DE10232349B4

DE10232349B4 - Tastkopf für Koordinaten-Meßgeräte

Info

Publication number: DE10232349B4
Application number: DE10232349A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. Brenner; Eckhard Enderle
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: DE10232349A1

Abstract

Tastkopf für ein Mehrkoordinaten-Meßgerät mit einem im Raum auslenkbaren Meßtaster (14; 44) und mit Tariermitteln zum Einstellen einer vorbestimmten Ruhelage des Meßtasters (14; 44) bei unterschiedlicher Ausrichtung des Tastkopfes (10; 40) im Raum, wobei die Tariermittel als Massen (21, 23, 36; 74) ausgebildet sind, und wobei die zum Tarieren des Meßtasters (14; 44) erforderlichen Kräfte bzw. Momente durch Gewichtskräfte der Massen (21, 23, 36; 74) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (44) ein Gehäuse (50) aufweist, daß in dem Gehäuse (50) ein in einer Spitze (46) auslaufender Meßstift (45) angeordnet ist, daß der Meßstift (45) gegenüber dem Gehäuse (50) über eine Feder (64, 66) abgestützt ist, und daß das Gehäuse (50) kardanisch gelagert (58) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für ein Mehrkoordinaten-Meßgerät mit einem im Raum auslenkbaren Meßtaster und mit Tariermitteln zum Einstellen einer vorbestimmten Ruhelage des Meßtasters bei unterschiedlicher Ausrichtung des Tastkopfes im Raum, wobei die Tariermittel als Massen ausgebildet sind, und wobei die zum Tarieren des Meßtasters erforderlichen Kräfte bzw. Momente durch Gewichtskräfte der Massen erzeugt werden.
Ein Tastkopf der vorstehend genannten Art ist aus DE 43 45 091 C2 bekannt.
Tastköpfe der hier interessierenden Art werden in Mehrkoordinaten-Meßgeräten eingesetzt, um dreidimensional gekrümmte Werkstückoberflächen kontinuierlich abzutasten. Man unterscheidet dabei zwischen zwei Bauarten, nämlich einerseits Tastköpfen mit aktiver Meßkraftaufschaltung sowie passiven Tastköpfen.
Bei Tastköpfen mit aktiver Meßkraftaufschaltung wird die Meßkraft mittels Kraftgeneratoren aktiv über die sogenannte Tastkopfkinematik, d. h. die zum Verfahren entlang von drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems eingesetzten Lineareinheiten, aufgebracht. Die Meßkraft ist dabei die Kraft, mit der eine am freien Ende des Meßtasters angeordnete Tastkugel an das zu vermessende Werkstück gepreßt wird. Die Kraft wird dabei z. B. auf elektromagnetischem Wege über entsprechende Meßkraftspulen aufgebracht.
Während des Meßvorganges wird in dem Mehrkoordinaten-Meßgerät eine Nachführung derart vorgenommen, daß sich die Tastkopfkinematik annähernd in einer Nullage befindet.
Mit derartigen aktiven Tastköpfen können sehr kleine Meßkräfte aufgebracht werden. Beim Beschleunigen des Mehrkoordinaten-Meßgerätes kann die Masse der Tastkopfkinematik aktiv mit den Kraftgeneratoren gehalten werden. Zum anderen können solche aktiven Tastköpfe vor dem Antasten der Werkstückoberfläche vorausgelenkt werden. Dadurch gewinnt man einen größeren Reaktionsweg für das Mehrkoordinaten-Meßgerät, und man kann dadurch mit größeren Geschwindigkeiten antasten.
Aktive Tastköpfe besitzen meistens auch eine aktive Tarierung, mit der die Tastkopfkinematik beim Schwenken oder Drehen des Tastkopfes wieder in die Nullage zurückgesetzt werden kann, sich also in einem stabilen Gleichgewicht befindet. Durch eine solche Tarierung geht kein Meßweg beim Schwenken verloren.
Bei passiven Tastköpfen hingegen wird die Größe der Meßkräfte über die Federsteifigkeit und die Auslenkung der Tastkopfkinematik erzeugt bzw. eingestellt. Um auch kleine Meßkräfte realisieren zu können, muß entweder die Tastkopfkinematik weich oder müssen die Auslenkwege gering sein. Kleine Auslenkwege stellen aber große Anforderungen an die Steuerung des Mehrkoordinaten-Meßgeräts und erlauben keine großen Antastgeschwindigkeiten. Große Auslenkwege sind also von Vorteil, erfordern aber weiche Federkinematiken, damit die Meßkräfte und deren Schwankung nicht zu groß werden.
Um die Meßbereichsverluste möglichst gering zu halten, muß die bewegte Masse der Kinematik gering und die Steifigkeit groß sein. Dies widerspricht aber den oben angeführten Forderungen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind in erster Linie passive Tastköpfe angesprochen.
Die meisten bekannten Tastköpfe verfügen über keine Tarierung. Werden solche Tastköpfe also in eine bestimmte Position oder Lage verschwenkt oder verdreht, so wird auch ihre Kinematik aus ihrer stabilen Nullage ausgelenkt. Damit verringert sich der aktive Meßweg um den Betrag der Auslenkung.
