DE10314304A1

DE10314304A1 - Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE10314304A1
Application number: DE10314304A
Authority: DE
Inventors: Roland Roth; Walter Dominicus; Wolfgang Strauss; Karl Seitz
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Ein Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät weist einen auswechselbaren, miniaturisierten Taststift (108) auf. Der Taststift (108) ist starr und bildet zusammen mit einem membranartigen Sensorsystem (100), das bei Einwirken einer Kraft auf den Taststift (108) in vorbestimmter Weise auslenkbar ist, eine bauliche Einheit (116). Die bauliche Einheit (116) ist fest mit einem Tastkopfhalter (70) verbunden und zusammen mit diesem beim Auswechseln des Taststiftes (108) handhabbar. Das Sensorsystem (100) kann ferner elektrische Senorelemente (114) zum Erfassen der Auslenkung aufweisen. Zum mechanischen Befestigen der baulichen Einheit (116) am Tastkopf und zum elektrischen Anschließen der Sensorelemente (114) sind dann getrennte Mittel vorgesehen (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät, mit einem auswechselbaren, miniaturisierten Tastsystem mit einem Taststift, wobei der Taststift starr ist und zusammen mit einem membranartigen Sensorsystem, das bei Einwirken einer Kraft auf den Taststift in vorbestimmter Weise auslenkbar ist, eine bauliche Einheit bildet.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät, mit einem auswechselbaren, miniaturisierten Tastsystem mit einem Taststift, wobei der Taststift starr ist und zusammen mit einem membranartigen Sensorsystem, das bei Einwirken einer Kraft auf den Taststift in vorbestimmter Weise auslenkbar ist, eine bauliche Einheit bildet, und wobei ferner das Sensorsystem elektrische Sensorelemente zum Erfassen der Auslenkung aufweist.

Ein Tastkopf der vorstehend genannten Art ist aus der DE 101 08 774 A1 bekannt.

Bei Koordinatenmessgeräten ist es in der Praxis häufig erforderlich, den Taststift auszuwechseln, damit nacheinander verschiedenartige Messaufgaben durchgeführt werden können. Hierzu zählen beispielsweise das Ausmessen von unterschiedlich tiefen Bohrungen, von Bohrungen mit unterschiedlichem Innendurchmesser und dergleichen, wobei in diesen Fällen jeweils Taststifte unterschiedlicher Länge sowie an deren freiem Ende angeordnete Tastkugeln unterschiedlichen Durchmessers erforderlich sind.

In diesem Zusammenhang werden miniaturisierte Anordnungen eingesetzt, bei denen ein Taststift von typischerweise 5 bis 15 mm Länge Teil eines membranartigen Sensorsystems ist. wenn der Taststift durch eine Kraft in Achsrichtung oder quer dazu ausgelenkt wird, führt dies zu einer kontrollierten Auslenkung, d.h. Verbiegung der Membrananordnung. Diese kontrollierte Auslenkung wird über Sensorelemente erfasst, deren Ausgangssignal in die reale Auslenkung des Taststiftes bzw. der daran befestigten Tastkugel umgerechnet werden kann.

Bei einer derartigen Anordnung, wie sie in der eingangs genannten DE 101 08 774 A1 beschrieben ist, wird gemäß einer ersten Variante eine Glasplatte verwendet, an der der Taststift befestigt ist. Eine Auslenkung des Taststiftes führt zu einer Verschiebung der Glasplatte, die ihrerseits über optische Sensoren erfasst wird. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird eine membranartige Anordnung verwendet, die in der Draufsicht quadratisch ist und einen verdickten, umlaufenden Rand aufweist. In der Mitte der Anordnung befindet sich eine weitere Verdickung, die den Taststift mit Tastkugel trägt. Zwischen dem Rand und der Mitte befindet sich eine membranartige Zone, die auf der vom Taststift abgewandten Seite mit piezoresistiven Elementen bzw. mit Dehnungsmessstreifen versehen ist. Eine Auslenkung des Taststiftes führt hier zu einer Verwindung der membranartigen Zone und damit zu einer Signalgabe durch die piezoresistiven Elemente bzw. die Dehnungsmessstreifen. Einzelheiten hinsichtlich der Signalabnahme sowie der Montage dieses membranartigen Sensorsystems sind dabei nicht angegeben.

