speichert dessen Position ab. Beim Multiteaching fährt die Tastnadel mehrmals auf das Objekt zu, um dessen Position zu ermitteln. Beim ersten Anfahren fährt die Tastnadel dabei langsam auf das unbekannte Objekt zu. Diese Endposition wird als Grundlage für mehrere schnelle Fahrten auf das Objekt verwendet. Aus den schnellen Fahrten wird dann schließlich die exakte Objektposition ermittelt.
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Einen Tastkopf zum Prüfen von Werkzeugen oder Werkstücken, mit einer elektrischen Antriebseinrichtung und einer Tastnadel, die mittels der elektrischen Antriebseinrichtung um eine Schwenkachse zwischen einer Ruheposition und einer Prüfposition schwenkbar ist, wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 102 18 315 A1 beschrieben. Die Tastnadel kann dabei mit einem Ausgleichsgewicht verbunden sein, welches bei einer Deaktivierung der elektrischen Antriebseinrichtung, beispielsweise bei Stromausfall, die Tastnadel in ihrer momentanen Position hält oder von der Prüfposition wegschwenkt. Zudem sorgt das Ausgleichsgewicht dafür, dass unabhängig von der Winkellage der Tastnadel immer dasselbe Moment auf die Antriebseinrichtung wirkt.
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Die europäische Patentschrift
EP 0 618 521 B1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen von Objekten, insbesondere von Werkzeugen oder Prozesszonen, bei welchem eine Tastnadel durch einen in beiden Drehrichtungen antreibbaren Elektromotor verschwenkt wird. Ein Drehgeber bestimmt dabei den auf eine Nullposition bezogenen Schwenkwinkel der Tastnadel. Ein Mikrocomputer oder ein entsprechender Logikbaustein vergleicht den Schwenkwinkel mit einem in einem Lernzyklus durch einen Referenzanschlag ermittelten und gespeicherten Sollwinkelwert.
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In der Patentschrift
DE 30 03 431 C2 wird eine Vorrichtung zum Überwachen von Werkzeugen an Werkzeugmaschinen offenbart, bei der mit einer Tastnadel, welche starr radial auf einer elektrisch antreibbaren Welle sitzt und bei Drehung der Welle gegen das Werkzeug geschwenkt wird, bei Berührung der Tastnadel mit dem Werkzeug ein Signal erzeugt wird, sobald die Welle still steht. Der Stillstand der Welle wird zur Erzeugung des Signals verwendet. Ein Winkelgeber ist mit der Welle gekuppelt und die von dem Winkelgeber angezeigte Winkelstellung der Welle beim Stillstand der Welle wird mit einem vorgegebenen Wert verglichen.
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Beim schnellen Schwenken der Tastnadel, insbesondere im Multi-Teaching-Modus wird die Tastnadel bis kurz vor Erreichen des zu vermessenden Objektes schnell in eine erste Winkelstellung geschwenkt und von da aus das letzte Stück bis zum Erreichen des Objekts mit verringerter Geschwindigkeit auf das Objekt zu geschwenkt. Bei der schnellen Anfahrt bis kurz vor das Objekt tritt jedoch häufig als unerwünschter Effekt auf, dass die Tastnadel elastisch zu schwingen beginnt, weil sich der vordere Teil der Tastnadel weiter bewegen möchte, während der hintere Teil abgebremst wird. So kann erst nach Abklingen dieser Eigenschwingungen die Tastnadel weiter in Richtung auf das zu vermessende Objekt gefahren und das Objekt vermessen werden. Hierbei tritt jedoch der Nachteil auf, dass sich die gemessenen Positionen je nach Auftreffschwingungslage geringfügig voneinander unterscheiden. Weiterhin muss auf dem Objekt gewartet werden, bis dass die Eigenschwingungen abgeklungen sind.