Aus der WO 00/08414 ist z. B. ein passiver Tastkopf für dreidimensionale Messungen an Oberflächen bekannt. Bei diesem bekannten Tastkopf ist ein Taststift in einem rückwärtigen Bereich kugelförmig ausgebildet, wobei der kugelförmige Bereich in einem komplementär ballig ausgebildeten Ringlager gehalten ist. Auf diese Weise kann der Taststift entlang von zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bewegt werden, in der dritten, dazu senkrecht stehenden Achse jedoch nicht. Um auch diese Bewegung entlang der dritten Achse zu ermöglichen, ist das Ringlager mit einem Arm verbunden, der über eine sich entlang der dritten Achse erstreckende Feder mit dem Gehäuse verbunden ist.
Zwischen dem Arm und dem rückwärtigen Ende des kugelgelagerten Taststifts sind zwei Sensoren vorgesehen, mit denen eine Kippbewegung des Taststifts entlang von zwei der drei Achsen erfaßt werden kann. Zwischen dem Arm und dem Gehäuse ist ein dritter Sensor vorgesehen, um die Bewegung des Arms, und damit auch des Taststifts, entlang der dritten Achse zu erfassen.
Der bekannte Tastkopf ist in der offenbarten Konfiguration nur für eine Einbaulage geeignet, in der das Gehäuse feststeht, wobei lediglich eine Schwenkbewegung des Taststifts im Kugellager sowie eine Vertikalbewegung des Arms möglich ist. Bei Verschwenkung des gesamten Tastkopfs würde die Anordnung hingegen aus dem Gleichgewicht geraten, da sie nicht austariert ist. So würden bereits Meßfehler auftreten, wenn die vertikale Führungsfläche für den Arm geneigt würde, weil dann die Feder anders belastet wäre als bei vertikaler Einbaurichtung.
Auch der in dem Kugellager gelagerte Taststift wird bei einer Auslenkung aus der Vertikallage Rückstellkräften ausgesetzt, weil der Taststift relativ zum Zentrum des Kugellagers asymmetrisch ausgebildet ist.
Aus der DE 24 40 692 B1 ist ein Drei-Koordinaten-Wegaufnehmer bekannt. Dieser Aufnehmer enthält einen Taststift, der in der Mitte einer Membranfeder befestigt ist und von dieser auf einer Seite mit einem Meßbolzen und auf der anderen Seite mit einer Sensorik absteht. Die Membranfeder ist an ihrem Umfang in einem rohrförmigen Gehäuse gehalten. Die Membranfeder gestattet dabei Bewegungen des Meßbolzens in allen drei Koordinatenrichtungen, also auch in Axialrichtung. Die Sensorik besteht aus drei Ferritkernen, die entlang von drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems angeordnet und jeweils von einem Spulensystem umgeben sind. Bei Auslenkung einer Tastkugel am freien Ende des Meßbolzens werden daher die Ferritkerne in unterschiedlicher Weise in ihren Spulensystemen bewegt, so daß drei Meßsignale erzeugt werden, die der Bewegung der Tastkugel in drei Koordinatenrichtungen entsprechen.
Auch dieser bekannte Tastkopf ist nicht austariert, so daß eine Änderung der Einbau- oder Betriebslage des Tastkopfes zu Meßfehlern bzw. zu einer Auslenkung führt.
Aus DE 37 25 207 A1 ist ein Tastkopf für Koordinaten-Meßgeräte bekannt. Um diesen Tastkopf völlig lageunabhängig einsetzen zu können, ist für jede der drei Raumachsen eine Tariereinrichtung zuschaltbar, die aus zwei Federn besteht, deren Federkraft mittels eines Motors eingestellt wird. Der Motor wird seinerseits über einen Nullagen-Indikator gesteuert, der Teil eines Wegmeßsystems ist und vorzugsweise optoelektronisch ausgebildet ist.
Dieser bekannte Tastkopf ist daher relativ aufwendig, weil er neben einer Doppelfederanordnung für jede der Raumkoordinaten noch eine jeweils individuelle motorische Verstellung mit zugehöriger Regelanordnung erfordert.
Aus der DE 195 00 451 A1 ist ein weiterer Tastkopf für Koordinaten-Meßgeräte bekannt, bei dem ebenfalls eine Tarierung mittels motorischer Tarierantriebe vorgesehen ist. Der bekannte Tastkopf weist Getriebemotoren auf, die als Stellantriebe für die Tarierung des Tastkopfs, d. h. die Mittellage einer Tastkugel, dienen. Für jeden der drei Freiheitsgrade ist ein entsprechender Antrieb vorgesehen.
Damit ist auch diese Anordnung relativ kompliziert und vor allem mit hohem Gewicht versehen, weil die genannten Antriebe ein erhebliches Eigengewicht aufweisen.