Andererseits besteht ein Bedürfnis, die eingangs erwähnten Messaufgaben mit unterschiedlichen Taststiften nach Möglichkeit automatisiert, d.h. mit möglichst geringen Rüstzeiten ausführen zu können.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, einen Tastkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Auswechselbarkeit der aus miniaturisiertem Taststift und membranartigem Sensorsystem gebildeten baulichen Einheit vereinfacht und mit höherer betrieblicher Sicherheit versehen wird. Dadurch soll es möglich werden, das Auswechseln eines Tast systems auch automatisieren zu können, insbesondere mit Hilfe eines CNC-gesteuerten Koordinatenmessgerätes.

Bei einem Tastkopf der eingangs zunächst genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die bauliche Einheit fest mit einem Tastkopfhalter verbunden und zusammen mit diesem beim Auswechseln des Taststiftes handhabbar ist.

Bei einem Tastkopf der eingangs als zweites genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum mechanischen Befestigen der baulichen Einheit am Tastkopf einerseits und zum elektrischen Anschließen der Sensorelemente andererseits getrennte Mittel vorgesehen sind.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Gemäß der vorstehend zunächst genannten Vorgehensweise wird ein größeres und damit einfacher handhabbares Element gebildet, nämlich der Tastkopfhalter, der mit der baulichen Einheit verbunden ist. Ein Tastkopfhalter lässt sich dann leichter handhaben, ohne dass die Gefahr besteht, dass insbesondere der Taststift bereits bei geringfügiger Unachtsamkeit abbricht.

Gemäß der als zweites genannten Vorgehensweise wird die Aufgabe deswegen gelöst, weil die bauliche Trennung zwischen mechanischer Befestigung einerseits und elektrischem Anschluss andererseits es ermöglicht, jede dieser beiden Funktionen separat, d.h. auch in zeitlicher Reihenfolge jeweils für sich zu optimieren. So ist es beispielsweise möglich, die bauliche Einheit zunächst mechanisch zu befestigen und erst dann elektrisch anzuschließen, oder der elektrische Anschluss vollzieht sich von selbst, wenn die mechanische Befestigung abgeschlossen ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Tastkopfes ist der Tastkopfhalter hülsenartig ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Tastkopfhalter in einfacher Weise ergriffen und z.B. durch Aufschieben auf oder Einschieben in ein entsprechendes Gegenstück in einfacher Weise fixiert werden kann.

Weiterhin ist bevorzugt, wenn ein hinterer Abschnitt des Tastkopfhalters mit einer Tastkopfaufnahme des Koordinatenmessgerätes verbindbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Schnittstelle aus Tastkopfhalter und Tastkopfaufnahme für den jeweiligen Einsatzfall individuell optimiert werden kann.

Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer Weiterbildung dieser Variante der hintere Abschnitt über eine konische Passung mit der Tastkopfaufnahme verbindbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass hinsichtlich des Tastkopfhalters und der Tastkopfaufnahme eine perfekte Gleichachsigkeit erzielt werden kann.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorsystem an einem vorderen Abschnitt des Tastkopfhalters befestigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Sensorsystem in optimaler Weise frei liegt.

Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der der Tastkopfhalter in einer gegenüber einer Achse der Tastkopfaufnahme definierten Drehstellung mit der Tastkopfaufnahme verbindbar ist.

Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine hohe Reproduzierbarkeit des Messergebnisses erreicht wird. Ferner ist von Vorteil, dass bei einer auch in Drehrichtung definierten Position des Tastkopfhalters und damit der aus dem membranartigen Sensorsystem und dem miniaturisierten Taststift bestehenden baulichen Einheit das Sensorsystem in vollkommen definierter Lage eingebaut ist, so dass eine elektrische Kontaktierung des Sensorsystems in reproduzierbarer Weise möglich ist.

Gemäß einer Weiterbildung der genannten Variante der Erfindung ist zum Definieren der Drehstellung eine Kugel vorgesehen, die in der definierten Drehstellung in eine Nut der Tastkopfaufnahme oder in eine Bohrung an dem Tastkopfhalter einfällt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bei einfacher Montage ein zuverlässiges Erreichen und Einhalten der definierten Drehstellung möglich ist, wenn die Kugel in die Bohrung eingefallen ist.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erstreckt sich die Tastkopfaufnahme entlang einer Achse, und der Tastkopfhalter ist mit einem vorderen Endabschnitt der Tastkopfaufnahme verbindbar.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine streng axiale Bauweise möglich ist, wie sie insbesondere im Zusammenhang mit Pinolen von Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise oder in Freiarmbauweise einsetzbar ist.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Sensorsystem an einer radialen Rückseite des Tastkopfhalters befestigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Sensorsystem weitgehend geschützt untergebracht ist. Ferner besitzt das Sensorsystem auf diese Weise ein axiales Widerlager, so dass das Sensorsystem von seiner Rückseite her angefahren werden kann, beispielsweise zum Zwecke des elektrischen Kontaktierens.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Sensorsystem mit dem Tastkopfhalter verklebt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die mit dem Tastkopfhalter gebildete Einheit in einfacher Weise vorgefertigt werden kann, wobei durch das Verkleben eine dauerhafte Verbindung zwischen Sensorsystem und Tastkopfhalter hergestellt wird.

