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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Taststift für ein Koordinatenmessgerät. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung einen Taststift, welcher mit einem Rauheitssensor kombiniert ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät, bei dem ein solcher Taststift eingesetzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messverfahren, bei dem der erfindungsgemäße Taststift zum Einsatz kommt.
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Taststifte werden in der dimensionellen Messtechnik zur taktilen Abtastung einer Werkstückoberfläche verwendet, um die Form der Werkstückoberfläche zu bestimmen. Solche Taststifte weisen einen Auslegerarm auf, an dessen Ende eine Tastkugel, welche üblicherweise aus Rubin hergestellt ist, angeordnet ist. Ebenso existieren diverse Beispiele von Taststiften mit mehreren Tastkugeln, welche an mehreren, quer zueinander angeordneten Auslegerarmen angeordnet sind.
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Rauheitssensoren dienen dagegen zur Vermessung der Rauheit einer Werkstückoberfläche. Neben mechanisch arbeitenden Rauheitssensoren existieren auch optische Rauheitssensoren, die die Rauheit der Werkstückoberfläche optisch, also berührungslos, erfassen. Mechanische Rauheitssensoren weisen üblicherweise eine federgelagerte Rauheitsnadel auf, deren Auslenkung gemessen wird, während sie über die Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Ein Rauheitssensor dieser Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 209 193 A1 bekannt.
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Da die Rauheit ein Merkmal ist, das neben Form und Lage an einem Werkstück häufig gemessen werden muss, haben sich mittlerweile Koordinatenmessgeräte etabliert, bei denen sowohl Taststifte zur Messung der Form und Lage des Werkstücks als auch Rauheitssensoren zur Vermessung der Rauheit der Werkstückoberfläche zum Einsatz kommen. Ähnlich wie die Taststifte werden die Rauheitssensoren in diesen Koordinatenmessgeräten meist als eigenständige Geräte, z.B. mit Hilfe einer Wechselschnittstelle, an dem Messkopf des Koordinatenmessgeräts eingewechselt.
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Beispielsweise wird bei der Vermessung eines Werkstücks also zunächst ein Taststift an der Wechselschnittstelle des Messkopfes montiert, um die Form des zu vermessenden Werkstücks zu bestimmen. Anschließend wird der Taststift ausgewechselt und stattdessen ein Rauheitssensor am Messkopf des Koordinatenmessgeräts montiert, um die Oberflächenrauheit einzelner Oberflächen des Werkstücks zu messen. So lässt sich, z.B. im Rahmen einer Qualitätssicherung, ein Werkstück überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sog. „Reverse Engineering“ ermitteln.
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Nachteilig an dem oben genannten Vorgehen sind allerdings die Wechselvorgänge, welche zwischen Form- und Rauheitsmessungen notwendig sind. Dies ist zeitaufwendig und führt somit zu erhöhten Produktionskosten für die Anwender solcher Maschinen. Dies ist insbesondere in Zeiten fortschreitender Digitalisierung und dem immer fortschreitenden Trend zur Erfassung von mehr und mehr Daten an Werkstücken kaum hinnehmbar. Werkstücke werden häufig nicht mehr sofort bezüglich einer bestehenden Norm ausgewertet, sondern erst im Ernstfall bei einem Versagen eines Bauteils zurückgerufen, um dann vollständig vermessen und analysiert zu werden. Hierbei entstehen u.a. Fragen nach bestimmten Merkmalen von Werkstücken erst aufgrund des aufgetretenen Fehlers und dem Unterschied zu Werkstücken, bei denen keine Fehler auftreten. Mit klassischen Form- und Rauheitsmessgeräten ist zwar die Messung und Auswertung der Form und Rauheit der Oberflächen nach genormten Verfahren heute schon möglich. Dies ist aber sehr ineffizient und umständlich, vor allem wenig flexibel.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche die oben genannten Nachteile überwindet. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche die Flexibilität bei der Form- und Rauheitsmessung eines Werkstücks erhöht und damit eine Zeitersparnis bei einer derartigen Vermessung des Werkstücks ermöglicht. Form- sowie Rauheitsmessungen eines Werkstücks sollten mit möglichst geringem Zusatzaufwand miteinander kombinierbar sein.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch einen Taststift gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieser Taststift weist einen Auslegerarm und eine an dem Auslegerarm befestigte Tastkugel auf. Des Weiteren weist der Taststift einen Rauheitssensor zur Messung einer Oberflächenrauheit auf, wobei zumindest ein Teil des Rauheitssensors im Inneren des Auslegerarms des Taststifts angeordnet ist, wobei der Auslegerarm in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in dem der Rauheitssensor angeordnet ist, und wobei der Auslegerarm einen kleineren Durchmesser hat als die Tastkugel.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch einen Taststift gemäß Anspruch 2 gelöst. Dieser Taststift weist einen Auslegerarm und eine an dem Auslegerarm befestigte Tastkugel auf. Des Weiteren weist der Taststift einen Rauheitssensor zur Messung einer Oberflächenrauheit auf, wobei zumindest ein Teil des Rauheitssensors im Inneren des Auslegerarms des Taststifts angeordnet ist, wobei der Auslegerarm entlang seiner Längsachse einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Abschnitt, und wobei der Rauheitssensor in dem ersten Abschnitt angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät gelöst, welches einen Tastkopf aufweist, an dem ein Taststift der oben genannten Art angekoppelt ist.