Schließlich offenbart die DE 196 47 514 C2 noch ein Verfahren zur Durchführung einer Messung mit einem Taster eines messenden Tastkopfes eines Koordinaten-Meßgerätes. Auch bei diesem bekannten Verfahren ist eine Tarierung entlang von drei Raumkoordinaten vorgesehen, um den Taster in beliebiger Weise im Raum verschwenken zu können. Nach dem beschriebenen Verfahren werden die Verschiebungen der Nullage des Tasters aufgrund verschiedener Tastergewichte und verschiedener räumlicher Lagen des Tastkopfes ermittelt, und die mit dem Tastkopf bestimmten Meßwerte werden schließlich durch elektronische Signalverarbeitung korrigiert.
Im Gegensatz zu den beiden vorher erwähnten bekannten Tastköpfen mit elektromotorischer Tarierung verwendet also dieses bekannte Verfahren eine elektronische Tarierung in Form einer Signalkorrektur.
Das bekannte Verfahren ist damit ebenfalls relativ aufwendig, da für die Abweichungen aus der Nullage genaue Sensorsysteme vorgesehen werden müssen, die mit einer entsprechend komplizierten Datenverarbeitung zusammenarbeiten.
Die eingangs genannte DE 43 45 091 C2 offenbart einen Tastkopf mit einem Taststift, der an einer Tragplatte gehalten ist. Um das Gewicht der Tragplatte auszugleichen, ist auf einem von der Tragplatte abgewandten Hebelarm ein Ausgleichgewicht angeordnet. Das Ausgleichgewicht muss hier unter anderem auch das Gewicht der Tragplatte ausgleichen, was insgesamt zu einer recht schweren Bauweise führt.
US 3,766,653 offenbart einen Tastkopf mit einem Ausgleichgewicht zum Ausgleich der Meßkräfte bei unterschiedlichen Raumlagen des Tastkopfes. Das Ausgleichgewicht ist hier über Blattfedern und Schrauben mit dem Meßstift verbunden. Der Meßstift selbst ist auf Federn gelagert. Auslenkungen des Meßstiftes in den drei Raumrichtungen x, y und z werden mit Hilfe eines zentral am proximalen Ende des Meßstiftes angeordneten Meßwertaufnehmer bestimmt. Ein Nachteil dieses bekannten Tastkopfes bestehet darin, dass eine Messung in z-Richtung nicht gleichzeitig zu einer Messung in x- oder y-Richtung erfolgen kann.
DD 99 221 offenbart einen Tastkopf für ein Koordinatenmeßgerät, bei dem ein Meßstift zentral gelagert ist. Aus DE 24 40 692 B1 ist ein Tastkopf bekannt, bei dem ein Meßstift mit Hilfe einer Membranfeder in einem Gehäuse gelagert ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Tastkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die obengenannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Tastkopf zur Verfügung gestellt werden, der in jeder Hinsicht tariert ist, so daß der Tastkopf mit hoher Präzision in jeder Einbau- und Betriebslage einsetzbar ist, wobei die Federung für den Meßstift eine geringe Masse abstützen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßtaster ein Gehäuse aufweist, daß in dem Gehäuse ein in einer Spitze auslaufender Meßstift angeordnet ist, daß der Meßstift gegenüber dem Gehäuse über eine Feder abgestützt ist, und daß das Gehäuse kardanisch gelagert ist.
Die neue Lagerung des Meßstiftes in dem Gehäuse über eine Feder sowie die kardanische Lagerung des Gehäuses hat den Vorteil, daß die kardanische Aufhängung "von außen" auf ein Gehäuse des Tastkopfs wirkt, während die Federung für die Auslenkung entlang der dritten Achse nur innerhalb des Gehäuses auf den dort befindlichen Meßstift, also auf eine wesentlich geringere Masse, einwirkt.
Es werden ferner zum Tarieren ausschließlich Massenkräfte verwendet, d. h. Kräfte, die von systemeigenen Massen oder speziell vorgesehenen Tariermassen erzeugt werden. Durch geschickte Auslegung läßt sich dann eine vollautomatische Selbsttarierung erreichen, die keinerlei elektromotorischer Stellantriebe, keinerlei Sensorik und keinerlei Datenverarbeitung bedarf. Die Erfindung stellt damit ein sehr einfaches, gleichwohl aber sehr wirksames Mittel zur Verfügung, das mit geringen Kosten in der Praxis einsetzbar ist.
Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen des neuen Tastkopfes wird die Tarierung durch eine vorbestimmte räumliche Verteilung der Massen bewirkt.
Dies gilt insbesondere dann, wenn der Meßtaster in seinem Massenschwerpunkt kardanisch gelagert ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Meßtaster unabhängig von der Orientierung des Tastkopfes im Raum in seiner einmal eingenommenen Ruhelage verharrt, da sich die durch die Einzelmassen des Meßtasters über deren Gewichtskräfte ausgeübten Momente gerade kompensieren.
In bevorzugter Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist der Meßtaster zur Auslenkung entlang von nur zwei von drei Achsen kardanisch gelagert, und es ist ferner eine Feder für eine Auslenkung entlang der dritten Achse vorgesehen.
