DE19721015C1 - Universeller Tastkopf für Verzahnungsmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf in horizontaler Bauweise für numerisch gesteuerte Verzah­ nungsmeßgeräte mit einem in mehreren Freiheitsgraden parallel zu sich selbst auslenkbaren Tast­ stiftträger, der über mehrere funktionell parallel angeordnete Federparallelogramm-Systeme an der festen Tastkopfbasis angelenkt ist und dessen Auslenkungen durch drei an der Tastkopfbasis befestigte Meßwertgeber für die drei Raumkoordinatenrichtungen X, Y, Z erfaßbar sind, wobei die horizontale Y-Richtung mit der Längsachse des Tastkopfes zusammenfällt, die X-Richtung der seitlichen und die Z-Richtung der vertikalen Auslenkung des Taststiftträgers entspricht.

Ein solcher Tastkopf ist in der DE 39 05 952 A1 beschrieben und seine technische Ausführungs­ form ist in der Fig. 6 dieser Offenlegungsschrift dargestellt. Dort sind zwischen dem festen und dem beweglichen Teil des Tastkopfes drei parallel geschaltete Gelenksysteme vorgesehen, die jeweils aus einer Federgelenkplatte und zwei Doppelgelenkstäben bestehen. Zusammen haben sie die Form eines Würfels, wobei der feststehende Teil des Tastkopfes drei Kanten bildet, die zu einer Ecke zusammenlaufen, und der bewegliche Teil drei Kanten bildet, die zu der räumlich diagonalen Ecke des Würfels zusammenlaufen, wo sich auch der Taststift befindet. Bezogen auf Antastkräfte am Taststift handelt es sich somit um einen unsymmetrischen Aufbau, der dazu führt, daß die zwar angestrebte torsionssteife Konstruktion für den Einsatz an einem Verzah­ nungsmeßgerät nicht ausreichend ist.

Ein anderer, aus der DE 195 00 451 A1 bekannter Tastkopf ist zu seiner Mittelachse A symme­ trisch aufgebaut, und seine beweglichen Teile sollen eine möglichst geringe Masse besitzen. Die Blattfedergelenke sind so angeordnet, daß der Taststiftträger in Richtung der Mittelachse ver­ schiebbar und in den zwei Freiheitsgraden senkrecht zur Mittelachse verschwenkbar gelagert ist. Diese letzte Eigenschaft hat allerdings den entscheidenden Nachteil, daß das Meßergebnis von dem momentanen Abstand abhängt, den der Berührpunkt auf der Tastkugel von dem Schwenk­ punkt des Taststifts hat. Daher ist dieser Tastkopf für Verzahnungsmessungen nicht einsetzbar, bei denen außerdem der Taststift gegen längere oder auch gekröpfte Taststifte ohne aufwendige Kalibrierung austauschbar sein muß. Diese Bedingung kann nur ein Tastkopf erfüllen, dessen Taststiftträger parallel zu sich selbst auslenkbar ist.

Daneben sind messende Tastköpfe in vertikaler Bauweise für Koordinatenmeßgeräte bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 0693669 A2 und der DE 34 12 302 A1 beschrieben sind, bei denen je ein Federparallelogramm für eine der drei Koordinatenrichtungen untereinander gehängt sind. Diese Art Tastköpfe haben aufgrund der seriellen Anordnung ihrer Federelemente den Nachteil, daß die bewegte Masse bei Auslenkung des obersten Parallelogramms für die eine Koordinaten­ richtung viel größer ist als bei Auslenkung des untersten Parallelogramms für die andere Koordi­ natenrichtung. Trotz gleicher Federkräfte aber differierender Massen sind dann während des Meßablaufs die Auslenkkräfte und auch das Schwingungsverhalten innerhalb dieser Tastköpfe stark unterschiedlich. Dies wirkt sich zum Beispiel beim Scannen von Profilkurven besonders negativ aus, wenn der Tastkopf auf der Sollkurve geführt wird und Abweichungen unbekannter Richtungen aufgenommen werden sollen. Denn dazu muß der Taststift von sich aus in der je­ weils aktuellen Normalenrichtung der angetasteten Kontur auslenken, was nur bei Tastköpfen möglich ist, die sich in jeder beliebigen Auslenkrichtung statisch und dynamisch gleich verhal­ ten.

