DE19721502A1 - Magnetische Halteeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Halteein­ richtung, die beispielsweise zum freigebbaren Klemmen einer Arbeitseinheit an den bewegbaren Arm einer Koordinatenposi­ tionierungsmaschine, wie beispielsweise einer Koordinatenmeß­ maschine oder einem Prüfrobotor, verwendet werden kann. Typi­ scherweise wird eine bestimmte Arbeitseinheit, die beispiels­ weise ein Temperatursensor, ein Schweißarm oder eine Prüfson­ de sein kann, periodisch während des Verlaufs eines Arbeits­ zyklus der Maschine benötigt. Es ist von dem Gesichtspunkt der Maschinenflexibilität wünschenswert, zu ermöglichen, daß die Maschine eine Arbeitseinheit automatisch gegen eine ande­ re austauscht.

Magnetische Halteeinrichtungen, die beispielsweise aus der JP-60-144914 und der US 5,041,806 bekannt sind, enthalten ei­ ne Halterung, die aus ferromagnetischem Material gefertigt ist und die eine Arbeitseinheit mit einem ferromagnetischen Körper freigebbar hält. Die Halterung trägt einen oder mehre­ re Permanentmagneten, welche die Arbeitseinheit an die Halte­ rung klemmen, und einen Elektromagneten, der betätigbar ist, um die magnetische Klemmkraft aufzuheben, die durch den Per­ manentmagneten geschaffen wird, um zuzulassen, daß die Ar­ beitseinheit freigegeben wird.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine alternati­ ve magnetische Haltevorrichtung. Gemäß der vorliegenden Er­ findung ist eine freigebbare Klemmvorrichtung für erste und zweite freigebbar eingreifbare Elemente geschaffen, wobei das erste Element einen Elektromagneten und einen vollständigen Kreis aus ferromagnetischem Material für einen magnetischen Fluß von dem Elektromagneten aufweist; das zweite Element zu­ mindest einen Permanentmagneten und einen ersten magnetischen Kreis für einen magnetischen Fluß von dem Permanentmagneten aufweist, der einen Abschnitt aus nicht ferromagnetischem Ma­ terial enthält; worin, wenn die ersten und zweiten Elemente in Eingriff stehen, ein zweiter magnetischer Kreis für einen Fluß von dem Permanentmagneten gebildet wird, wobei der zwei­ te magnetische Kreis ferromagnetisches Material auf dem er­ sten Element enthält, und einen geringeren magnetischen Wi­ derstand aufweist, als der erste magnetische Kreis, wodurch die Wirkung des Permanentmagneten eine axiale Haltekraft schafft, welche die Elemente in Eingriff hält.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun bei­ spielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gelenksondenkop­ fes ist, der eine Prüfsonde trägt;
die Fig. 2A-C Schnitte durch eine erste Ausführungsform der Halteeinrichtung sind;
die Fig. 3A-C Schnitte durch eine zweite Ausführungsform der Halteeinrichtung sind;
die Fig. 4A-C Schnitte durch eine dritte Ausführungsform der Halteeinrichtung sind; und

Fig. 5 ein Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Halteeinrichtung ist.

Obwohl sie auf vielen anderen Verwendungsgebieten anwendbar sind, werden hier spezifische Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung im Zusammenhang mit ihrer Anwendung in einem Gelenksondenkopf an einer Koordinatenmeßmaschine beschrieben und veranschaulicht. In Fig. 1 weist ein Gelenksondenkopf ei­ ne Basis 10 auf, mittels der der Sondenkopf an dem bewegbaren Arm einer Koordinatenmeßmaschine angebracht sein kann. Der Sondenkopf trägt eine Arbeitseinheit in der Form einer Sonde 20, die an dem Ende eines Verlängerungsstabes 22 über erste und zweite Drehachsenelemente 12, 14 gelagert ist. Die ersten und zweiten Drehachsenelemente 12, 14 drehen die Sonde 20 um im wesentlichen rechtwinklige Drehachsen D, E, wodurch ermög­ licht wird, daß die Sonde 20 mit zwei Rotationsfreiheitsgra­ den orientiert ist, und ein Zugang zu verschieden orientier­ ten Oberflächen eines Teiles bei der Prüfung geschaffen wird. Aus Gründen einer größeren Flexibilität ist ein Unterbausatz, der das zweite Drehachsenelement 14, den Verlängerungsstab 22 und die Sonde 20 enthält, automatisch austauschbar.

In den Fig. 2A-C enthält eine Halterung 30, die auf dem er­ sten Drehachsenelement 12 vorgesehen ist, einen Körper 32 aus ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Weicheisen. Der Körper 32 trägt einen Elektromagneten 34, der durch eine leitende Wicklung 34A vorgesehen ist, die einen Kern 36 in dem Körper 32 und eine elektromagnetische Achse M definiert. Der Körper ist so ausgestaltet, daß der magnetische Fluß Φ von dem Elektromagneten durch den Kern 36 und um die Außen­ seite der Wicklung 34A herum fließt, wodurch für den Fluß Φ ein geschlossener magnetischer Kreis aus Weicheisen mit nied­ rigem magnetischem Widerstand auf eine Weise geschaffen wird, die in Fig. 2C veranschaulicht ist. Das austauschbare zweite Element, das durch den Unterbausatz vorgesehen ist, umfaßt ein ferromagnetisches Polstück 40, das einen radial polari­ sierten Ringmagneten 42 lagert (es können einzelne Magneten verwendet werden, die mit ihren Polen radial ausgerichtet orientiert sind). Die Sonde 20 und der Verlängerungsstab 22 sind auf dem Polstück 40 über einen Endaufsatz 44 gelagert, der aus nicht ferromagnetischem Material mit niedriger Perme­ abilität gefertigt ist.