Bei Ausführungsformen der Erfindung ist die Feder als Membranfeder ausgebildet, wie dies an sich bekannt ist.
Eine besonders gute Wirkung wird in diesem Falle dadurch erzielt, daß zwei Membranfedern im axialen Abschnitt zueinander vorgesehen sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein Verkanten des Meßstiftes verhindert wird, weil dieser an zwei axial beabstandeten Punkten von den Membranfedern gehalten wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Feder zwischen der Spitze und der kardanischen Aufhängung angeordnet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die zu bewegenden Massen besonders klein sind und sich in der Praxis auf die Masse des Meßstiftes sowie der Federn beschränken.
Bei einer zweiten bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Tarierung durch eine vorbestimmte räumliche Bewegung der Massen bewirkt.
Dies gilt insbesondere dann, wenn Einzelmassen durch eine Anordnung miteinander verbunden sind, die beim Verschwenken des Tastkopfes im Raum eine gegenläufige Bewegung der Einzelmassen bewirken.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß durch gezielte gegenläufige Bewegung von Einzelmassen die Schwerpunktslage des Meßtasters im Raum festgehalten wird, so daß eine vollkommene Tarierung stattfindet.
Es versteht sich dabei, daß die beiden genannten Gruppen von Ausführungsbeispielen, nämlich die gezielte Verteilung der Massen einerseits und die gezielte räumliche Bewegung der Massen andererseits, jeweils auch nur für einzelne Koordinatenachsen, Richtungen, Ebenen und dergleichen eingesetzt und auch miteinander kombiniert werden können.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Tariermittel einen Hebelmechanismus zum gegenläufigen Bewegen der Massen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Tariermittel mechanisch einfach aufgebaut werden können und unabhängig von der Einbaulage bzw. Betriebslage des Tastkopfes wirken.
Dies gilt insbesondere dann, wenn der Hebelmechanismus zweiarmige Hebel umfaßt.
Wenn in weiterer Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels mindestens einer der Hebel einen elastischen Bereich aufweist, so können die Hebel optimale Biegelinien annehmen. Dies ermöglicht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Verwendung von mittig aufliegenden starren Gebilden mit beidendig biegeelastischer Einspannung als Hebel.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Hebelmechanismus zwischen einem äußeren Gegengewicht und einem in einer Ruhestellung sich entlang einer Mittelachse des Meßtasters erstreckenden Meßstift angeordnet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein besonders kompakter Aufbau entsteht. Durch die Anordnung des Gegengewichtes an der Peripherie wird bei verhältnismäßig kleinem Querschnitt ein hohes Gewicht zur Verfügung gestellt.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Meßtaster ein rohrartiges Gehäuse aufweist, das an seiner Oberseite mit einem radialen Flansch versehen ist, wobei zweiarmige Hebel des Hebelmechanismus sich mittig an dem Flansch abstützen.
Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich ein besonders kompakter Aufbau ergibt und die zu kompensierenden Massen optimal verteilt werden können.
Bei weiter bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist eine mittels des Hebelmechanismus verschwenkte Masse mit einem Zusatzgewicht versehen, wobei das Zusatzgewicht so dimensioniert ist, daß eine infolge des Gewichtes der Masse auftretende Durchbiegung eines diese Masse tragenden Hebelarms und/oder einer den Hebelarm tragenden Lagerstelle kompensiert wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine bestimmte Form von Restfehler mit kompensiert wird, nämlich die sogenannte "Tarierablage", die dadurch entsteht, daß in der Praxis zusätzliche Lageveränderungen der Massen entstehen, wenn sich entweder Hebelarme, die zum gezielten Verfahren der Massen eingesetzt werden, infolge der Gewichtskraft dieser Massen verbiegen und/oder Lagerstellen, die in diesem Zusammenhang als tragende Elemente tätig sind, eine gewisse Durchbiegung aufweisen. Die sich durch diese Durchbiegungen einstellenden Lagefehler können in überraschend einfacher Weise dadurch kompensiert werden, daß man die bewegten Massen mit einem gewissen Zusatzgewicht versieht, das über den wirksamen Hebelarm die erforderliche Lagekorrektur vornimmt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine extrem schematisierte Darstellung zur Erläuterung der Tarierung anhand von Massenkräften, wobei das Gehäuse des Meßtasters hier nicht dargestellt ist;
2A eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tastkopfs, in Ruhestellung;
2B eine Darstellung, ähnlich 2A, jedoch für den Tastkopf in einer ersten, seitlich ausgelenkten Betriebsstellung;
2C eine Darstellung ähnlich 2A und 2B, jedoch für den Tastkopf in einer weiteren, vertikal ausgelenkten Betriebsstellung;
2D in stark schematisierter Weise eine Darstellung, ähnlich 2A, für eine alternative kardanische Aufhängung eines Meßtasters;
2E eine Darstellung zur weiteren Erläuterung der Verhältnisse in 2C, im Hinblick auf eine sogenannte Tarierablage;
3A und 3B eine perspektivische Darstellung, teilweise aufgebrochen, einer praktischen Realisierung des Meßtasters gemäß 2A, dargestellt in zwei Hälften;
4A eine Draufsicht auf ein Tarierfedersystem, wie es beim Meßtaster gemäß 3A und 3B Verwendung findet;
4B und 4C zwei äußerst schematisierte Schnittansichten entlang der Linie IV-IV in 4A zur Erläuterung der Wirkungsweise eines dort gezeigten Gelenks.