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Die vorliegende Erfindung geht also mit anderen Worten von einem Taststift aus, in dessen Auslegerarm ein Rauheitssensor unmittelbar und direkt integriert ist. Mit diesem Taststift lässt sich also sowohl die Form des Werkstücks abtasten (wie mit einem üblichen daher vielseitig einsetzbar, ohne dass es eines Wechsels zwischen Taststift und Rauheitssensor am Messkopf des Koordinatenmessgeräts bedarf.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich der in den Taststift integrierte Rauheitssensor, im Gegensatz zu den üblicherweise sonst sehr sperrig ausgeführten Rauheitssensoren aus dem Stand der Technik, sehr einfach mit dem Messkopf eines Koordinatenmessgeräts bewegen lässt, wie dies üblicherweise bei dem meist sehr platzsparend ausgeführten, taktilen Taststiften der Fall ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise auch die Rauheit einer Oberfläche in einer sehr engen Bohrung eines Werkstücks ohne weiteres bestimmen.
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Der Hauptvorteil besteht jedoch unzweifelhaft darin, dass sich der erfindungsgemäße Taststift je nach Messaufgabe entweder als herkömmlicher taktiler Taststift oder als Rauheitsmessgerät einsetzen lässt. Der erfindungsgemäße Taststift stellt also ein Kombimessgerät dar, welches in handelsüblichen Koordinatenmessgeräten zum Einsatz kommen kann, ohne dass die bestehende Messsensorik, Mechanik und Verkabelung des Koordinatenmessgeräts verändert werden muss. Mit diesem Kombimessgerät lassen sich Gestaltabweichungen der ersten, zweiten, dritten und vierten Ordnung messen. Formabweichungen, also Gestaltabweichungen der ersten Ordnung, lassen sich mit der Tastkugel messen. Welligkeiten, also Gestaltabweichungen der zweiten Ordnung, lassen sich durch die Tastkugel und den Rauheitssensor unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Tastkugel und Rauheitssensor messen. Die Oberflächenrauheit, also Abweichungen der dritten und vierten Ordnung, lässt sich mit Hilfe des Rauheitssensors messen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abstand zwischen der Tastkugel und dem Rauheitssensor kleiner als ein Fünftel der Gesamtlänge des Auslegerarms. Vorzugsweise ist dieser Abstand sogar kleiner als ein Sechstel, kleiner als ein Siebtel, kleiner als ein Achtel, kleiner als ein Neuntel oder sogar kleiner als ein Zehntel der Gesamtlänge des Auslegerarms. Besonders bevorzugt ist der Rauheitssensor direkt neben der Tastkugel positioniert.
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Der Rauheitssensor ist vorzugsweise sehr nah an der Tastkugel des Taststifts positioniert. Dies führt im Wesentlichen zu dem Vorteil, dass Kraftschwankungen auf die Tastkugel nahezu keine Auswirkungen auf das Messergebnis der Rauheitsmessungen haben. Hierdurch kann eine enorme Messgenauigkeit realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Auslegerarm in seinem Inneren einen Hohlraum auf, in dem der Rauheitssensor angeordnet ist.
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Der Rauheitssensor ist also von außen kaum sichtbar. Durch die hohle Ausführung des Auslegerarms kann der Rauheitssensor sehr platzsparend untergebracht werden. Die Gesamtabmessungen des Taststifts müssen sich also nicht zwangsläufig von den Gesamtabmessungen eines handelsüblichen Taststifts (ohne integrierten Rauheitssensor) unterscheiden. Der erfindungsgemäße Taststift ist daher sehr flexibel einsetzbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Auslegerarm entlang seiner Längsachse einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Abschnitt, und wobei der Rauheitssensor in dem ersten Abschnitt angeordnet ist. Der erste Abschnitt ist vorzugsweise näher an der Tastkugel angeordnet als der zweite Abschnitt.