Außerdem ist aus dem Patent DE 195 01 178 C2 ein schwenkbarer Zwei-Koordinaten-Tastkopf bekannt, der speziell für das Messen von Zahnrädern und zahnradähnlichen Werkstücken auf numerisch gesteuerten Meßgeräten entwickelt wurde. Der Taststift ist in einer Ebene frei beweg­ lich, und diese Meßebene ist um eine horizontale Achse, die in der Ebene liegt, in vorgebbare Winkelpositionen einschwenkbar. Bei diesem sogenannten 2D-Tastkopf muß also immer die Sollnormalenrichtung in jedem Meßpunkt bekannt sein, um die Meßebene vor der Meßwertauf­ nahme entsprechend einschwenken zu können. Damit fehlen diesem Tastkopf die für eine Kom­ plettmessung eines Werkstückes manchmal auch gewünschten 3D-Eigenschaften, wie sie bei­ spielsweise für das Scannen unbekannter Konturen benötigt werden. Außerdem wirken sich wäh­ rend einer Messung beim Schwenken des gesamten Tastkopfes Außermittigkeiten der Tastkugel negativ auf das Meßergebnis aus, so daß der Einsatz von verkröpften Taststiften mit Tastkugeln außerhalb der Schwenkachse nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen universell einsetzbaren 3D-Tastkopf für die Verzahnungsmessung zu schaffen, der unter Berücksichtigung der dazu erforderlichen hori­ zontalen Bauweise in jeder der drei Koordinatenrichtungen sich statisch und dynamisch hinrei­ chend gleich verhält und die genannten Nachteile bekannter Tastköpfe vermeidet. Dabei soll die­ ser Tastkopf ein torsionssteifes und reibungsarmes Gesamtsystem darstellen und die Vorausset­ zung erfüllen, durch eine Zusatzeinrichtung auf einen 2D-Tastkopf umschaltbar zu sein. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Merkmals­ kombination gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus folgender Optimierung: Herkömmliche Tastköpfe, deren bewegliche Verbindungselemente für jede Koordinatenrichtung die gleiche Masse besitzen, weil diese Elemente für die drei Raumkoordinaten identisch ausgeführt sind, haben die aufgezeigten schwerwiegenden Nachteile. Der erfindungsgemäße Tastkopf vermeidet diese Nachteile, indem er unterschiedlich ausgeführte Verbindungselemente für die drei Raum­ koordinaten verwendet, die aber symmetrisch angeordnet und entkoppelt sind, so daß sich ihre bewegten Massen bestimmen und nachträglich ausgleichen lassen. Dadurch ist das dynamische Verhalten des neuen Tastkopfs in allen Auslenkrichtungen hinreichend gleich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und sind nachfolgend an­ hand der Fig. 1-6 näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Prinzipskizze, die den mechanischen Aufbau des Tastkopfes der besseren Übersichtlichkeit wegen etwas auseinander gezogen darstellt.

Fig. 2, 3, 4 geben schematisch die übertrieben groß dargestellten Auslenkungen des Tastkopfes jeweils in der X, Y, Z-Richtung wieder.

Fig. 5 zeigt als vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 eine perspektivische Prinzipskizze einer drehbaren Einrichtung (30), die in weiterer Ausgestaltung des Tastkopfes vorgesehen ist.

Fig. 6 zeigt eine vorzugsweise Ausgestaltung eines Doppelgelenkstabes.

Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf besitzt eine winkelförmige Tastkopfbasis (4), die an einem nicht näher dargestellten Verzahnungsmeßgerät befestigt ist. An dem oberen Ende des nochmals abgewinkelten Teils (5) der Tastkopfbasis (4) ist ein erstes Federparallelogramm (1) beweglich aufgehängt. Es besteht aus je zwei gleich langen Elementen 12, 13 und 11, 14, die durch vier Federgelenke mit vertikalen Achsen untereinander verbunden sind und Parallelverschiebungen des Elements 14 in X-Richtung ermöglichen. Das Federparallelogramm (1) ist mit Blattfedern besonders stabil ausgebildet, weil es die Torsionssteifigkeit des gesamten Tastkopfes entschei­ dend bestimmt. Die Aufhängung des Federparallelogramms (1) an einer freien Kante (111) des Elements 11 ist so ausgeführt, daß das gesamte Federparallelogramm (1) um die horizontale Achse eines weiteren Federgelenks (10) schwenkbar ist. Statt eines Blattfedergelenks könnten auch zwei Kreuzfedergelenke eingesetzt werden. Eine einstellbare Zugfeder (7) sorgt für den erforderlichen Gewichtsausgleich, so daß das Federparallelogramm (1) bei unausgelenktem Tastkopf eine horizontale Lage einnimmt. Die Zugfeder (7) ist in Fig. 1 nur schematisch gezeigt, weil sie sich eigentlich zusammen mit ihrem Verstellmechanismus innerhalb des Federparallelo­ gramms (1) befindet.

In Fortsetzung der Gelenkkette von der festen Tastkopfbasis (4) bis zum räumlich beweglichen Taststiftträger (3) ist nun ein Verbindungselement (15) zwischen dem Federparallelogramm (1) und dem Taststiftträger (3) vorgesehen. Es ist an einer Seite mit zum Federgelenk (10) parallelen Federgelenken (9) an der oberen freien Kante (114) des Elements 14 und an der anderen Seite mit einem weiteren zum Federgelenk (10) parallelen Federgelenk (8) an dem Taststiftträger (3) beweglich verbunden. Von diesem Verbindungselement (15) wird der Taststiftträger (3) aber noch nicht ausreichend gehalten. Dafür sind zusätzlich noch zwei im vertikalen Abstand ange­ ordnete Doppelgelenkstäbe 26 und 27 am Taststiftträger (3) angebracht, die sich an dem vertika­ len Steg (25) abstützen.

Dieser Steg (25) gehört zu einem zweiten Federparallelogramm (2), das von je zwei gleich lan­ gen Elementen 22, 23 und 21, 24 gebildet wird, die wieder durch vier Federgelenke aber mit horizontalen Achsen untereinander verbunden sind. Dieses zweite Federparallelogramm (2) ist mit seinem Element 21 so auf der Tastkopfbasis (4) befestigt ist, daß Parallelverschiebungen des Elements 24 in Y-Richtung möglich sind. An diesem Element 24 ist der vertikale Steg (25) starr befestigt. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird gewährleistet, daß der Taststiftträger (3) gleichzeitig in X-, Y- und Z-Richtung auslenkbar ist und sich nur parallel zu sich selbst ver­ schiebt, wodurch die Länge des auswechselbaren Taststifts keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat.

Um alle Auslenkungen des Taststiftträgers (3) messen zu können, ist noch ein weiteres Element (16) vorgesehen. Es befindet sich in einer entsprechenden Aussparung des Verbindungselements (15) und ist zum einen genau wie dieses an der oberen freien Kante (114) des Elementes 14 befestigt, zum anderen stützt es sich aber mit Hilfe des Doppelgelenkstabs 17 an dem senk­ rechten Teil (5) der Tastkopfbasis (4) ab. Da der Doppelgelenkstab 17 genauso lang ist wie das Element 12 oder 13 des ersten Federparallelogramms (1), verschiebt sich das weitere Element (16) bei jeder beliebigen Taststiftauslenkung nur in der XZ-Ebene und parallel zu sich selbst. Dadurch ist dieses Element (16) geeignet, die in Fig. 2 und Fig. 4 skizzierten Maßstäbe (18) und (19) zu tragen, die von zwei als Zeiger dargestellten Meßwertgebern abgelesen werden, welche ihrerseits an einem Kragarm (6) der Tastkopfbasis (4) befestigt sind. Auch der dritte Meßwert­ geber für die Y-Richtung, der den gemäß Fig. 3 am Element 24 vorgesehenen Maßstab (20) abliest, ist an der festen Tastkopfbasis (4) befestigt und elektrisch angeschlossen. Dies hat den bekannten Vorteil, daß alle drei opto-elektronischen Meßwertgeber und zugehörigen Kabel bei Auslenkungen des Taststiftträgers (3) nicht bewegt werden und dadurch keine negativen Ein­ flüsse auf die beweglichen Teile ausüben können. Außerdem werden Meßfehler vermieden, die an schwingungsbelasteten Meßwertgebern entstehen können.