In 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Tastkopf für ein Mehrkoordinaten-Meßgerät. Der Tastkopf 10 umfaßt ein Gehäuse 12, in dem sich ein Meßtaster 14 befindet. Am freien Ende des Meßtasters 14 befindet sich eine Spitze 16. Der Meßtaster 14 ist so aufgehängt, daß die Spitze 16 sich entlang der drei Achsen x, y und z eines kartesischen Koordinatensystems 17 bewegen kann.
Hierzu ist der Meßtaster 14 einerseits in einem Lager 18 aufgehängt. Das Lager 18 ist ein kardanisches Lager, wobei der Begriff "kardanisch" im vorliegenden Zusammenhang so zu verstehen ist, daß die Spitze 16 eine Bewegung in der x-y-Ebene ausüben kann, eine Bewegung in z-Richtung jedoch nicht möglich ist.
Der Meßtaster 14 unterteilt sich in einen unteren Abschnitt 20 unterhalb des Lagers 18, dessen Gewicht 21 mit einer Masse m₁ symbolisiert ist, und einen oberen Abschnitt 22 oberhalb des Lagers 18, dessen Gewicht 23 durch eine Masse m₂ charakterisiert ist.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß sich der Massenschwerpunkt der Massen m₁ und m₂ gerade im Zentrum des Lagers 18 befindet.
Andererseits ist der Meßtaster 14 zusammen mit dem Lager 18 in einer Führung 25 geführt, die in z-Richtung orientiert ist. In dieser Richtung wirkt auch eine Feder 24, die das Lager 18 zusammen mit dem gesamten Meßtaster 14 gegen Masse, beispielsweise gegen das Gehäuse 12, abstützt. Über die Feder 24 ist daher eine Bewegung des Meßtasters 14 auch in z-Richtung möglich.
Mit 26 ist eine Sensorik angedeutet, die mit dem Meßtaster 14 zusammenwirkt und dessen Bewegung in x-, y- und z-Richtung erfaßt, wie dies dem Fachmann geläufig ist. Die Ausgangssignale der Sensorik 26 werden einer Meßelektronik 28 zugeführt, die aus den Signalen der Sensorik 26 entsprechende Signale für eine Weiterverarbeitung der Meßwerte bildet.
Schließlich ist in 1 noch eine Tariervorrichtung 30 dargestellt. Die Tariervorrichtung 30 wirkt in z-Richtung. Sie ist in 1 durch eine Hebelanordnung symbolisiert, bei der an einem Gelenk 32 ein Hebelarm 33 am Lager 18 angreift und über ein gehäusefestes Lager 34 zu einem Gegengewicht 36 führt, dessen Masse in 1 mit m₃ bezeichnet ist.
Der Tastkopf 10 in 1 arbeitet wie folgt:
Wenn die Spitze 16 an einer dreidimensionalen gekrümmten Oberfläche eines zu vermessenden Werkstücks entlanggeführt wird, kann sie in der x-y-Ebene ausgelenkt werden, weil das kardanische Lager 18 diese Bewegung zuläßt. Eine Auslenkung in z-Richtung wird über die Abstützung der Feder 24 ermöglicht.
Eine Auslenkung in der x-y-Ebene hat keine durch Gravitation verursachten Rückstellkräfte im Meßtaster 14 zur Folge, weil der Meßtaster 14 mit seinem Massenschwerpunkt im Zentrum des Lagers 18 liegt. Der Meßtaster 14 befindet sich daher in jeder Schwenklage im Gleichgewicht.
Entsprechendes gilt für eine Auslenkung in z-Richtung, weil eine Vertikalbewegung der Gesamtmasse m₁ + m₂ mittels der als Wippe wirkenden Anordnung 32, 33, 34 durch eine gegenläufige Bewegung der Masse m₃ kompensiert wird, die beispielsweise gleich der Summe m₁ + m₂ sein kann.
Dies gilt auch für den Fall, daß der Tastkopf 10 insgesamt verschwenkt oder gedreht wird, weil beide Stabilisierungssysteme auch in einer schiefen Betriebsstellung des Tastkopfes 10 arbeiten.
Es versteht sich dabei, daß insbesondere die Tariervorrichtung 30 in 1 nur extrem schematisch dargestellt ist. Im Rahmen der Erfindung sind hier Tariervorrichtungen aller Art angesprochen, die entlang einer oder mehrerer der Koordinatenachsen bzw. bei Verwendung von Polarkoordinaten auch in Richtung der Schwenkwinkel wirken, um eine Tarierung der bewegten Massen in allgemeinster Form zu bewirken. In der Realität lassen sich auch andere als die in 1 gezeigten Mechanismen verwenden, die eine gegenläufige Bewegung der Massen m₁, m₂ einerseits und m₃ andererseits gestatten, wie nachstehend gezeigt werden wird.