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Der vorzugsweise hohl ausgeführte Auslegerarm ist gemäß dieser Ausgestaltung also nur nahe der Tastkugel etwas verdickt ausgeführt, um an dieser Stelle den Rauheitssensor im Inneren des Auslegerarms unterbringen zu können. Nichtsdestotrotz ist der Durchmesser des Auslegerarms auch im ersten Abschnitt kleiner ausgeführt als der Durchmesser der Tastkugel. Die Tastkugel ist vorzugsweise an einem stirnseitigen Ende des Auslegerarms befestigt. Entfernt von der Tastkugel ist der Durchmesser des Auslegerarms vorzugsweise wesentlich kleiner, damit keine ungewollten Berührungen des Auslegerarms mit dem Werkstück beim Messen tiefer Bohrungen auftreten. Der erfindungsgemäßeTaststift lässt sich daher trotz der Verdickung im zweiten Abschnitt des Auslegerarms wie ein handelsüblicher Taststift einsetzen, ohne dass Kollisionen mit dem Werkstück beim Antasten der Tastkugel zu befürchten sind.
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Der in dem erfindungsgemäßen Taststift integrierte Rauheitssensor kann entweder als optischer Sensor oder als taktiler Sensor ausgestaltet sein. Im Falle eines optischen Sensors kann dieser beispielsweise einen konfokalen Weißlichtsensor aufweisen, mit Hilfe dessen die Oberflächenrauheit eines Werkstücks berührungslos messbar ist. Im Falle eines taktilen Sensors weist dieser vorzugsweise eine beweglich gelagerte Rauheitsnadel auf. Diese Rauheitsnadel, welche die Oberfläche des Werkstücks taktil abtastet, ist üblicherweise mit einer Diamantspitze versehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Rauheitssensor als taktiler Sensor ausgestaltet, wobei die Rauheitsnadel mit einem Hebelarm verbunden ist, welcher im Inneren des Auslegerarms angeordnet ist und über ein Gelenk oder eine Feder schwenkbar mit dem Auslegerarm gekoppelt ist. Der Hebelarm des Rauheitssensors kann beispielsweise über eine Blattfeder mit dem Auslegerarm des Taststifts gekoppelt sein, wobei diese Art der Aufhängung vorzugsweise lediglich eine Schwenk- bzw. Drehbewegung des Hebelarms gegenüber dem Auslegerarm zulässt. Der Hebelarm ist vorzugsweise länglich ausgeführt, so dass die Länge des Hebelarms zu einer nahezu senkrechten Bewegung der Rauheitsnadel bei einer Abtastung der Werkstückoberfläche führt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Rauheitssensor einen Auslenkungssensor zur Messung einer Auslenkung des Hebelarms auf. Dieser Auslenkungssensor weist vorzugsweise eine Gabellichtschranke auf.
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Im Gegensatz zu handelsüblichen Rauheitssensoren, bei denen der Auslenkungssensor üblicherweise sehr weit von der Rauheitsnadel beabstandet ist, kann eine solche Gabellichtschranke sehr nah an der Rauheitsnadel positioniert werden. Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen der Rauheitsnadel und dem Auslenkungssensor (z.B. der Gabellichtschranke) kleiner als ein Fünftel eines Abstandes zwischen der Rauheitsnadel und dem Gelenk bzw. der Feder, um welches bzw. um welche der Hebelarm schwenkbar ist. Kraftschwankungen auf die Tastkugel oder Verformungen des Auslegerarms des Taststiftes haben somit nahezu keine Auswirkung auf das Messergebnis der Rauheitsmessung. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Rauheitsnadel und dem Auslenkungssensor (z.B. der Gabellichtschranke) sogar kleiner als ein Sechstel, kleiner als ein Siebtel, kleiner als ein Achtel, kleiner als ein Neuntel oder sogar kleiner als ein Zehntel des Abstandes zwischen der Rauheitsnadel und dem Gelenk bzw. der Feder.
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Bei handelsüblichen Rauheitssensoren werden üblicherweise Differenzialtransformatoren als Messeinrichtung eingesetzt, die sehr weit von der Rauheitsnadel beabstandet sind. Somit führen Biegungen, welche zwischen der Rauheitsnadel und dem Auslenkungssensor (Differenzialtransformator) auftreten, bei solchen Geräten zu nicht unerheblichen und nicht erkennbaren Messfehlern. Derartige Messfehler können bei der hier vorgeschlagenen Konstruktion des Auslenkungssensors nahe der Rauheitsnadel nicht auftreten.
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Zudem ist die Messung mit Hilfe einer Gabellichtschranke sehr viel einfacher und kann bei einer höheren Frequenz erfolgen, da bei einem ansonsten üblicherweise verwendeten Differenzialtransformator die Auswerteelektronik erst nach einer Filterung des aus einer Sinusspannung gewonnenen Nutzsignales eine Verarbeitung vornehmen kann. Bei der Verwendung einer Gabellichtschranke verhält sich der Lichtstrom dagegen unmittelbar proportional zur Auslenkung des Hebelarms bzw. der Rauheitsnadel. Die Auswertung der Signale der Gabellichtschranke und die darauf basierende Bestimmung der Position der Rauheitsnadel gegenüber dem Taststift gestaltet sich daher relativ einfach und kann dennoch sehr genau erfolgen. Zudem kann eine Gabellichtschranke sehr kompakt ausgeführt sein, so dass der gesamte Auslenkungssensor im Inneren des Auslegerarms des Taststifts angeordnet sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Rauheitssensor eine Steuereinheit zur Steuerung des Rauheitssensors und zur Auswertung der Signale des Rauheitssensors auf, wobei die Steuereinheit in dem Taststift, vorzugsweise im Inneren des Auslegerarms des Taststiftes, angeordnet ist.