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Aus der
DE 83 23 551 ist eine Tastnadel bekannt, welche ein Innenrohr und ein Außenrohr umfasst, wobei das Innenrohr und das Außenrohr mittels einer Epoxidharzmasse miteinander verklebt sind. Die in der
DE 83 23 551 offenbarte Tastnadel dient zum Vermessen von Werkstücken, weshalb sie am freien Ende einen beispielsweise kugelförmigen Antastformkörper aufweist, mit dem sie am zu vermessenden Werkstück entlang fährt. Die in der
DE 83 23 551 offenbarte Tastnadel ist deutlich kürzer als diejenigen, welche zur Prüfung daraufhin verwendet werden, ob der zu überwachende Gegenstand vorhanden oder richtig positioniert ist. Das Problem der Eigenschwingungen, welches infolge der raschen Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge auftritt, spielt beim Vermessen von Werkstücken keine Rolle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Tastnadel bereitzustellen, bei welcher rasche Abbremsvorgänge geringe oder keine Eigenschwingungen verursachen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1, sowie durch eine Tastnadel nach Patentanspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen von Werkzeugen an Werkzeugmaschinen oder zum mechanischen Abtasten von Werkstücken weist eine Tastnadel auf, welche als ein Metallrohr ausgebildet und von einem Außengehäuse ummantelt ist, wobei das Außengehäuse aus einem faserverstärktem Kunststoff besteht oder diesen umfasst.
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Mit einer Kombination der Werkstoffe Metall für die Tastnadel und faserverstärkter Kunststoff für das Außengehäuse können auftretende Eigenschwingungen von der Tastnadel direkt auf die Ummantelung geleitet werden und von dem Außengehäuse rasch gedämpft und absorbiert werden. Der Kunststoff kann insbesondere glas- oder kohlefaserverstärkt sein, wodurch eine besonders effektive Absorption der Eigenschwingungen erreicht werden kann. Derartige Kunststoffe haben die Eigenschaft, dass sie bei ausreichender Härte, hoher Stabilität und Steifigkeit bei geringem Gewicht die Eigenschwingungen der Tastnadel gut absorbieren können. Zudem lässt sich eine als Metallrohr ausgebildete Tastnadel besonders einfach herstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Außengehäuse einen polygonen oder elliptischen Querschnitt auf. Nicht nur mit der Wahl des Materials des Außengehäuses, sondern auch mit der Wahl des Querschnitts kann die Absorptionswirkung des Außengehäuses auf die Eigenschwingungen beeinflusst werden. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Absorptionswirkung mit elliptischen und polygonen Querschnitten besonders effektiv steigern lassen.
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Eine weitergebildete Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Außengehäuse zumindest eine Innenfläche aufweist, mit welcher das Außengehäuse an der Tastnadel anliegt. Auch durch diese Maßnahme lässt sich die Absorptionswirkung auf die Eigenschwingungen auf einfache Weise steigern. Zudem lässt sich die Position der Tastnadel relativ zum Außengehäuse durch die anliegenden Innenflächen gut festlegen.
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Weiterhin weist die Tastnadel eine Länge von 300 bis 1200 mm und insbesondere von 400 bis 600 mm auf. Aufgrund dieses Längenbereichs kann die Vorrichtung ausreichend weit von dem zu überwachenden Gegenstand entfernt angeordnet werden, so dass die Vorrichtung beispielsweise die Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine nicht stört. Mit zunehmender Länge sinken aber die Biegesteifigkeit und die an der Tastnadel angreifenden Biegemomente. Diese lassen sich aber innerhalb des angegebenen Längenbereichs insbesondere aufgrund des Außengehäuses gut beherrschen, so dass die Eigenschwingungen gering gehalten und sehr gute Messergebnisse erzielt werden können.
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Vorteilhafterweise weist die Tastnadel an ihrem vorderen Ende eine Tastplatte auf. Dadurch können, insbesondere beim Abtasten oder Vermessen von spitzen Werkzeugen oder Werkstücken Ortsabweichungen in Ebenen senkrecht zur Schwenkebene ausgeglichen werden, so dass die Tastnadel den zu vermessenden spitzen Gegenstand nicht verfehlen kann. Zudem können mittels der Tastplatte unterschiedliche Längen der Werkzeuge ausgeglichen werden. Auch wenn die Werkzeuge auf unterschiedliche Positionen der Tastplatte treffen, wird hierdurch das Messergebnis nicht negativ beeinflusst.
