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Die
Erfindung betrifft einen multidirektionalen Messtaster nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Messtaster
dieser Gattung sind in verschiedenen Ausführungsformen aus WO 00/17602
bekannt. Ihnen ist gemeinsam, dass das Übertragungsglied aus einem
geraden Stück
Draht von erheblicher Länge
besteht und in einem Gehäuse
untergebracht ist, dessen Länge
diejenige des Übertragungsgliedes noch
wesentlich überschreitet.
Die Messtaster sind deshalb insgesamt sperrig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen multidirektional wirksamen
Messtaster, der einen unidirektionalen Sensor aufweist, raumsparend
und zugleich konstruktiv besonders einfach zu gestalten, dabei aber
den für
Messtaster der eingangs angesprochenen Gattung typischen Vorteil
beizubehalten, dass beim radialen Antasten eines Messobjekts rundum,
d.h. in allen radialen Richtungen, gleiche Antastkräfte wirksam
sind.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit
weiteren Einzelheiten beschrieben. In den Zeichnungen sind, jeweils
in einem axialen Längsschnitt dargestellt:
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1 ein
erfindungsgemäßer Messtaster,
in Ruhelage,
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2 derselbe
Messtaster wie in 1, jedoch bei radialer Auslenkung
seines Taststifts,
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3 ein
stark vergrößerter Ausschnitt
aus 1,
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4 ein
in gleicher Weise vergrößerter Ausschnitt
aus 2,
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5 derselbe
Messtaster wie in 1 bis 4, jedoch
bei rein axialer Auslenkung seines Taststifts,
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6 ein
gegenüber 1 bis 5 weitergebildeter
Messtaster bei radialer Auslenkung entsprechend 2,
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7 ein
gegenüber 1 zusätzlich weitergebildeter
erfindungsgemäßer Messtaster,
in Ruhelage,
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8 derselbe
Messtaster wie in 7, jedoch bei axialer Auslenkung
infolge ziehender Messrichtung,
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9 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messtasters
in Ruhelage,
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10 derselbe
Messtaster wie in 9, jedoch bei radialer Auslenkung,
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11 derselbe
Messtaster wie in 9, jedoch bei axialer Auslenkung
infolge drückender Messrichtung,
und
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12 derselbe
Messtaster wie in 9, bei axialer Auslenkung infolge
ziehender Messrichtung.
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Der
in 1 und 3 in Ruhelage sowie in 2 und 4 beim
Messen eines Objekts O dargestellte multidirektionale Messtaster
M hat ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10, das aus einem
proximalen, in den Zeichnungen oberen Gehäuseteil 12 mit einem
Ansatz 14 einerseits und einem distalen, in den Zeichnungen
unteren Gehäuseteil 16 mit
einem radial nach innen ragenden Gehäuseflansch 18 andererseits
zusammengesetzt ist. Die beiden Gehäuseteile 12 und 16 sind
miteinander dicht und fest verbunden, beispielsweise unmittelbar miteinander
verschraubt. An der proximalen, in den Zeichnungen oberen Seite
des radial nach innen ragenden Gehäuseflansches 18 ist
ein ringförmiges Stützlager 20 in
Form einer Ringrille ausgebildet, das eine radial innere, konvexe
Kegelstumpffläche 22 und
eine radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 aufweist;
diese beiden Kegelstumpfflächen
sind bei den dargestellten Messtastern im axialen Querschnitt ungefähr rechtwinklig
zueinander angeordnet. Es hat sich jedoch auch eine Ausführungsvariante bewährt, bei
der die radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 steiler
ist, beispielsweise um 75° gegen
die Ebene der distalen Stirnfläche
des Gehäuseflansches 18 geneigt
ist. In jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn
die Kegelstumpfflächen 22 und 24 mit reibungsminderndem Material
beschichtet sind.
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Innerhalb
des distalen Gehäuseteils 16 ist ein
pilzförmiger
Tragkörper 26 angeordnet,
an dem ein ringförmiges
Gegenlager 28 ausgebildet ist. Das Gegenlager 28 hat
einen ungefähr
halbkreisförmigen oder
aus mehreren Bogenabschnitten mit unterschiedlichen Radien zusammengesetzten
Querschnitt und lässt
sich in jedem Fall als Ringwulst bezeichnen. Der Tragkörper 26 nimmt
in 1 und in entsprechender Weise in 3 eine
Ruhelage ein, in der das Gegenlager 28 das Stützlager 20 längs einer ebenen
kreisförmigen
Berührungslinie 30 – und sonst nirgends – berührt. Diese
kreisförmige
Berührungslinie
liegt auf der konvexen, radial inneren Kegelstumpffläche 22 des
ringförmigen
Stützlagers 20. Von
der konkaven, radial äußeren Kegelstumpffläche 24 des
Stützlagers
hat das ringförmige
Gegenlager 28 hingegen einen durchschnittlichen Abstand
a von vorzugsweise 5 bis 10 μ (0,005
bis 0,010 mm), solange der Tragkörper 26 seine
Ruhelage einnimmt. Es wird bewusst nicht ausgeschlossen, dass der
Abstand a an einer Stelle auf den Betrag Null abnimmt, d.h. dass
der Tragkörper 26 eine
leicht exzentrische Ruhelage einnimmt, in der das Gegenlager 28 die
radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 des Stützlagers 20 an
einem Punkt berührt.