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Durch die Anordnung der Steuereinheit des Rauheitssensors im Inneren des Taststiftes ist es möglich, die Rauheitsdaten den Mess- und Positionsdaten des Koordinatenmessgeräts zuzuordnen, da sich die Steuereinheit in der Nähe der Rauheitsnadel befindet und sich somit mit dem Taststift bewegt bzw. reorientiert wird. Es ist also relativ einfach möglich, die Welligkeit zu ermitteln, da sich dieser Wert je nach Beschaffenheit der Werkstückoberfläche nur aus den Werten der Formmessung mit der Tastkugel in Verbindung mit den Ergebnissen der Rauheitsnadel berechnen lassen. Die Anbindung der Steuerung an die Auswerte- und Steuereinheit des Koordinatenmessgeräts kann über eine Drahtverbindung zwischen Taststift und Messkopf des Koordinatenmessgeräts erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich der Hebelarm des Rauheitssensors im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung, wobei der Rauheitssensor einen Bewegungsaktor aufweist, mit Hilfe dessen der Hebelarm quer zu der Längsrichtung aktiv bewegt werden kann.
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Dieser Bewegungsaktor kann dazu eingesetzt werden, die Rauheitsnadel aus dem Taststift auszufahren oder in diesen wieder einzufahren. Sofern der Rauheitssensor nicht benötigt wird, kann die Rauheitsnadel vorzugsweise vollständig in den hohl ausgeführten Auslegerarm des Taststifts eingefahren werden. Die Messung von Formabweichungen mit Hilfe der Tastkugel wird durch die Rauheitsnadel also nicht beeinflusst und die Rauheitsnadel selbst wird dabei nicht beschädigt. Mit Hilfe des Bewegungsaktors wird die Rauheitsnadel nur bei Bedarf, also zur Rauheitsmessung, ausgefahren.
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Zum anderen lässt sich der Bewegungsaktor dazu einsetzen, die Rauheitsnadel aktiv anzusteuern, um die Kraft, mit der die Rauheitsnadel bei einer Messung gegen die Werkstückoberfläche gedrückt wird, aktiv regeln zu können.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Bewegungsaktor eine Spule und ein an dem Hebelarm des Rauheitssensors angeordnetes ferromagnetisches Element auf.
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Der Bewegungsaktor kann beispielsweise in der Art eines Reed-Kontaktes ausgeführt sein. Beispielsweise kann ein ferromagnetisches Element an der Spule befestigt sein und das andere an dem Hebelarm befestigt sein. Wird die Spule nun bestromt, ziehen sich die beiden ferromagnetischen Elemente an, so dass die Rauheitsnadel aus dem Auslegerarm des Taststiftes ausfährt. Schaltet man den Strom wieder ab, so geht die Rauheitsnadel wieder in die geschützte Position innerhalb des Taststiftes zurück. Zur weiteren Platzersparnis ist vorzugsweise auch der Bewegungsaktor im Inneren des Auslegerarms des Taststiftes angeordnet.
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Wie eingangs bereits erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, bei dem der erfindungsgemäße Taststift zum Einsatz kommt, nämlich ein Messverfahren mit den folgenden Schritten: (i) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Taststifts; (ii) Antasten des Messobjekts mit dem Taststift; und (iii) Auswertung von Form, Lage und Oberflächenrauheit des Messobjekts anhand der Antastung. Vorzugsweise erlaubt dieses Verfahren die gleichzeitige Auswertung von Form, Lage, Welligkeit und Oberflächenrauheit mit nur einer Antastung.
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Es versteht sich, dass sich die oben genannten Ausgestaltungen und die in den Ansprüchen definierten Merkmale nicht nur auf den Taststift selbst, sondern sich auch auf das beanspruchte Koordinatenmessgerät mit einem solchen Taststift und das Messverfahren beziehen. Des Weiteren versteht es sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Koordinatenmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Taststiftes gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Ansicht von oben;
- 3 das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Taststiftes in einer Ansicht von unten;
- 4 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Details des in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Taststiftes in einer ersten Stellung;
- 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Details des in den 2-4 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Taststiftes in einer zweiten Stellung;
- 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Details eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Taststiftes in einer ersten Stellung; und
- 7 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Details des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Taststiftes in einer zweiten Stellung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgerätes, bei dem der erfindungsgemäße Taststift zum Einsatz kommen kann. Das Koordinatenmessgerät ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Koordinatenmessgerät 10 weist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Basis 12 auf, auf der ein Portal 14 in Längsrichtung verschieblich angeordnet ist. Bei der Basis 12 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Das Portal 14 dient als bewegliche Trägerstruktur für einen Messkopf 26. Es weist zwei Säulen und einen quer dazu, auf den Säulen angeordneten Querträger auf.