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Die Tastplatte weist gemäß einer Ausgestaltung eine Länge von 80 bis 450 mm und insbesondere von 100 bis 150 mm auf. Auch hier gilt, dass die auf die Tastnadel wirkenden Biegemomente bei einer derartigen Länge der Tastplatte und die damit einhergehenden Eigenschwingungen gut beherrschbar sind, so dass ausreichend genaue Messergebnisse erzielt werden können.
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An ihrem hinteren Ende weist die Tastnadel vorzugsweise einen Verdrehschutz auf, so dass sie verdrehsicher in einer Aufnahme beispielsweise in den Nadelhalter des Tastkopfes aufgenommen werden kann. Die Aufnahme kann dabei ein Gegengewicht aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist entweder die Tastnadel an ihrem hinteren Ende, oder am Verdrehschutz an einem Gegengewicht befestigt oder mit einem Gegengewicht verbunden. Das Gegengewicht sorgt dafür, dass unabhängig von der Winkellage der Tastnadel immer dasselbe Moment auf die Antriebseinrichtung wirkt.
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Das Außengehäuse ist in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen dem Verdrehschutz und der Tastplatte um die Tastnadel herum angeordnet. Auf diese Weise stört das Außengehäuse nicht beim Vermessen des zu vermessenden Gegenstands.
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Das Außengehäuse, das um die Tastnadel herum angeordnet ist, kann eine im Querschnitt beliebige Form aufweisen. Es ist jedoch vorzugsweise im Querschnitt quadratisch ausgebildet, und besonders bevorzugt um die Tastnadel herumgeklebt. Das Außengehäuse kann natürlich auch eine fünfeckige, sechseckige oder andere polygonale Form im Querschnitt aufweisen oder es kann im Querschnitt auch rund oder oval sein. Auch rechteckige oder dreieckige Außengehäusequerschnitte sind denkbar.
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An zumindest einer seiner Randbegrenzungen weist das Außengehäuse jedoch vorteilhafterweise eine die Tastnadel umlaufende Klebestelle auf. Umlaufende Klebestellen an den Randbegrenzungen des Außengehäuses haben den Vorteil, dass durch sie Eigenschwingungen der Tastnadel besonders gut aufgenommen und gedämpft werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die umlaufenden Klebestellen dort befinden, wo die Tastnadel die größten Eigenschwingungsauslenkungen erfährt.
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Die Tastnadel der Vorrichtung ist vorzugsweise an einem mit einer Welle verbundenen Tastkopf, so befestigt, dass, wenn sich die Welle um ihre Längsachse dreht, die Tastnadel quer, vorzugsweise senkrecht, zur Längsachse der Welle geschwenkt wird. Die erfindungsgemäße Tastnadel in einer taktilen Vorrichtung ist vorteilhafterweise austauschbar und von einem Außengehäuse ummantelt oder umgeben. Um unerwünschte Eigenschwingungen zu dämpfen kann die Tastnadel rohrförmig ausgebildet sein und im Inneren des Rohres auch noch ein Dämpfungsmedium, beispielsweise eine Dämpfungsflüssigkeit aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Gleiche Elemente in den Figuren sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend verwendete Bezeichnungen, wie oben, unten, links und rechts und Ähnliches beziehen sich auf die Figuren und sollen in keiner Weise einschränkend sein, auch dann nicht, wenn sie sich auf bevorzugte Ausführungsformen beziehen. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 1 entlang einer Achse A-A,
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3 eine weitere Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 1 entlang der Achse A-A,
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4 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 1 senkrecht zur Achse A-A entlang der Schnittlinie B-B.