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Die
Ebene der Berührungslinie 30 wird
im folgenden als Lagerebene X, Y bezeichnet; normal, also rechtwinklig
dazu, erstreckt sich die im folgenden als zentrale Achse Z bezeichnete
Achse des Messtasters M, d.h. seines Gehäuses 10. Der Tragkörper 26 hat
eine eigene Längsachse
T, die in Ruhelage sowie bei rein axialer Auslenkung des Tragkörpers 26 mit
der zentralen Achse Z praktisch übereinstimmt.
Geringfügige
Abweichungen infolge der beschriebenen, möglichen Ungleichmäßigkeit
des Abstandes a können
hingenommen werden.
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Wenn
der Tragkörper 26 durch
Kippen aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, wie dies z.B. in 2 und 4 dargestellt
ist, so berührt
das ringförmige
Gegenlager 28 die radial innere, konvexe Kegelstumpffläche 22 des
ringförmigen
Stützlagers 20 nur
noch in einem radial inneren Berührungspunkt 32;
zusätzlich
berührt
das Gegenlager 28 die radial äußere, konkave Kegelstumpffläche 24 des
Stützlagers 20 in
einem radial äußeren Berührungspunkt 34.
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Der
Tragkörper 26 ist
mit einer zentralen Taststiftaufnahme 36 ausgestattet,
die sich in distaler Richtung entlang der Längsachse T erstreckt und bei den
Ausführungsformen
gemäß 1 bis 6 einstückig mit
dem Tragkörper 26 ausgebildet
ist, bei den Ausführungsformen
gemäß 7 bis 12 hingegen
ein gesondertes, in Richtung der Längsachse T am Tragkörper 26 verschiebbares
Bauteil darstellt. In jedem Fall ist die Taststiftaufnahme 36 dazu
bestimmt, einen auswechselbaren Taststift 38 aufzunehmen,
der in üblicher
Weise einen kugel- oder scheibenförmigen oder sonstigen Tastkopf 40 trägt.
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Bei
den in 1 bis 8 dargestellten Messtastern
M ist jeweils am distalen Ende des Ansatzes 14, innerhalb
des proximalen Gehäuseteils 12,
ein bezüglich
der zentralen Achse Z konzentrischer kreisringförmiger Federsitz 42 ausgebildet,
und diesem steht ein ebenfalls kreisringförmiger Federsitz 44 gegenüber, der
an der proximalen Seite des Tragkörpers 26 konzentrisch
zu dessen Längsachse T
ausgebildet ist. Zwischen diesen beiden Federsitzen 42 und 44 ist
eine in den Beispielen gemäß 1 bis 8 kegelstumpfförmig gewendelte Schraubenfeder 46 eingespannt,
die ständig
bestrebt ist, den Tragkörper 26 in
seiner Ruhelage zu halten.
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Der
Ansatz 14 des proximalen Gehäuseteils 14 hat eine
vom Inneren des Gehäuses 10 ausgehende
axiale, also zur zentralen Achse Z konzentrische Bohrung 48,
in die radial ein Sensor 50, und diesem diametral gegenüber, ein
Emitter 52 hineinragen. In den dargestellten Beispielen
ist der Emitter 52 eine Lichtquelle, die zusammen mit dem
Sensor 50 eine Miniaturlichtschranke mit analogem Ausgangssignal
bildet.
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Jegliche
Auslenkung des Tastkopfes 40, und somit auch der Taststiftaufnahme 36,
aus ihrer Ruhelage wird dem Sensor 50 durch ein Übertragungsglied 54 mitgeteilt,
das ein schlanker, gerader Biegestab ist und vorzugsweise aus gezogenem
Federstahldraht von kreisförmigem
Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,2 mm besteht. Für Messtaster
normaler Größe hat sich
vor allem ein Federstahldraht von 0,8 mm Durchmesser bewährt; für besonders
kleine Messtaster kommt aber auch Federstahldraht erheblich kleineren
Durchmessers von beispielsweise 0,2 mm in Frage.