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Die Bewegungsrichtung des Portals 14 relativ zu der Basis 12 wird üblicherweise als Y-Richtung bezeichnet. Am oberen Querträger des Portals 14 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in Querrichtung verschieblich ist. Diese Querrichtung wird üblicherweise als X-Richtung bezeichnet. Der Schlitten 16 trägt eine Pinole 18, die in Z-Richtung, also senkrecht zu der Basis 12, verfahren werden kann.
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Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Messeinrichtungen bezeichnet, anhand derer die Positionen des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 20, 22, 24 um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 14 relativ zu der Basis 12, die Position des Schlittens 16 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 14 und die Position der Pinole 18 relativ zu dem Schlitten 16 zu bestimmen.
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Der Messkopf 26, welcher häufig auch als Tastkopf bezeichnet wird, ist an dem unteren, freien Ende der Pinole 18 angeordnet. An dem Messkopf 26 lässt sich ein Sensor bzw. Messwerkzeug 30 lösbar ankoppeln. Der Sensor 30 ist gemäß der vorliegenden Erfindung als Taststift ausgestaltet. Mit Hilfe dieses Taststifts 30 lässt sich ein Werkstück 28 abtasten, um dessen Form und Oberflächenrauheit zu bestimmen.
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Zwischen dem Taststift 30 und dem Messkopf 26 kann ein Dreh-Schwenk-Mechanismus (hier nicht dargestellt) angeordnet sein, mit Hilfe dessen sich die räumliche Orientierung des Taststiftes 30 gegenüber dem Messkopf 26 ändern lässt. Ein solcher Dreh-Schwenk-Mechanismus weist beispielsweise ein oder mehrere Gelenke auf, mit Hilfe derer der Taststift 30 um eine, zwei oder mehr Achsen gedreht und/oder geschwenkt werden kann.
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Zwei Ausführungsbeispiele eines Taststiftes 30, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, sind in den 2-7 gezeigt. Der Taststift 30 ist als taktiler Taststift ausgestaltet, an dessen freien Ende eine Tastkugel 29 angeordnet ist. Diese Tastkugel 29 dient dazu, einen Messpunkt an einem Messobjekt bzw. Werkstück 28 anzutasten. Die Tastkugel 29 ist vorzugsweise aus einer Rubinkugel hergestellt. Sie muss jedoch nicht zwangsläufig als komplette Kugel ausgestaltet sein, sondern kann in gewissen Anwendungsfällen auch nur als Teilkugel ausgestaltet sein. Der Begriff „Tastkugel“ soll daher nicht zwangsläufig eine vollständige Kugel implizieren.
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Mit Hilfe der Messeinrichtungen 20, 22, 24 lässt sich die Position des Messkopfes 26 innerhalb des Messvolumens beim Antasten eines Messpunktes bestimmen. Die aktuelle Dreh- und Schwenkposition des Taststiftes 30 und damit die Position der Tastkugel 29 relativ zu dem Messkopf 26 lässt sich über eine geeignete Sensorik bestimmen, die in dem Messkopf 26 angeordnet ist. Bei dem Messkopf 26 kann es sich beispielsweise um einen Messkopf aus der von der Anmelderin vertriebenen VAST-Produktgruppe handeln. Die genannten Positions- und Lageinformationen werden in einer Steuereinheit 32 zusammengeführt, die dann die aktuellen Raumkoordinaten des jeweiligen Messpunktes an dem zu vermessenden Werkstück 28 bestimmt.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 32 dient einerseits dazu, die Messwerte aus den Messeinrichtungen 20, 22, 24 und dem Messkopf 26 einzulesen und in Abhängigkeit dessen die Raumkoordinaten eines Messpunktes zu bestimmen. Andererseits dient die Auswerte- und Steuereinheit 32 dazu, die motorischen Antriebe für die Bewegung des Messkopfes 26 und dem daran eventuell angeordneten Dreh-Schwenk-Mechanismus samt Taststift 30 entlang der drei Koordinatenachsen X, Y und Z anzusteuern. Ebenso ist die Auswerte- und Steuereinheit 32 gemäß der vorliegenden Erfindung auch dazu ausgestaltet, die von dem erfindungsgemäßen Taststift 30 erfassten Informationen bezüglich der Oberflächenrauheit des Messobjekts 28 auszuwerten.