Gemäß einer Variante der beiden vorgenannten Ausführungsbeispiele kann das Sensorsystem mit der Rückseite des Tastkopfhalters verklebt sein, zu welchem Zwecke bevorzugt Klebetaschen zur Aufnahme von Klebstoff im Bereich der Rückseite vorgesehen sind.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass eine einfache mechanische Vorfertigung möglich ist, die zu einem stabilen Gebilde führt.

Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist weiter bevorzugt, wenn der Taststift durch eine zentrale Öffnung in der Rückseite ragt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die mechanische Kapselung des Sensorsystems so weit wie möglich realisiert werden kann, wobei nur diejenigen Teile frei liegen, die aus mechanischen Gründen frei liegen müssen.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist das Sensorsystem auf seiner vom Taststift abgewandten Rückseite für eine Erfassung seiner Auslenkung zugänglich.

Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, dass die gesamte Messwerterfassung im gekapselten Bereich des Tastkopfes stattfinden kann und damit die eigentliche Messung an dem Taststift nicht behindert wird.

Wenn in an sich ebenfalls bekannter Weise das Sensorsystem elektrische Sensorelemente zum Erfassen der Auslenkung aufweist, ist weiter besonders bevorzugt, wenn die Sensorelemente im genannten Sinne von der Rückseite her kontaktierbar sind.

Dies geschieht gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch, dass zum Kontaktieren der Sensorelemente Federstifte vorgesehen sind.

Diese Maßnahme hat den wesentlichen Vorteil, dass der Kontakt zu den Sensorelementen selbsttätig hergestellt werden kann, wenn der Tastkopfhalter mit dem daran befestigten Sensorsystem am Tastkopf befestigt wird. Durch entsprechende Auslegung der Federstifte kann dabei die Kontaktkraft in gewünschter Weise eingestellt werden. Die federnde Anlage der Federstifte hat darüber hinaus den Vorteil, dass in Achsrichtung der Federstifte vorhandene Passungsfehler kompensiert werden können.

Bei dieser Variante der Erfindung ist weiter bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Federstiften in einem Federstifthalter gehalten ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von elektrischen Kontakten gleichzeitig mit einem einzigen gemeinsamen Bauelement, nämlich dem Federstifthalter, hergestellt werden kann.

Hierzu ist der Federstifthalter bevorzugt in dem vorderen Endabschnitt der Tastkopfaufnahme befestigt. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass der Tastkopfhalter auf den vorderen Endabschnitt aufgeschoben und der Federstifthalter in den vorderen Endabschnitt eingesteckt ist.

Wenn dann in weiterer Ausbildung der Erfindung der Tastkopfhalter mit dem Endabschnitt verschraubbar ist, vorzugsweise mittels einer Überwurfmutter, so ist es insgesamt mit wenigen Handgriffen möglich, den erfindungsgemäßen Tastkopf mit allen im vorliegenden Zusammenhang interessierenden Elementen zu montieren.

Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen ist weiter bevorzugt, wenn der Federstifthalter in einer vorbestimmten Drehstellung relativ zu einer Achse des Tastkopfhalters befestigbar ist.

Diese Maßnahme hat den bereits weiter oben abgehandelten Vorteil, dass durch die vollständige Definition der Position der Elemente eine genaue Kontaktierung möglich ist, auch wenn eine Vielzahl von Sensorelementen kontaktiert werden muss.

Obwohl im Rahmen der vorliegenden Erfindung Sensorsysteme unterschiedlichster Art eingesetzt werden können, ist doch bevorzugt, ein an sich bekanntes Sensorsystem einzusetzen, das einen verdickten Rand aufweist, wobei der Taststift in einer Mitte des Sensorsystems angeordnet ist und sich zwischen dem Rand und der Mitte ein Membranbereich befindet.