In den 2A bis 2C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tastkopfs 40 schematisch sowie in den 3A und 3B in einer praktischen Ausführungsform dargestellt, wobei 4 in vergrößertem Maßstab noch ein Detail aus 3A zeigt. Folglich sind in den 2 bis 4 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei unterschiedliche Betriebsstellungen jeweils durch Hinzufügen eines Apostrophzeichens oder Doppelapostrophzeichens gekennzeichnet sind.
Insgesamt bezeichnet dabei 40 den Tastkopf, der ein Gehäuse 42 aufweist. In dem Gehäuse 42 sitzt ein Meßtaster 44. Der Meßtaster 44 ist von im wesentlichen rohrförmiger Gestalt. Entlang einer Mittelachse 51 des Meßtasters 44 erstreckt sich ein Meßstift 45, dessen untere Spitze 46 als Kugel ausgebildet ist. Auch hier ist eine Bewegung der Spitze 46 entlang der drei Achsen x, y und z eines kartesischen Koordinatensystems 47 möglich.
Der Meßtaster 44 ist mit einem rohrförmigen Gehäuse 50 versehen. Dieses Gehäuse 50 enthält einen mittleren Abschnitt 52, einen unteren Gehäuseabschnitt 54 sowie einen oben an den mittleren Abschnitt 52 angesetzten radialen Flansch 56.
Etwa in der Mitte des mittleren, rohrförmigen Abschnitts 52 ist der Meßtaster 44 in einem kardanischen Lager 58 relativ zum Gehäuse 42 des Tastkopfes 40 abgestützt. Das kardanische Lager 58 befindet sich in einer Ebene 60, die in etwa eine radiale Mittelebene des Tastkopfes 40 darstellt.
Der Meßstift 45 ist im Bereich des Gehäuseabschnitts 54 im Zentrum zweier axial beabstandeter Membranfedern 64 und 66 gehalten, die mit ihrer Peripherie am Gehäuseabschnitt 54 festgelegt sind. Diese Anordnung ermöglicht eine Bewegung des Meßstiftes 45 nur entlang der z-Achse.
Auf dem radialen Flansch 56 erstrecken sich nach oben axiale Stützen 68, die auch als Ring oder als Ringsegmente ausgebildet sein können. Diese Stützen 68 tragen an ihrer Oberseite Gelenke 70, an denen zweiarmige Hebel elastisch angelenkt sind.
Von den Gelenken 70 erstrecken sich radial nach außen erste, starre Hebelarme 72, die – vorzugsweise über einen biegeelastischen Bereich 78 – zu einem Gegengewicht 74 führen. Das Gegengewicht 74 ist vorzugsweise als Ring ausgebildet, wie besonders deutlich aus 3A hervorgeht.
Von den Gelenken 70 führen radial nach innen zweite, starre Hebelarme 76, die – vorzugsweise über biegeelastische Bereiche 73 – zum oberen Ende des Meßstiftes 45 führen. Die starren Hebelarme 72 und 76 sind vorzugsweise als eine gemeinsame starre Platte ausgebildet (vgl. 4A bis 4C).
Schließlich ist mit 80 ein erster Sensor bezeichnet, der die Auslenkung des Meßstiftes 45 in der z-Richtung erfaßt, während zweite Sensoren 82 die Auslenkung des Rohres 50 in x- und y-Richtung messen.
Der Tastkopf 40 arbeitet wie folgt:
2B zeigt eine Situation, in der die Kugel an der Spitze 46' am freien Ende des Meßstiftes 45' seitlich verschwenkt wurde, wie mit einem Pfeil 86 angedeutet. Dies hat eine Auslenkung in x- und y-Richtung zur Folge. Der Schwenkwinkel ist dabei mit α bezeichnet.
Infolge der kardanischen Aufhängung im Lager 58 entsteht auch hier eine stabile Lage des verschwenkten Meßtasters 44', weil die Anordnung so getroffen ist, daß die Massen des Meßtasters 44' zu beiden Seiten der Ebene 60 gleich verteilt sind, sich also der Massenschwerpunkt des Meßtasters 44' im Zentrum des kardanischen Lagers 58 befindet.
2C zeigt demgegenüber eine andere Betriebsstellung, in der der Meßstift 45'' nur in z-Richtung ausgelenkt wurde, wie mit einem Pfeil 88 angedeutet. Die Auslenkung ist dabei in 2C mit Δz bezeichnet.
Weil das kardanische Lager 58 eine Bewegung des Gehäuses 50 in z-Richtung nicht zuläßt, wird die Bewegung des Meßstifts 45'' in z-Richtung durch Verformung der Membranfedern 64'', 66'' ermöglicht. Dies ist in 2C deutlich zu erkennen.