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Das Übertragungsglied 54 erstreckt
sich in Ruhelage geradlinig längs
der zentralen Achse Z des Messtasters M; sein distales Ende 56 ist
zentral an der Taststiftaufnahme 36 befestigt, gleichgültig, ob diese
gemäß 1 bis 6 mit
dem Tragkörper 26 einstückig ausgebildet
oder mit ihm fest verbunden ist oder ob die Taststiftaufnahme 36 gemäß 7 bis 12 gegenüber dem
Tragkörper 26 entlang
dessen Längsachse
T verschiebbar ist. Nahe seinem proximalen Ende 58 ist
das Übertragungsglied 54 in einer
Führungsbuchse 60 geführt, die
in die axiale Bohrung 48 des Ansatzes 14 eingepresst
oder auf andere Weise in dieser Bohrung befestigt ist. Die Führungsbuchse 60 kann
aus gegenüber
dem Material des Übertragungsgliedes 54 – gezogenem
Federstahldraht – reibungsarmem
Werkstoff, wie z.B. Polyamid oder Sinter-bronze bestehen. Besonders
bewährt
hat sich jedoch eine Alternative, bei der die Führungsbuchse 60 eine
handelsübliche
gehärtete Bohrbuchse
mit geschliffener Bohrung ist. In diesem Fall ist das Übertragungsglied 54 in
dem an sein proximales Ende 58 angrenzenden Abschnitt mit
reibungsminderndem Material beschichtet.
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In
Ruhelage ragt das proximale Ende 58 des Übertragungsgliedes 54 über das
proximale Ende der Führungsbuchse 60 hinaus
und reicht bis in die Mitte des vom Emitter 52 in Richtung
zum Sensor 50 ausgesandten Lichtstrahls. Bei der bevorzugten
Ausgestaltung des Sensors 50 und Emitters 52 als
Miniaturlichtschranke mit analogem Ausgangssignal ergibt sich die
Möglichkeit,
in einer Folgeelektronik beliebige Triggerschwellen zu setzen und
so selbst bei sehr kleiner Auslenkung des Übertragungsgliedes 54 ein
wiederholtreues Schaltsignal auszulösen.
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In
den Zeichnungen ist die Verwendung eines schlanken Biegestabes als Übertragungsglied 54 dargestellt.
Das Übertragungsglied 54 ist
hier ein Federstahldraht, dessen zum Biegen nutzbare Länge mit
dem Abstand zwischen dem distalen, in den Zeichnungen also unteren
Ende der Führungsbuchse 60 und
der proximalen, also oberen Stirnfläche des Tragkörpers 26 übereinstimmt.
Um zu verhindern, dass das Übertragungsglied 54 bei
starken radialen Auslenkungen des Tastkopfes 40, und somit bei
starkem Kippen des Tragkörpers 26, übermäßig hohen
Biegespannungen ausgesetzt wird, und um auch bei einem Messtaster
mit nicht besonders langem Gehäuse 10 Raum
für ein Übertragungsglied 54 in
Form eines ausreichend langen Biegestabes, insbesondere eines Federstahldrahtes,
zu gewinnen und dessen S-förmige
Biegung auch bei starken radialen Auslenkungen des Tastkopfes 40 zu
vermeiden, ist die Taststiftaufnahme 36 als Hohlkörper, nämlich gemäß den Zeichnungen
als Hohlkegel, gestaltet, und das distale Ende 56 des Übertragungsgliedes 54 ist,
vom Sensor 50 und von der Führungsbuchse 60 aus
betrachtet, weit jenseits der Lagerebene X, Y an der Taststiftaufnahme 36 befestigt.
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Der
in 1 bis 5 dargestellte Messtaster M
eignet sich auch für
drückende
Messungen in Richtung der zentralen Achse Z; dies ist in 5 dargestellt.
Dabei wird der Tragkörper 26 insgesamt
angehoben; das an ihm ausgebildete Gegenlager 28 verliert
also jeglichen Kontakt mit dem am distalen Gehäuseteil 16 ausgebildeten
Stützlager 20.
Die in 5 dargestellte Messrichtung wird als "–Z" bezeichnet; die Messwerte erhalten
also ein negatives Vorzeichen. Messungen in entgegengesetzter Richtung, mit
sogenannter ziehender Messrichtung "+Z" sind
mit den in 1 bis 6 dargestellten
Messtastern M nicht möglich.
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Der
Messtaster gemäß 6 unterscheidet sich
von dem in 1 bis 5 dargestellten
dadurch, dass das am distalen Gehäuseteil 16 ausgebildete
ringförmige
Stützlager 20 und
das am Tragkörper 26 ausgebildete
ringförmige
Gegenlager 28 von je einer Planverzahnung gebildet sind.