Bei der vorgenannten Art von Sensorsystemen kann der Membranbereich in der Draufsicht mehreckig-, vorzugsweise rechteckigrahmenförmig, insbesondere quadratisch-rahmenförmig ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn der Membranbereich in der Draufsicht kreisringförmig ausgebildet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass an den am höchsten belasteten Stellen des Membranbereiches keine Kerbwirkungen auftreten. Es sind daher – bei gleichen Kräfteverhältnissen – größere Auslenkungen bis zur Bruchgrenze des Membranbereiches möglich. Ferner ist von Vorteil, dass in der Ebene des Membranbereiches, also üblicherweise in der sog. X-Y-Ebene des Koordi natenmessgerätes, symmetrische Signalverläufe entstehen. Schließlich erhält man eine größere Empfindlichkeit des Sensorsystems, wenn die Sensorelemente unmittelbar am inneren Rand des Membranbereiches positioniert werden, wo die maximalen Verformungen auftreten.

In an sich bekannter Weise ist ferner bevorzugt, wenn die Mitte verdickt ausgebildet ist. Die verdickte Mitte kann dabei als Pyramidenstumpf ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn die verdickte Mitte als Kegelstumpf ausgebildet ist.

Diese Maßnahme ergänzt sich besonders gut mit der kreisringförmigen Ausbildung des Membranbereiches, um die oben bereits angeführten Vorteile noch vollkommener zu erreichen.

Die Ausführungsbeispiele mit dem kreisringförmigen Membranbereich und der kegelstumpfförmig verdickten Mitte sind auch unabhängig von den anderen Merkmalen der vorliegend beschriebenen Erfindung einsetzbar.

Bei den Ausführungsbeispielen von Tastköpfen der vorstehend erläuterten Art ist schließlich bevorzugt, wenn die bauliche Einheit beim Auswechseln des Taststiftes mittels eines numerisch gesteuerten Roboters handhabbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein Wechsel des Taststiftes zwischen zwei Einzel-Messaufgaben in extrem kurzer Zeit und mit höchster Reproduzierbarkeit und geringstem Risiko von Beschädigungen des Taststiftes ausgeführt werden kann.