Zusätzlich wird im Betriebszustand gemäß 2C die am oberen Ende des Meßstiftes 45'' vorgesehene Tariervorrichtung wirksam. Es darf auch an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß die in den Figuren dargestellten Tariervorrichtungen nur beispielhaft und schematisch zu verstehen sind, während sich die vorliegende Erfindung auf Tariervorrichtungen aller Art bezieht, die entlang von Koordinatenrichtungen oder Drehwinkeln wirksam sind.
Der sich nach oben bewegende Meßstift 45'' drückt nämlich das innere Ende der zweiten Hebelarme 76'' nach oben, wodurch das äußere Ende der ersten Hebelarme 72'' nach unten verschwenkt wird und damit auch das Gegengewicht 74''. In dem Maße, in dem die Massen des Meßstiftes 45 in z-Richtung bewegt werden, wird das Gegengewicht 74 gegenläufig bewegt. Die Masse des Gehäuses 50 spielt dabei keine Rolle, da sie nicht in z-Richtung ausgelenkt wird.
2D zeigt zur Erläuterung eine Alternative, in der gleiche Bezugszeichen wie in den 2A bis 2C verwendet wurden, zu denen jeweils ein "a" hinzugefügt wurde. 2D erläutert eine mögliche andere Positionierung der Federn 64a, 66a, dort nämlich zwischen dem kardanischen Lager 58a und der Gehäusewand, während sich beim Ausführungsbeispiel gemäß 2A bis 2C die Federn 64, 66 zwischen dem freien Ende des Meßstiftes 45 und dem kardanischen Lager 58 befanden.
Die zuletzt genannte Positionierung hat den Vorteil, daß die in z-Richtung zu bewegenden Massen minimal sind, nämlich unterhalb des kardanischen Lagers 58 nur die Masse des Meßstiftes 45 umfassen.
Demgegenüber muß bei der alternativ möglichen Anordnung gemäß 2D noch das kardanische Lager 58a selbst mitbewegt werden. Die Lösung gemäß 2D bietet sich daher nur dann an, wenn bestimmte bauliche Gründe eine Verlagerung der Federn von der Position 64, 66 in 2A bis 2C in die Position 64a, 66a in 2D ratsam erscheinen lassen.
2E zeigt noch ein weiteres Detailproblem, nämlich das der sogenannten "Tarierablage". Auch in 2E sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 2A bis 2C versehen, jedoch ebenfalls unter Hinzufügung eines "a".
2E illustriert die Verhältnisse im Bereich der Hebelarme 72, 76, die im Prinzip einen starren Biegebalken darstellen, der mittig im Bereich der Stützen 68 bzw. des Gelenks 70 gelagert ist. Durch das Gegengewicht 74a wird dieser Biegebalken 72a, 76a verbogen, wie in 2E stark übertrieben dargestellt ist. Dies führt zu einer Tarierablage TA in der Form, daß der Meßstift 45 um den Betrag TA zu niedrig (in z-Richtung) liegt.
Um dem vorzubeugen, wird das Gegengewicht 74a daher erfindungsgemäß mit einem kleinen Zusatzgewicht 75 versehen, das die Anordnung gemäß 2E im Gegenuhrzeigersinn um das Gelenk 70 verdreht, so daß der Meßstift 45a gerade wieder um die Tarierablage TA angehoben wird.
Aus den 3 und 4 wird eine bevorzugte Ausführungsform dieser Tariervorrichtung deutlich.
Danach gehen vom oberen Ende des Meßstiftes 45 drei um 120° gegeneinander versetzte radiale Arme aus, die als beidendig mit Blattfedern eingespannten Platten 72, 76 ausgebildet sind. Das äußere Ende der Platten ist über eine Blattfeder am Gegengewicht 74 befestigt. Etwa auf halber Länge der Platten befindet sich das ebenfalls als dünne Blattfeder ausgebildete Gelenk 70, das zu den Stützen 68 führt. Diese sind als Ringsegmente ausgebildet.
Die Verwendung von Blattfedern als Einspannung für die Hebel 72 und 76 stellt eine elegante Realisierung der elastischen Bereiche 73 und 78 dar, weil sich die Blattfedern bei einer Auslenkung gemäß 4C insgesamt S-förmig verbiegen können, also an ihren beiden Enden in unterschiedlicher vertikaler Position horizontal verlaufen.
Die Verhältnisse im Bereich der Hebel 72, 76 (ohne Berücksichtigung der Eigendurchbiegung gemäß 2E) sind äußerst schematisch in 4B und 4C dargestellt.
Man erkennt, daß im Verhältnis zu den elastischen Bereichen 73 und 78 die Form der starren Hebel 72 und 76 unverändert bleibt, wenn diese starren Hebel um das Lager 70 verschwenkt werden. Demgegenüber nehmen die elastischen Bereiche 73 und 78 insgesamt eine S-förmige Gestalt an.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß außer der inneren Reibung beim Durchbiegen der elastischen Bereiche 73 und 78 keine Reibung, insbesondere keine Gleitreibung auftritt und damit auch keine im vorliegenden Zusammenhang schädliche Hysterese.