Dadurch ist der Tragkörper 26 in
seiner Ruhelage sowie bei allen radialen Auslenkungen des von ihm
getragenen Tastkopfes 40 daran gehindert, sich um seine
Längsachse
T zu drehen. Eine der beiden miteinander zusammenwirkenden Verzahnungen
kann bogenförmig abgerundet
sein, damit die Verzahnungen sich beim Kippen des Tragkörpers 26 gemäß 6 aneinander abwälzen können.
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Die
den bisher beschriebenen Messtastern fehlende Eignung für ziehende
Messungen ist bei den in 7 bis 12 dargestellten
Messtastern gegeben. Ihnen ist das weiterbildende Merkmal gemeinsam,
dass die Taststiftaufnahme 36 gegenüber dem Tragkörper 26 in
Richtung von dessen Längsachse
T verschiebbar ist. Zu diesem Zweck ist im Tragkörper 26 eine zentrale,
zylindrische Führung 62 ausgebildet,
in der eine entsprechend zylindrische Außenfläche der Taststiftaufnahme 36 nahezu
spielfrei geführt
ist. Die mögliche
Relativbewegung der Taststiftaufnahme 36 gegenüber dem
Tragkörper 26 ist
bei beiden in 7 und 8 einerseits
sowie in 9 bis 12 andererseits
dargestellten Messtastern durch zwei an der Taststiftaufnahme 36 angeordnete
ringförmige
Anschläge
begrenzt, nämlich einen
proximalen Anschlag 64 und einen distalen Anschlag 66.
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Bei
dem in 7 und 8 dargestellten Messtaster M
ist zwischen dem Tragkörper 26 und dem
proximalen Anschlag 64 an der Taststiftaufnahme 36 eine
wendelförmige
Druckfeder 68 eingespannt, die ständig bestrebt ist, die Taststiftaufnahme 36 gemäß 7 in
einer Nullstellung in bezug auf den Tragkörper 26 zu halten.
Bei einer ziehenden Messung, wie sie in 8 dargestellt
ist, bewegt sich die Taststiftaufnahme 36 gegen den Widerstand
der Druckfeder 68 in bezug auf den Tragkörper 26 in
distaler Richtung, gemäß 8 also
nach unten. Gleiches geschieht mit dem Übertragungsglied 54,
sodass dessen distales Ende 56 sich von der Lichtschranke 50, 52 entfernt
und diese ein entsprechendes Signal abgibt, das von einer Auswertschaltung als
Messung in Richtung "+Z" gewertet wird. Messungen
in Richtungen "–Z" lassen sich mit
dem in 7 und 8 ausgebildeten Messtaster in
entsprechender Weise ausführen
wie in 5 dargestellt.
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Der
Messtaster M gemäß 9 bis 12 unterscheidet
sich von dem in 7 und 8 dargestellten
im wesentlichen dadurch, dass das ringförmige Stützlager 20 – hier wiederum
in Form einer einfachen Ringrille – an der distalen Seite eines
Gehäuseflansches 70 ausgebildet
ist, der in diesem Fall Bestandteil des proximalen Gehäuseteils 12 ist.
Der Tragkörper 26 ist
dementsprechend in einem Raum zwischen diesem Gehäuseflansch 70 und
einem Gehäuseboden 72 angeordnet,
und das ringförmige
Gegenlager 28 ist an der proximalen Seite des Tragkörpers ausgebildet.
Anstelle der bei den Ausführungsformen
gemäß 1 bis 8 vorgesehenen
einzigen zentralen Feder 46, die das Gegenlager 28 in Richtung
zum Stützlager 20 hin
vorspannt, sind bei dem Messtaster gemäß 9 bis 12 mehrere funktionell
entsprechende Federn 46, dargestellt sind wendelförmige Zugfedern,
in gleichen radialen Abständen
von der zentralen Achse Z und in gleichen Winkelabständen voneinander
angeordnet. Schließlich
unterscheidet sich der Messtaster M gemäß 9 bis 12 von
dem in 7 und 8 dargestellten dadurch, dass
die Taststiftaufnahme 36 durch die Feder 68 in
distaler Richtung vorgespannt ist.
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Bei
allen dargestellten Messtastern ist der Übersichtlichkeit halber eine
Faltenbalganordnung weggelassen worden, die in bei Messtastern allgemein üblicher
Weise die Taststiftaufnahme 36 mit dem distalen Gehäuseteil 16 abdichtend
verbindet. Eine solche Anordnung ist vorzugsweise aus zwei Faltenbalgen
zusammengesetzt, einem äußeren, der im
Falle einer Beschädigung
vom Benutzer leicht ausgewechselt werden kann, und einem inneren,
der normalerweise nur vom Hersteller des Messtasters montiert wird
und meist die gleiche Lebensdauer hat wie der Messtaster insgesamt.