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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tastkopf es;
2 einen Ausschnitt aus 1, in vergrößertem Maßstab, zur Erläuterung weiterer Einzelheiten;
3 eine perspektivische Ansicht eines Tastkopfhalters aus dem Tastkopf gemäß den 1 und 2;
4A und 4B Seitenansichten, im Schnitt und in vergrößertem Maßstab, eines Sensorsystems des Tastkopf es gemäß den 1 und 2, in zwei verschiedenen Betriebsstellungen;
4C bis 4E Drauf sichten auf drei Ausführungsbeispiele des Sensorsystems gemäß 4A, in Richtung der Pfeile IV-IV von 4A;
5 eine perspektivische Darstellung, in stark vergrößertem Maßstab, eines Federstifthalters des Tastkopfes gemäß den 1 und 2.
1 zeigt mit dem Bezugszeichen 10 insgesamt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tastkopfes. Der Tastkopf 10 kann beispielsweise am unteren Ende einer Pinole eines Koordinatenmessgerätes in Portalbauweise oder Freiarmbauweise angeordnet sein. Dies ist in 1 mit dem Bezugszeichen 12 angedeutet. Der Tastkopf 10 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Achse 11, die in 1 horizontal dargestellt ist und in der Praxis meist eine Vertikalachse, die sogenannte Z-Achse, ist.
Der Tastkopf 10 weist an seinem in 1 linken Ende eine Tastkopf aufnahme 14 auf. Die Tastkopf aufnahme 14 verfügt an ihrem in 1 linken Ende über einen Mehrkantkopf 16. Daran schließt sich nach rechts ein mittlerer Abschnitt 18 an, der in ein Außengewinde 20 ausläuft. Danach folgt ein sich konisch verjüngender Abschnitt 22, dessen konische Außenoberfläche mit 24 bezeichnet ist. Schließlich ist an dem in 10 rechten Ende der Tastkopf aufnahme 14 ein vorderer Endabschnitt 26 vorgesehen, der sich radial in Form einer inneren Ringschulter 28 verjüngt.
Innen ist die Tastkopfaufnahme 14 entlang der Achse 11 mit einer gestuften Durchgangsöffnung 30 versehen. An dem in 1 rechten Ende der Tastkopfaufnahme 14 wird die Durchgangsöffnung 30 durch eine erste Innenzylinderfläche 32 gebildet. Im mittleren Abschnitt 18 befindet sich eine zweite Innenzylinderfläche 34 mit etwas größerem Durchmesser, die in 1 nach links in ein Innengewinde 36 ausläuft.
Wie man nun in weiteren Einzelheiten aus 2 entnehmen kann, ist in die Durchgangsöffnung 30 ein im Wesentlichen zylindrischer Federstifthalter 40 eingesteckt, dessen Außenzylinderfläche 42 an die erste Innenzylinderfläche 32 angepasst ist, so dass der Federstifthalter 40 am vorderen, d.h. in 1 rechten Ende der Tastkopfaufnahme 13, radial und über seine Vorderseite 44 auch axial an der inneren Ringschulter 28 gehalten ist. Ein Vorsprung 46, der besonders deutlich in 5 zu erkennen ist, greift in eine entsprechende Aussparung an der inneren Ringschulter 28, so dass der Federstifthalter 40 auch in seiner Drehstellung fixiert ist, wenn der in seiner in 1 und 2 dargestellten Betriebsstellung sitzt. Alternativ kann hierzu auch eine Ausnehmung 48 am Umfang des Federstifthalters 40 vorgesehen werden, die in 5 dargestellt ist.
Um den Federstifthalter 40 in der in 1 und 2 dargestellten Stellung zu fixieren, wird eine Niederhalterhülse 50 verwendet, die in 1 und 2 in axialer Richtung an eine Rückseite 51 des Federstifthalters 40 anstößt. Hierzu ist die Niederhalterhülse 50 mit einem verjüngten vorderen Ende 52 versehen.
Die Niederhalterhülse 50 läuft mit ihrer Außenzylinderfläche 53 in der zweiten Innenzylinderfläche 34 der Durchgangsöffnung 30.
Ein hinteres Ende 54 der Niederhalterhülse 50 ist mit einer Umfangsnut 56 versehen, die in 1 dargestellt ist.
Zum Fixieren der Niederhalterhülse 50 in der in 1 und 2 dargestellten Stellung dient eine Niederhaltemutter 60, die mit ihrer Außenzylinderfläche 61 in der zweiten Innenzylinderfläche 34 der Durchgangsöffnung 30 läuft. Die Niederhaltemutter 60 ist auf ihrer Vorderseite mit einem an ihrem Umfang befindlichen ringförmigen Vorsprung 62 versehen, der in die Umfangsnut 56 der Niederhalterhülse 50 greift.