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Mit der Bezugsziffer 34 ist ein Bedienpult bezeichnet, das optional vorgesehen sein kann, um den Messkopf 26 mit dem daran angeordneten Taststift 30 manuell zu verfahren. Es sei darauf hingewiesen, dass in 1 lediglich beispielhaft ein Koordinatenmessgerät 10 in Portalbauweise erläutert ist. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung aber auch bei Koordinatenmessgeräten in Ausleger-Brücken- oder Ständerbauweise zum Einsatz kommen. Je nach Bauart des Koordinatenmessgerätes 10 lässt sich die Relativbewegung von Basis 12 und Taststift 30 entlang einer, zweier oder aller drei Raumrichtungen auch durch eine Verfahrbarkeit der Basis bzw. Werkstückaufnahme 12 realisieren.
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Die 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taststifts 30 in einer Ansicht von oben sowie in einer Ansicht von unten. Wie insbesondere aus 3 und der in 4 gezeigten Schnitt- bzw. Halbschnittansicht ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße Taststift 30 nicht nur eine für taktile Taststifte übliche Tastkugel 29, sondern auch einen Rauheitssensor 36 auf, welcher in den Taststift 30 integriert ist. Genauer gesagt ist der Rauheitssensor 36 innerhalb des Auslegerarms 38 angeordnet, an dessen freien Ende die Tastkugel 29 befestigt ist. Der Auslegerarm 38 ist vorzugsweise zumindest teilweise hohl ausgestaltet und kann, wie in 3 gezeigt, nach unten hin geöffnet sein.
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Der Rauheitssensor 36 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als taktiler Rauheitssensor ausgestaltet. Er weist eine Rauheitsnadel 40 auf, welche vorzugsweise eine Diamantspitze hat. Diese Rauheitsnadel 40 berührt das zu vermessende Werkstück bzw. Messobjekt 28 während der Rauheitsmessung und gleitet über dessen Oberfläche ab. Um die Rauheit des Messobjektes 28 erfassen zu können, ist die Rauheitsnadel eines Rauheitssensors üblicherweise schwenkbar oder federnd gelagert. So ist auch die in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel des Rauheitssensors 36 vorhandene Rauheitsnadel 40 über einen Hebelarm 42 schwenkbar gelagert. Der Hebelarm 42 ist vorzugsweise über ein Gelenk oder eine Feder 44 mit dem Auslegerarm 38 des Taststiftes 30 verbunden. Da der Hebelarm 42 vergleichsweise lang gewählt ist und die zu erwartenden Auslenkungen der Rauheitsnadel 40 sehr klein sind, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Rauheitsnadel 40 während einer Rauheitsmessung näherungsweise senkrecht zu der Werkstückoberfläche des zu vermessenden Werkstücks 28 bewegt.
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Die Auslenkungen der Rauheitsnadel 40 werden über einen Auslenkungssensor 46 gemessen. Genauer gesagt dient dieser Auslenkungssensor 46 in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel dazu, die Auslenkungen des Hebelarms 42 des Rauheitssensors 36 zu messen.
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Ferner weist der Rauheitssensor 36 noch einen Bewegungsaktor 48 auf, mit Hilfe dessen sich der Hebelarm 42 quer zu dessen Längsrichtung aktiv bewegen lässt. Der Bewegungsaktor 48 lässt sich somit also zur aktiven Bewegung der Rauheitsnadel 40 einsetzen. Der Bewegungsaktor 48 ermöglicht eine Bewegung der Rauheitsnadel 40 im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 28. Zum einen lässt sich der Bewegungsaktor 48 dazu nutzen, die Rauheitsnadel 40 aus dem Inneren des Auslegerarms 38 des Taststiftes 30 auszufahren, wenn dieser für eine Rauheitsmessung benutzt werden soll, oder umgekehrt, um die Rauheitsnadel 40 wieder in den Auslegerarm 38 einzufahren, solange keine Rauheitsmessungen stattfinden soll. Der eingefahrene Zustand ist in 4 gezeigt. Hierbei ist die Rauheitsnadel 40 im Inneren des Auslegerarms 38 vor Beschädigungen geschützt. Der ausgefahrene Zustand der Rauheitsnadel 40 ist dagegen in 5 gezeigt.