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1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in perspektivischer Darstellung. Eine als Metallrohr ausgebildete Tastnadel 2 ist von einem Außengehäuse 4 umhüllt. An einem hinteren Ende 6 ist die Tastnadel 2 mit einem Verdrehschutz 8 versehen. An dem vorderen Ende 10 ist die Tastnadel 2 mit einer Tastplatte 12 verbunden. Der Verdrehschutz 8 ist in einer Aufnahme 14 eines Gegengewichts 16 aufgenommen und mit dem Gegengewicht 16 verbunden. Das Außengehäuse 4 weist eine Bohrung 18 auf, die senkrecht zur Aufnahme 14 verlaufend im Außengehäuse 4 angeordnet ist und der Befestigung der Tastnadel 2 an einer nicht dargestellten beweglichen Welle dient.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entlang der Schnittlinie A-A. Das Außengehäuse 4 weist eine hintere Wandbegrenzung 20 auf, die sich an den Verdrehschutz 8 anschließt. Eine vordere Wandbegrenzung 22 des Außengehäuses 4 schließt sich an die Tastplatte 12 an.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entlang der Achse A-A in einer um 90° gegenüber der Darstellung aus 2 um die Achse A-A gedrehten Darstellung. Die Bohrung 18 verläuft senkrecht zur Achse A-A und durchdringt das Außengehäuse 4 an einer Stelle, so dass das Außengehäuse 4 fest mit dem Verdrehschutz 8 verbunden ist. Eine beweglichen Welle wird über eine Klemmvorrichtung mit dem Verdrehschutz 8 verbunden. Das Außengehäuse 4 weist an seiner hinteren Randbegrenzung 20 eine hintere Klebestelle 24 und an seiner vorderen Randbegrenzung 22 eine vordere Klebestelle 26 auf. Die Klebestellen 24, 26 sind umlaufend um die Tastnadel 2 herum ausgebildet und befestigen das Außengehäuse 4 an der Tastnadel 2. Unmittelbar an die vordere Klebestelle 26 schließt sich die mit der Tastnadel 2 verbundene Tastplatte 12 an. Die hintere Klebestelle 24 schließt sich direkt an den Verdrehschutz 8 an, der in der Aufnahme 14 des Gegengewichts 16 aufgenommen ist.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entlang einer Schnittlinie B-B, senkrecht zur Achse A-A. Die Tastnadel 2 ist von dem Außengehäuse 4 umhüllt, das vorliegend im Querschnitt senkrecht zur Achse A-A quadratisch ausgebildet ist. Das Außengehäuse 4 liegt dabei an der Tastnadel 2 so an, dass jede der vier Innenflächen 30 des Außengehäuses 4 die Tastnadel 2, vorzugsweise entlang einer Linie, berührt. Die Tastnadel 2 ist rohrförmig ausgebildet und weist einen Rohrinnenraum 28 auf, der zusätzlich mit einem weiteren Dämpfungsmedium gefüllt sein kann. Um mögliche Eigenschwingungen der Tastnadel 2 noch besser zu dämpfen, könnte das Außengehäuse 4 auch beispielsweise fünfeckig, siebeneckig, dreieckig oder neuneckig ausgebildet sein und entlang jeder seiner polygonalen Innenflächen 30 an der Tastnadel 2 anliegen (nicht dargestellt). Ist das Außengehäuse 4 als ein im Querschnitt ungeradzahliges Polygon ausgebildet, so werden Eigenquerschwingungen der Tastnadel 2 immer über wenigstens drei Flächen des Außengehäuses 4 gedämpft und dadurch besser abgeleitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Tastnadel, Metallrohr
- 4
- Außengehäuse
- 6
- hinteres Ende
- 8
- Verdrehschutz
- 10
- vorderes Ende
- 12
- Tastplatte
- 14
- Aufnahme
- 16
- Gegengewicht
- 18
- Bohrung
- 20
- hintere Randbegrenzung
- 22
- vordere Randbegrenzung
- 24
- hintere Klebestelle
- 26
- vordere Klebestelle
- 28
- Rohrinnenraum
- 30
- Innenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10218315 A1 [0004]
- EP 0618521 B1 [0005]
- DE 3003431 C2 [0006]
- DE 4310872 C2 [0007]
- US 6130516 [0007, 0007]
- DE 8323551 [0009, 0009, 0009]