Im einzelnen zeigt Fig. 2 den nur in X-Richtung ausgelenkten Tastkopf in einer Draufsicht. Es ist dadurch gut zu erkennen, daß sich das Federparallelogramm (1) in seinen Blattfedern verformt und sich der Taststiftträger (3) parallel aus der Nullage verschoben hat, während die drei über­ einanderliegenden Doppelgelenkstäbe 26, 17 und 27 der Verschiebung nur einseitig gefolgt sind, ohne an ihrer anderen Seite eine Auslenkung hervorgerufen zu haben.

Fig. 3 zeigt den Längsschnitt des nur in Y-Richtung ausgelenkten Tastkopfs von der Seite. In diesem Fall hat sich das zweite Federparallelogramm (2) in seinen Blattfedern verformt, weil sich der Taststiftträger (3) mitsamt den druckstabilen Doppelgelenkstäben 26 und 27 aus der Nullage verschoben hat, während das Verbindungselement (15) der Verschiebung nur einseitig gefolgt ist, ohne auf seiner anderen Seite das weitere Element (16) oder das erste Federparallelo­ gramm (1) auszulenken. Im Vergleich zu Fig. 2 ist daraus die Entkopplung der beiden Feder­ parallelogramme (1) und (2) für die beiden Auslenkrichtungen X und Y zu erkennen.

In Fig. 4 ist nach dem gleichen Schema wie in Fig. 3 der nur in Z-Richtung ausgelenkte Tastkopf wiedergegeben. In diesem Fall schwenkt das in sich unverformte erste Federparallelogramm (1) wie ein starres Element um die Achse des Federgelenks (10) nach oben, weil sich der Taststift­ träger (3) mitsamt dem Verbindungselement (15) aus der Nullage parallel nach oben verschoben hat, während die drei Doppelgelenkstäbe wiederum nur einseitig gefolgt sind, ohne an ihrer ande­ ren Seite eine Auslenkung des zweiten Federparallelogramms (2) hervorzurufen.

Eine Auslenkung in jede beliebige andere Richtung, die nicht mit einer der drei Raumkoordina­ ten X, Y, Z zusammenfällt, setzt sich in bekannter Weise aus entsprechenden Weganteilen in X-, Y- und Z-Richtung zusammen. Um diese Weganteile lenken dann die jeweils zugeordneten be­ weglichen Elemente des Tastkopfs aus, wozu anteilige Auslenkkräfte erforderlich sind. In der Summe ist dann die Auslenkkraft in dieser beliebigen Richtung genauso groß, als wenn der glei­ che Auslenkbetrag nur in einer der drei Auslenkrichtungen X, Y, Z des Tastkopfs erfolgt wäre. Dies gilt, weil alle betroffenen Federelemente des Tastkopfs im linearen Weg-Kraft-Bereich ar­ beiten. Entsprechende Zusammenhänge gelten auch für die Massenbeschleunigungen auf den Weganteilen, die sich zu einer Summenbeschleunigungskraft zusammensetzen, so daß neben dem statischen auch das dynamische Verhalten des Tastkopfs in jeder beliebigen Richtung hin­ reichend gleich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der neue Tastkopf mit einer drehbaren Einrichtung (30) gemäß Fig. 5 versehen, mit der im Bedarfsfall dem Taststiftträger (3) über das weitere Ele­ ment (16) eine vorwählbare Auslenkrichtung in der XZ-Ebene des Tastkopfes gegeben werden kann. Dazu ist am senkrechten Teil (5) der Tastkopfbasis (4) eine Scheibe (31) drehbar gelagert, deren Achse mit der Längsachse des unausgelenkten Doppelgelenkstabes 17 zusammenfällt. An dieser Scheibe (31) ist über zwei Blattfedergelenke (33) ein schwenkbarer Bügel (32) ange­ ordnet, dessen Schwenkachse (34) durch das Gelenk (117) des Doppelgelenkstabes 17 geht. Wenn der Bügel (32) mit seiner V-förmigen Aussparung (35) den Doppelgelenkstab umfaßt, verhindert er in seiner dargestellten Lage beispielsweise eine Auslenkung des Doppelgelenk­ stabes 17 nach oben oder unten, sondern läßt nur die eine Auslenkrichtung (36) zu, die von der Schwenkachse (34) des Bügels (32) vorgegeben ist. Dabei sorgt ein Magnet (37) dafür, daß der Doppelgelenkstab 17 nicht ungewollt aus der Aussparung (35) herausrutscht.