Am rückwärtigen Ende ist die Niederhaltemutter 60 mit einem Außengewinde 64 versehen, das in dem Innengewinde 36 der Tastkopfaufnahme 14 läuft. Mittels geeigneter Umfangsschlitze und dergleichen (nicht dargestellt) kann die Niederhaltemutter 60 folglich in die Durchgangsöffnung 30 eingeschraubt werden, bis sie die Niederhalterhülse 50 gegen den Federstifthalter 40 drückt und dieser axial mit seiner Vorderseite 44 an der inneren Ringschulter 28 fest anliegt.
Auf den vorderen Endabschnitt 26 der Tastkopfaufnahme 14 ist ein auswechselbares, miniaturisiertes Tastsystem in Gestalt eines hülsenförmigen Tastkopfhalters 70 aufschiebbar. Der Tastkopfhalter 70 weist einen hinteren, d.h. in 1 und 2 linken Abschnitt 72 auf. Dieser ist mit einer konischen Innenoberfläche 74 versehen, die komplementär zur konischen Außenoberfläche 24 am konisch verjüngten Abschnitt 22 der Tastkopfaufnahme 14 ausgebildet ist. Damit wird der Tastkopfhalter 70 auf diesem Abschnitt 22 der Tastkopfaufnahme 14 zentriert.
Ein mittlerer Abschnitt 76 des Tastkopfhalters 70 läuft mit einer Innenzylinderfläche 78 auf dem vorderen Endabschnitt 26 der Tastkopfaufnahme 14.
Wenn der Tastkopfhalter 70 auf das vordere Ende der Tastkopfaufnahme 14 in der beschriebenen Weise aufgeschoben ist, kann er in dieser Position mittels einer Überwurfmutter 79 fixiert werden, die auf das Außengewinde 20 der Tastkopfaufnahme 14 aufschraubbar ist.
Ein vorderer Abschnitt 80 des Tastkopfhalters 70 erstreckt sich im Wesentlichen in radialer Richtung nach unten und lässt im Bereich der Achse 11 eine zentrale Öffnung 82 frei. Dies und weitere Einzelheiten sind besonders gut aus der perspektivischen Darstellung in 3 zu erkennen.
An einer Umfangsposition ist der mittlere Abschnitt 76 des Tastkopfhalters 70 mit einer radialen Bohrung 84 versehen, in die eine Kugel 86 eingesetzt und vorzugsweise mittels einer Feder (nicht dargestellt) radial nach innen vorgespannt ist. Die Bohrung 84 geht in eine Axialnut 88 im vorderen Endabschnitt 26 der Tastkopfaufnahme 14 über, die ebenfalls nur an einer Umfangsposition der Tastkopfaufnahme 14 angebracht ist. Wenn daher der Tastkopfhalter 70 in der beschriebenen und in den 1 und 2 dargestellten Weise auf das vordere Ende der Tastkopfaufnahme 14 aufgeschoben und dann um die Achse 11 verdreht wird, wird zusätzlich eine definierte Drehstellung erreicht, wenn die Kugel 86 aus der Bohrung 84 teilweise in die Axialnut 88 eintritt.
Wie man besonders gut aus der perspektivischen Darstellung in 3, aber auch aus 2 erkennt, weist der vordere Abschnitt 80 des Tastkopfhalters 70 eine Rückseite 90 auf, die sich im Wesentlichen in einer Radialebene relativ zur Achse 11 erstreckt. An der Rückseite 90 befindet sich eine Aussparung 91 von beispielsweise quadratischer Gestalt. An den Ecken der Aussparung 91 befinden sich Klebetaschen 92.
Diese Anordnung dient zum Befestigen, d.h. zum Einkleben eines Sensorsystems 100. Das Sensorsystem 100 wird bei der Montage in die Aussparung 91 eingesetzt und dann durch Einfüllen von Klebstoff in die Klebetaschen 92 und durch anschließendes Aushärten des Klebstoffes auf der Rückseite 90 fixiert.
Das auf diese Weise fixierte Sensorsystem 100 ist mechanisch äußerst empfindlich, so dass eine Schutzkappe 101 auf den mittleren Abschnitt 76 des Tastkopfhalters 70 aufgesteckt werden kann, um eine Beschädigung des Sensorsystems 100 zu verhindern, wenn dieses nicht in Betrieb ist.
Das Sensorsystem 100, das an sich aus der eingangs gewürdigten DE 101 08 774 A1 bekannt ist, hat entweder die sich aus 3 ergebende quadratische Draufsichtsform oder eine Kreisform.
Wie man aus den 4A und 4B in weiteren Einzelheiten entnehmen kann, verfügt das Sensorsystem 100 über einen verdickten Rand 102 und eine erhabene Mitte 104, den sogenannten "boss", wobei sich zwischen Rand 102 und Mitte 104 ein Membranbereich 106 befindet. Die Dicke des Randes 102 ist in 4A mit D und die Dicke des Membranbereichs 106 mit d bezeichnet. Das Sensorsystem 100 ist vorzugsweise auf Siliciumbasis aufgebaut und kann beispielsweise eine Kantenlänge von etwa 6 mm aufweisen. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke D z.B. 0,5 mm und die Dicke d etwa 30 μm.