Bevorzugt ist die Ausführungsform gemäß 4 dabei so dimensioniert, daß die als Waagebalken wirkenden doppelarmigen Hebel 72, 76 auf beiden Seiten eine gleiche Hebellänge haben. Auf diese Weise kann die Tariermasse des Gegengewichts 74 gerade so groß gewählt werden wie die Masse der Tastkopfkinematik, d. h. der in z-Richtung beweglichen Teile des Tastkopfes 40.
Die Eigenschaften dieser Tariervorrichtung bleiben auch bei einem Verschwenken des Tastkopfes 40 im Raum erhalten, sind also nicht nur in vertikaler Betriebslage wirksam.
Insgesamt stellt die vorliegende Erfindung damit einen Tastkopf zur Verfügung, der in seiner Einbaulage geschwenkt werden kann, ohne daß damit die stabile Stellung der tastenden Elemente aufgehoben wird. Die bei herkömmlichen Tastköpfen auftretende Reduzierung des Meßbereichs als Folge von Lagefehlern durch Verschwenken des Tastkopfes wird erfindungsgemäß durch die geschilderte passive Tarierung vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert. Diese passive Tarierung ist unabhängig von der Steuerung und benötigt keine zusätzlichen Signalleitungen im Mehrkoordinaten-Meßgerät. Der gewählte kinematische Aufbau ermöglicht ferner eine Anordnung mit geringem Eigengewicht, da das als Tariermasse wirkende Gegengewicht 74 auch für eine Tarierung in der Kardanebene x-y genutzt werden kann (vgl. m₂/m₁ in 1).

Claims

Tastkopf für ein Mehrkoordinaten-Meßgerät mit einem im Raum auslenkbaren Meßtaster (14; 44) und mit Tariermitteln zum Einstellen einer vorbestimmten Ruhelage des Meßtasters (14; 44) bei unterschiedlicher Ausrichtung des Tastkopfes (10; 40) im Raum, wobei die Tariermittel als Massen (21, 23, 36; 74) ausgebildet sind, und wobei die zum Tarieren des Meßtasters (14; 44) erforderlichen Kräfte bzw. Momente durch Gewichtskräfte der Massen (21, 23, 36; 74) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (44) ein Gehäuse (50) aufweist, daß in dem Gehäuse (50) ein in einer Spitze (46) auslaufender Meßstift (45) angeordnet ist, daß der Meßstift (45) gegenüber dem Gehäuse (50) über eine Feder (64, 66) abgestützt ist, und daß das Gehäuse (50) kardanisch gelagert (58) ist.
Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tarierung durch eine vorbestimmte räumliche Verteilung der Massen (12, 23, 36) bewirkt wird.
Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (14; 44) in seinem Massenschwerpunkt kardanisch gelagert (18; 58) ist.
Tastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (14; 44) zur Auslenkung entlang von nur zwei (x, y) von drei Achsen (x, y, z) kardanisch gelagert und ferner eine Feder (24; 64, 66) für eine Auslenkung entlang der dritten Achse (z) vorgesehen ist.
Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als Membranfeder (64, 66) ausgebildet ist.
Tastkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Membranfedern (64, 66) im axialen (z) Abstand zueinander vorgesehen sind.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (64, 66) zwischen der Spitze (46) und der kardanischen Aufhängung (18; 58) angeordnet ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tarierung durch eine vorbestimmte räumliche Bewegung der Massen (21, 23, 36; 74) bewirkt wird.
Tastkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelmassen durch eine Anordnung miteinander verbunden sind, die beim Verschwenken des Tastkopfes (10; 40) im Raum eine gegenläufige Bewegung der Einzelmassen bewirken.
Tastkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Hebelmechanismus (32–34; 68–73, 76, 78) zum gegenläufigen Bewegen der Massen (21, 23, 36; 74) umfaßt.
Tastkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelmechanismus (32–34; 68–73, 76, 78) zweiarmige Hebel (33; 72, 76) umfaßt.
Tastkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Hebel (72, 76) einen elastischen Bereich (73, 78) aufweist.
Tastkopf nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebel (72, 76) als mittig aufliegende starre Gebilde mit beidendig biegeelastischer Einspannung (78) ausgebildet sind.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelmechanismus (68–73, 76, 78) zwischen einem äußeren Gegengewicht (74) und einem in einer Ruhestellung sich entlang einer Mittelachse (51) des Meßtasters (44) erstreckenden Meßstift (45) angeordnet ist.
Tastkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) an seiner Oberseite mit einem radialen Flansch (56) versehen ist, und daß zweiarmige Hebel (72, 76) des Hebelmechanismus (68–73, 76, 78) sich mittig an dem Flansch (56) abstützen (68).
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittels des Hebelmechanismus (32–34; 68–73, 76, 78) verschwenkte Masse (74a) mit einem Zusatzgewicht (75) versehen ist, wobei das Zusatzgewicht (75) so dimensioniert ist, daß eine infolge des Gewichtes der Masse (74a) auftretende Durchbiegung eines diese Masse (74a) tragenden Hebelarms und/oder einer den Hebelarm tragenden Lagerstelle kompensiert wird.