Mit einem nicht näher dargestellten Motor am festen Teil (5) kann die Scheibe (31) auch in jede andere Winkelposition gedreht werden, wodurch der Taststiftträger (3) in der XZ-Ebene eine beliebig vorgebbare Auslenkrichtung erhält, während es in der Y-Richtung keine Änderung gibt. Denn, wie in Fig. 3 beschrieben, ist der Doppelgelenkstab 17 von Auslenkungen des Taststift­ trägers (3) in Y-Richtung nicht betroffen. Insgesamt besitzt der Tastkopf mit dieser drehbaren Einrichtung (30) also eine Meßebene, die um eine horizontale Achse schwenkbar ist, und erfüllt damit die gleiche Funktion wie der bekannte Tastkopf nach DE 195 01 178. Allerdings hat der Tastkopf nach der Erfindung den großen Vorteil, daß sich der Taststift beim Schwenken der Auslenkrichtung nicht mitdreht und dadurch also auch beliebig verkröpfte Taststifte, beispiels­ weise für Innenverzahnungen, verwendet werden können. Weiterhin läßt sich die beschriebene Wirkung der drehbare Einrichtung (30) auf einfache Weise ausschalten und die ursprüngliche dreidimensionale Auslenkbarkeit des Taststiftträgers (3) wieder herstellen, indem der Bügel (32) mit seiner Aussparung (35) in die gestrichelt gezeichnete Position (38) geklappt wird, die den Doppelgelenkstab 17 nicht mehr beeinflußt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Doppelgelenkstäbe 17, 26 und 27 ist in Fig. 6 abgebildet. In den vorherige Figuren ist jedes ihrer beiden Gelenke, das die Funktion eines Kugelgelenks erfüllen soll, durch einen beidseitig eingespannten Federdraht dargestellt. Aufgrund des geringen Drahtquerschnitts ist die Steifigkeit in Stablängsrichtung nicht ausreichend, um alle Auslenkun­ gen des Taststiftträgers (3) in Y-Richtung fehlerfrei auf das zweite Federparallelogramm (2) zu übertragen. Deshalb sind für jedes zweidimensionale Gelenk eines Doppelgelenkstabes seitlich vier gleich große trapezförmige Ausnehmungen (40) vorgesehen. Je zwei sind paarweise gegen­ überliegend in kurzem Abstand und um 90° gegeneinander versetzt an dem Stab angebracht. Zwischen zwei gegenüberliegenden Ausnehmungen (40) bleibt ein schmaler rechteckiger Quer­ schnitt stehen, der wie eine Blattfeder wirkt, so daß die vier Ausnehmungen zusammen ein Kardangelenk bilden. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß mit geringem Ferti­ gungsaufwand ein Doppelgelenkstab mit reibungs- und verschleißarmen zweidimensionalen Gelenken aus einem Stück entsteht, der auf Zug und Druck belastbar ist. Die bei Auslenkung dieses Doppelgelenkstabes auftretenden Rückstellkräfte unterstützen die Stabilität und Funktionsweise des gesamten Tastkopfes.