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Abgesehen von der Aus- bzw. Einfahrfunktion lässt sich der Bewegungsaktor 48 auch dazu einsetzen, die Kraft, mit der die Rauheitsnadel 40 während einer Messung gegen die Oberfläche des Werkstücks 28 gedrückt wird, aktiv zu regeln. Somit kann sowohl die Position als auch die Kraft der Rauheitsnadel 40 aktiv geregelt werden, was z.B. bei einer wie in 5 gezeigten Antastung des Werkstücks 28 mit der Tastkugel 29 und der Rauheitsnadel 40 wichtig ist, da es bei gewissen Ausprägungen der Nadelrichtung und den Bewegungen der Maschine zum Bruch oder der Beschädigung des Rauheitssensors 36 kommen kann, wenn die Rauheitsnadel 40 nicht aktiv ansteuerbar ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Taststift 30 lässt sich die Gestalt eines Werkstücks nahezu vollständig bestimmen. Formabweichungen des Werkstücks 28 können mit Hilfe der Tastkugel bestimmt werden, wenn das Werkstück, beispielsweise wie in 4 gezeigt, lediglich mit der Tastkugel 29 angetastet wird. Die Welligkeit des Werkstücks lässt sich beispielsweise durch gleichzeitige Verwendung der Tastkugel 29 und des Rauheitssensors 36 bestimmen, wenn das Werkstück 28, beispielsweise wie in 5 gezeigt, sowohl mit der Tastkugel 29 als auch mit der Rauheitsnadel 40 angetastet wird. Für diese Art der Messung ist lediglich die Berücksichtigung des Abstandes zwischen Tastkugel 29 und Rauheitsnadel 40 vonnöten. In einer dritten möglichen Anwendung des Taststiftes, welche hier nicht explizit gezeigt ist, lässt sich die Rauheit dritter und vierter Ordnung bestimmen, wenn das zu vermessende Werkstück 28 lediglich mit der Rauheitsnadel 40 ausgewertet wird.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Taststifts 30 ist neben der kombinierten Möglichkeit der taktilen Abtastung sowie Rauheitsmessung auch die Tatsache, dass die erläuterten Elemente des Rauheitssensors 36 allesamt sehr platzsparend innerhalb des Auslegerarms 38 angeordnet sind.
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Der Auslegerarm 38 weist vorzugsweise zwei Abschnitte 50, 52 auf. Der erste Abschnitt 50 hat vorzugsweise einen größeren Durchmesser als der zweite Abschnitt 52. Dennoch ist der Maximaldurchmesser des Auslegerarms 38, also der Durchmesser des ersten, größeren Abschnitts 50, kleiner gewählt als der Durchmesser der Tastkugel 29. Innerhalb des ersten Abschnitts 50 ist vorzugsweise der Auslenkungssensor 46 sowie der Kopf des Rauheitssensors 36 mit daran angeordneter Rauheitsnadel untergebracht. Die weiteren Bauteile des Rauheitssensors 36 können dagegen in dem zweiten Abschnitt 52 des Auslegerarms 38 angeordnet sein.
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In Bezug auf den erfindungsgemäßen Taststift 30 kann weiterhin als vorteilhaft angesehen werden, dass die in den 4 und 5 gezeigte Anordnung der Bauteile des Rauheitssensors 36 eine Anordnung der Rauheitsnadel 40 sehr nahe an der Tastkugel 29 ermöglichen. Dies hat den Vorteil, dass sich Verformungen des Auslegerarms 38, welche bei einer Antastung des Werkstücks 28 auftreten können, kaum auf die Messgenauigkeit auswirken. Ebenso ist es in der in den Figuren dargestellten Konfiguration möglich, den Auslenkungssensor 46 sehr nahe an der Rauheitsnadel 40 anzuordnen. Auch dies wirkt sich vorteilhaft auf die Messgenauigkeit des Rauheitssensors 36 aus, da Kraftschwankungen auf die Tastkugel 29 keine Auswirkungen auf das Messergebnis der Rauheitsmessung haben. Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen der Tastkugel 29 und der Rauheitsnadel um ein Vielfaches, z.B. um das Fünf-, Sechs-, Sieben- oder Achtfache kleiner als die Gesamtlänge des Auslegerarms 38. Ebenso ist bevorzugt, dass ein Abstand zwischen der Rauheitsnadel 40 und dem Auslenkungssensor 46 um ein Vielfaches, also beispielsweise um mindestens das Fünf-, Sechs-, Sieben- oder Achtfache kleiner ist als die Länge des Hebelarms 42, an dessen Ende die Rauheitsnadel 40 angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird als Auslenkungssensor 46 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichtschranke eingesetzt. Diese Lichtschranke misst die Auslenkungen des Hebelarms 42 in Abhängigkeit des Lichtstroms. Dies hat den Vorteil einer sehr genauen und kostengünstigen Messung. Besonders bevorzugt wird eine Gabellichtschranke eingesetzt. Je nach Auslenkung des Hebelarms 42 verhindert der Hebelarm 42, dass ein Teil des von der Gabellichtschranke ausgesendeten Lichts an dem gegenüberliegenden Sensor ankommt. Die Auslenkung der Rauheitsnadel 40 wird also direkt über den Hebelarm 42 auf den Lichtstrom zwischen den optischen Elementen der Gabellichtschranke übertragen. Die Gabellichtschranke ist dabei vorzugsweise derart eingestellt, dass der empfindlichste Bereich bei halber Abschattung bei ausgefahrener Rauheitsnadel 40 erreicht ist. In einem solchen Fall lässt sich, beispielsweise bei Verwendung einer Gabellichtschranke des Typs EE-SX 1107, welche sehr geringe Abmessungen hat und im analogen Bereich betrieben wird, in Verbindung mit einem 16-Bit ADC eine Auflösung im Bereich von beispielsweise 10 nm oder gar besser erreichen, was im vorliegenden Fall bei einer Abtastrate bis zu 100 kHz mehr als ausreichend ist.