Von der Mitte 104 erstreckt sich in Richtung der Achse 11 ein Taststift 108, an dessen freiem Ende sich eine Kugel 110 befindet. In dem genannten Ausführungsbeispiel kann der Taststift 108 eine Länge von 8 mm und einen Durchmesser von 0,2 mm aufweisen, während die Tastkugel 110 einen Durchmesser von 0,3 mm haben kann.
An einer Rückseite 112 des Sensorsystems 100 sind Sensorelemente 114 vorgesehen. Die Sensorelemente 114 arbeiten auf elektrischem Wege. Sie können z.B. als Dehnungsmessstreifen oder als piezoelektrische Elemente ausgebildet sein. Das Sensorsystem 100 mit dem Taststift 108 und den Sensorelementen 114 bildet insgesamt eine bauliche Einheit 116, die in der beschriebenen Weise an der Rückseite 90 des vorderen Abschnitts 80 des Tastkopfhalters 70 eingeklebt, d.h. vormontiert, wird.
4C zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 100. Bei diesem ist der Membranbereich 106 in einer an sich aus der DE 101 08 774 A1 bekannten Weise in der Draufsicht rechteckig-, vorzugsweise quadratisch-rahmenförmig und die erhabene Mitte 104 als vierseitiger Pyramidenstumpf im Zentrum des Membranbereiches 106 mit ebenfalls quadratischer Grundfläche ausgebildet. Der Membranbereich 106 hat beispielsweise eine äußere Kantenlänge von 3 mm und der Pyramidenstumpf eine untere Kantenlänge von 1,6 mm.
Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß 4D ist der Membranbereich 106 eines Sensorsystems 100' ebenfalls quadratisch, die erhabene Mitte 104' jedoch kegelstumpfförmig ausgebildet. Der untere Durchmesser des Kegelstumpfes beträgt beispielsweise 1,6 mm.
Bei einer dritten Ausführungsform ist der Membranbereich 106' eines Sensorsystems 100'' in der Draufsicht kreisförmig und die erhabene Mitte 104' wiederum kegelstumpfförmig ausgebildet. Der Kreisring hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 3 mm.
Bei der zweiten und der dritten Ausführungsform befindet sich innerhalb des Membranbereiches 106 bzw. 106' der Ort maximaler Verformung am inneren Rand. Es ist daher in diesen Fällen bevorzugt, die Sensorelemente 114 dort anzubringen.
Die zweite und die dritte Ausführungsform sind auch unabhängig von den anderen Merkmalen der vorliegend beschriebenen Erfindung einsetzbar.
Der elektrische Kontakt zu den Sensorelementen 114 wird mit einer Mehrzahl von Federstiften 120 hergestellt. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Gruppen von je vier Federstiften jeweils um 90° zueinander versetzt und um die Achse 11 verteilt vorgesehen. Die Federstifte 120 weisen jeweils einen vorderen Abschnitt 122 auf, der mit einer vorderen Spitze 124 an ein zugehöriges Kontaktplättchen (nicht dargestellt) eines Sensorelementes 114 anlegbar ist. Die vorderen Abschnitte 122 der Federstifte 120 sind axial federnd in hinteren Abschnitten 126 der Federstifte 120 gelagert.
Um zwischen zwei Messvorgängen den Taststift 108 auszuwechseln, geht man bei dem vorstehend beschriebenen Tastkopf 10 wie folgt vor:
Zunächst wird die Überwurfmutter 79 vom Außengewinde 20 abgeschraubt. Als nächstes wird der Tastkopfhalter 70 mit oder ohne die aufgesetzte Schutzkappe 101 in Richtung der Achse 11 vom vorderen Ende der Tastkopfaufnahme 14 abgezogen. Dabei löst sich das Sensorsystem 100 selbsttätig von den Federstiften 120, die bei diesem Abziehen von den jeweils zugehörigen Kontaktplättchen der Sensorelemente 114 abheben.
Als nächstes muss nun ein neuer Tastkopfhalter 70 mit dem gewünschten anderen Taststift 108 in axialer Richtung auf das vordere Ende der Tastkopfaufnahme 14 aufgeschoben werden, wobei durch eine Verdrehung in Umfangsrichtung sichergestellt wird, dass die Kugel 86 in die in 2 dargestellte Stellung gelangt, in der die vorbestimmte Drehstellung erreicht ist. Der Tastkopfhalter 70 muss nun nur noch durch Aufschrauben der Überwurfmutter 79 auf das Außengewinde 20 in axialer Richtung fixiert werden. Durch die konische Passung 24/74 wird der Tastkopfhalter 70 dabei relativ zur Achse 11 automatisch zentriert.
Die vorstehend genannten Montagevorgänge lassen sich in einfacher weise automatisieren, insbesondere unter Zuhilfenahme eines NC-gesteuerten Roboters, insbesondere des Koordinatenmessgerätes selbst.