Claims (4)

1. Tastkopf in horizontaler Bauweise für numerisch gesteuerte Verzahnungsmeßgeräte mit ei­ nem in mehreren Freiheitsgraden parallel zu sich selbst auslenkbaren Taststiftträger (3),

• 1. der über mehrere funktionell parallel angeordnete Federparallelogramm-Systeme an einer festen Tastkopfbasis (4) angelenkt ist und
• 2. dessen Auslenkungen durch drei an der Tastkopfbasis (4) befestigte Meßwertgeber für die drei Raumkoordinatenrichtungen X, Y, Z erfaßbar sind, wobei die horizontale Y-Richtung mit der Längsachse des Tastkopfes zusammenfällt, die X-Richtung der seitlichen und die Z-Richtung der vertikalen Auslenkung des Taststiftträgers (3) entspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. ein erstes Federparallelogramm (1), bestehend aus je zwei gleich langen Elementen 12, 13 und 11, 14, die für Auslenkungen des Elements 14 und des damit verbundenen Taststiftträgers (3) in X-Richtung durch vier Federgelenke mit vertikalen Achsen untereinander verbunden sind, an einer freien Kante (111) des Elementes 11 über ein weiteres Federgelenk (10) an einem senkrechten Teil (5) der Tastkopfbasis (4) um eine horizontale Achse schwenkbar aufgehängt ist,
• 2. ein Verbindungselement (15) vorgesehen ist, das einerseits mit einem zum Federgelenk (10) parallelen Federgelenk (9) an einer freien Kante (114) des Elementes 14 schwenkbar aufgehängt ist, das andererseits über ein weiteres zum Federgelenk (10) paralleles Federgelenk (8) mit dem Taststiftträger (3) verbunden ist und das bei Auslenkungen des Taststiftträgers (3) in Y-Richtung Bewegungen des ersten Federparallelogramms (1) verhindert,
• 3. ein weiteres Element (16) an der freien Kante (114) schwenkbar aufgehängt ist, das sich mit einem Doppelgelenkstab 17, der so lang ist wie das Element 12 oder 13, an dem senkrechten Teil (5) abstützt und das sich nur bei Auslenkungen des Taststiftträgers (3) in XZ-Richtungen mitbewegt,
• 4. ein zweites Federparallelogramm (2), bestehend aus je zwei gleich langen Elementen 22, 23 und 21, 24, die für Auslenkungen des Taststiftträgers (3) in Y-Richtung durch vier Federgelenke mit horizontalen Achsen untereinander verbunden sind, an dem horizontalen Teil der Tastkopfbasis (4) befestigt ist, wobei das auslenkbare Element 24 mit dem Taststiftträger (3) über Doppelgelenkstäbe 26 und 27 verbunden ist, die nur Auslenkungen des Taststiftträgers in Y-Richtung übertragen.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbare Einrichtung (30), dessen Drehachse parallel zur Y-Richtung verläuft, an das weitere Element (16) ankoppelbar ist, die die freie Auslenkung des Elementes (16) in der XZ-Ebene und damit die des Taststiftträgers (3) auf eine vorgebbare Richtung einschränkt.

3. Tastkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) aus einer senkrechten Teil (5) der Tastkopfbasis (4) gelagerten Scheibe (31) besteht,
die mit einem Motor um die Längsachse des Doppelgelenkstabes 17 drehbar ist und die einen schwenkbaren Bügel (32) trägt, welcher mit seiner V-förmigen Aussparung (35) an den Doppelgelenkstab 17 heranklappbar ist,
wobei die Schwenkachse (34) des Bügels (32), die durch ein Gelenk (117) des Doppelgelenk­ stabes 17 verläuft, die eingeschränkte Auslenkrichtung (36) des weiteren Elementes (16) und damit die des Taststifträgers (3) bestimmt.

4. Tastkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionalen Gelenke der Doppelgelenkstäbe 26 und 27 aus jeweils zwei Paaren seitlicher Ausnehmungen (40) gebildet sind, die in kurzem Abstand und um 90° gegeneinander versetzt an den Stäben angebracht sind.