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Die Auslenkung sowie der Abstand zwischen der Tastkugel 29 und der Rauheitsnadel 40 lassen sich an einem einfachen Normalkalibrieren, wodurch bei der späteren Auswertung die Position der Messung exakt nachvollziehbar ist und somit ein Teil des Messergebnisses darstellt.
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Der Bewegungsaktor 48 kann beispielsweise nach dem Prinzip eines Reed-Kontaktes aufgebaut sein. Hierzu wird eine Spule 54 und zwei ferromagnetische Elemente 56, 58 verwendet. Das eine ferromagnetische Element 56 ist vorzugsweise fix mit dem Hebelarm 42 verbunden. Das andere ferromagnetische Element 58 ist vorzugsweise fix mit der Spule 54 verbunden. Wird nun ein Strom (ein relativ kleiner Strom ist ausreichend) durch die Spule 54 geleitet, ziehen sich die beiden ferromagnetischen Elemente 56, 58 an, wodurch die Rauheitsnadel 40 ausgefahren wird. Schaltet man den Strom wieder ab, so fährt die Rauheitsnadel 40 automatisch in die geschützte Position innerhalb des Auslegerarms 38 des Taststiftes 30 ein.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Taststiftes 30. Da der prinzipielle Aufbau des in 6 gezeigten Taststiftes 30 dem des ersten Ausführungsbeispiels aus 1-4 entspricht, wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede der beiden Ausführungsbeispiele eingegangen.
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Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel ist insbesondere für eine Messung der Rauheit unter einem Winkel von < 90°, z.B. 45°, zu der Werkstückoberfläche gedacht. Die Tastkugel 29 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht als vollständige, sondern lediglich als Teilkugel ausgeführt. Dies ermöglicht es, die Rauheitsnadel 40 des Rauheitssensors 36 noch näher von dem Berührpunkt der Tastkugel 29 entfernt zu positionieren. Die Formmessung der Tastkugel 29 ist in diesem Beispiel in einem weiten Bereich normal möglich. Lediglich auf der Seite, an der die Rauheitsnadel 40 angeordnet ist, würde die Rauheitsnadel 40 auch in eingefahrenem Zustand des Rauheitssensors 36 ab einem gewissen Anstellwinkel des Taststiftes 30 die Werkstückoberfläche 28 berühren.
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7 zeigt den ausgefahrenen Zustand des Rauheitssensors 36. Das Federgelenk 44, mit Hilfe dessen der Hebelarm 42 gelenkig gelagert ist, lässt vorzugsweise nur Bewegungen der Rauheitsnadel im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche zu. Der Rauheitssensor 36 wird bei dem in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel daher vorzugsweise ziehend eingesetzt. Sofern die Tastkugel 29 das Werkstück 28 in anderen Bewegungsrichtungen antastet, sollte die Rauheitsnadel 40 daher eingefahren sein, um nicht beschädigt zu werden.
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Die Ansteuerung des Bewegungsaktors 48 erfolgt sowohl gemäß der in den 1 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsform als auch bei der in den 6 und 7 gezeigten zweiten Ausführungsform vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts (hier nicht gezeigt), das in der Nähe der Rauheitsnadel 40 angebracht ist und sich somit mit dem Taststift 30 mitbewegt. Dieses Steuergerät kann sehr klein ausgestaltet sein und einen Mikrocontroller enthalten, welcher synchron zur Steuerung seine Aufzeichnung startet, beendet und die aufgenommenen Daten mit einem Zeitstempel versieht. Diese Daten werden vorzugsweise an die Steuer- und Auswerteeinheit 32 des Koordinatenmessgeräts 10 weitergeleitet. Hierdurch wird es möglich, die Rauheitsdaten den Mess- und Positionsdaten des Koordinatenmessgeräts zuzuordnen und neben der Werkstückform und dessen Rauheit auch die Welligkeit zu ermitteln.
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Wenngleich in den beiden vorliegend gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils ein taktiler Rauheitssensor 36 zum Einsatz kommt, sei abschließend erwähnt, dass das erfindungsgemäße Prinzip grundsätzlich auch mit einem in den Taststift 30 integrierten optischen Rauheitssensor erfüllt sein kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