Claims

Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät, mit einem auswechselbaren, miniaturisierten Tastsystem mit einem Taststift (108), wobei der Taststift (108) starr ist und zusammen mit einem membranartigen Sensorsystem (100), das bei Einwirken einer Kraft (F) auf den Taststift (108) in vorbestimmter Weise auslenkbar ist, eine bauliche Einheit (116) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit (116) fest mit einem Tastkopfhalter (70) verbunden und zusammen mit diesem beim Auswechseln des Taststiftes (108) handhabbar ist.
Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopfhalter (70) hülsenartig ausgebildet ist.
Tastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hinterer Abschnitt (72) des Tastkopfhalters (70) mit einer Tastkopfaufnahme (14) des Koordinatenmessgerätes verbindbar ist.
Tastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Abschnitt (72) über eine konische Passung (24/74) mit der Tastkopfaufnahme (14) verbindbar ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) an einem vorderen Abschnitt (80) des Tastkopfhalters (70) befestigt ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopfhalter (70) in einer gegenüber einer Achse (11) der Tastkopfaufnahme (14) definierten Drehstellung mit der Tastkopfaufnahme (14) verbindbar ist.
Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Definieren der Drehstellung eine Kugel (86) vorgesehen ist, die in der definierten Drehstellung in eine Axialnut (88) der Tastkopfaufnahme (14) oder in eine Bohrung (84) an dem Tastkopfhalter (70) einfällt.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastkopfaufnahme (14) sich entlang einer Achse (11) erstreckt, und dass der Tastkopfhalter (70) mit einem vorderen Endabschnitt (26) der Tastkopfaufnahme (14) verbindbar ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) an einer radialen Rückseite (90) des Tastkopfhalters (70) befestigt ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) mit dem Tastkopfhalter (70) verklebt ist.
Tastkopf nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) mit der Rückseite (90) verklebt ist.
Tastkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite (90) Klebetaschen (92) zur Aufnahme von Klebstoff vorgesehen sind.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Taststift (108) durch eine zentrale Öffnung in der Rückseite (90) ragt.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) auf seiner vom Taststift (108) abgewandten Rückseite (112) für eine Erfassung seiner Auslenkung zugänglich ist.
Tastkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) elektrische Sensorelemente (114) zum Erfassen der Auslenkung aufweist.
Tastkopf nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (114) von der Rückseite her kontaktierbar sind.
Tastkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kontaktieren der Sensorelemente (114) Federstifte (120) vorgesehen sind.
Tastkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Federstiften (120) in einem Federstifthalter (40) gehalten ist.
Tastkopf nach Anspruch 8 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Federstifthalter (40) in dem vorderen Endabschnitt (26) der Tastkopfaufnahme (14) befestigt ist.
Tastkopf nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopfhalter (70) auf den vorderen Endabschnitt (26) aufgeschoben und der Federstifthalter (40) in den vorderen Endabschnitt (26) eingesteckt ist.
Tastkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopfhalter (70) mit dem Endabschnitt (26) verschraubbar ist.
Tastkopf nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopfhalter (70) mit dem Endabschnitt (26) mittels einer Überwurfmutter (79) verschraubbar ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Federstifthalter (40) in einer vorbestimmten Drehstellung relativ zu einer Achse (11) des Tastkopfhalters (70) befestigbar ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (100) einen verdickten Rand (102) aufweist, dass der Taststift (108) in einer Mitte (104) des Sensorsystems (100) angeordnet ist, und dass sich zwischen dem Rand (102) und der Mitte (104) ein Membranbereich (106) befindet.
Tastkopf nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbereich (106) in der Draufsicht mehreckig-, insbesondere rechteckig-rahmenförmig ist.
Tastkopf nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbereich (106) in der Draufsicht quadratischrahmenförmig ist.
Tastkopf, insbesondere nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbereich (106') in der Draufsicht kreisringförmig ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte (104) verdickt ausgebildet ist.
Tastkopf nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die verdickte Mitte (104) als Pyramidenstumpf ausgebildet ist.
Tastkopf, insbesondere nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die verdickte Mitte (104') als Kegelstumpf ausgebildet ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit (116) beim Auswechseln des Taststiftes (108) mittels eines numerisch gesteuerten Roboters handhabbar ist.
Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät, mit einem auswechselbaren, miniaturisierten Tastsystem mit einem Taststift (108), wobei der Taststift (108) starr ist und zusammen mit einem membranartigen Sensorsystem (100), das bei Einwirken einer Kraft (F) auf den Taststift (108) in vorbestimmter Weise auslenkbar ist, eine bauliche Einheit (116) bildet, und wobei ferner das Sensorsystem (100) elektrische Sensorelemente (114) zum Erfassen der Auslenkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum mechanischen Befestigen der baulichen Einheit (116) am Tastkopf (10) einerseits und zum elektrischen Anschließen der Sensorelemente (114) andererseits getrennte Mittel vorgesehen sind.
Tastkopf nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (114) mittels Federstiften (120) kontaktierbar sind.
Tastkopf nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (114) auf einer vom Taststift (108) abgewandten Rückseite (112) des Sensorsystems (100) kontaktierbar sind.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit mit dem Tastkopf (10) verschraubbar ist.
Tastkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit (116) fest mit einem Tastkopfhalter (70) verbunden und zusammen mit diesem beim Auswechseln des Taststiftes (108) handhabbar ist.