Das Klemmen und Austauschen eines Unterbausatzes findet wie folgt statt. Wenn sich die Halterung 30 und der Unterbausatz annähern, verläuft der magnetische Fluß Φ von dem Permanent­ magneten 42 zunehmend durch den ferromagnetischen Körper 32 der Halterung 30 aufgrund seines relativ geringen magneti­ schen Widerstands, verglichen mit entweder dem Material des Endaufsatzes 44 oder dem Luftspalt zwischen den Polen des Permanentmagneten 42. Dies induziert einen magnetischen Dipol in dem Körper 32 mit einer entgegengesetzten Polarität zu der des Permanentmagneten 42, und bewirkt eine Anziehungskraft zwischen der Halterung 30 und dem Unterbausatz, die ansteigt, wenn die Trennung zwischen diesen abnimmt (als Folge des an­ steigenden Flusses Φ, der durch den Körper 32 verläuft, und des sich daraus ergebenden Anstiegs der Stärke des Dipols). Die Klemmkraft ist bei einem Maximum, wenn die beiden Teile in Kontakt gekommen sind, und die Trennung zwischen diesen bei einem Minimum ist. Eine Freigabe des Unterbausatzes von der Halterung 30 wird dadurch ermöglicht, daß ein Strom durch die Wicklung 34A des Elektromagneten 34 verläuft, wobei der Fluß des magnetischen Flusses Φ durch den Kern 36 und den Körper 32 um die Außenseite des Kerns 36 herum in einer Rich­ tung induziert wird, der der des Flusses Φ von dem Perma­ nentmagneten entgegengesetzt ist, wie in Fig. 2C veranschau­ licht ist. Dies weist den Effekt auf, das der induzierte Di­ pol in dem Körper 32 neutralisiert wird, wodurch die Anzie­ hungskraft zwischen der Halterung 30 und dem Unterbausatz aufgehoben wird.

Es kann auch wünschenswert sein, die Größe der Anziehungs­ kraft zwischen der Halterung 30 und dem Unterbausatz während des Klemmens zu variieren, wenn sich die beiden Teile annä­ hern, beispielsweise, um die Kräfte auf den bewegbaren Arm der Maschine zu reduzieren, an den der Gelenksondenkopf ange­ bracht ist, oder um die Anziehungskraft zu verstärken, und somit den Halt zu verbessern. Dies kann durch jeweiliges In­ duzieren eines Flusses Φ von dem Elektromagneten 34 durchge­ führt werden, der in der entgegengesetzten Richtung zu dem Fluß Φ von dem Permanentmagneten 42, wie oben in bezug auf ein Entkoppeln beschrieben ist, oder in der gleichen Richtung fließt.

Alternativ dazu kann eine Reduktion der Anziehungskraft durch Induzieren des Flusses Φ von dem Elektromagneten 34 in der
gleichen Richtung, wie der des Flusses Φ von dem Permanent­ magneten 42 erreicht werden, aber mit einer Dichte, die das Material der Halterung 30 sättigt, wodurch der Fluß Φ am Fließen durch den Körper 32 gehindert wird.

In den Fig. 3A-C umfaßt eine zweite Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung ein erstes Element, das durch eine Halte­ rung 130 des Typs vorgesehen ist, der in bezug zu den Fig. 2A-C beschrieben ist und das einen Elektromagneten 134 auf­ weist; andere gleiche Merkmale werden mit gleichen Bezugszei­ chen bezeichnet. Das ferromagnetische Polstück 140 des Unter­ bausatzes weist die Form eines Ringes mit einem L-förmigen Querschnitt auf, der einen axial polarisierten Permanentring­ magneten 142 an seiner Peripherie lagert. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im wesentlichen der gleiche, wie der der Fig. 2A-C, mit dem Unterschied, daß, wenn sich das Polstück 140 im freien Raum befindet, der gesamte Fluß Φ, der um den magnetischen Kreis verläuft, der durch den Permanentmagneten 142 und das L-förmige Polstück 140 gebildet wird, über den Luftspalt 150 hinweg verläuft. Dies erhöht die Anziehungs­ kraft zwischen der Halterung 130 und dem Unterbausatz, wenn sich die beiden Teile annähern, aufgrund der größeren Dichte des Flusses Φ, der als ein Ergebnis durch den Körper 132 der Halterung 130 verlaufen wird. Ein Polstück (z. B. aus Eisen) kann auf einem Permanentmagneten 142 vorgesehen sein, entwe­ der, um den Fluß zu verteilen, wodurch die Entfernung, über die der Magnet 142 zum Anziehen des Körpers 132 wirkt, erhöht wird, oder aus mechanischen Gründen, z. B. um Schaden an dem Magneten 142 als Folge eines Stoßes zu verhindern.

In den Fig. 4A-C enthält der ferromagnetische Körper 232 der Halterung 230 gemäß einer weiteren Ausführungsform einen Per­ manentmagneten 242 und schafft daher keinen vollständigen ma­ gnetischen Kreis für den Fluß Φ des Elektromagneten 234. Dies hat keinen merklichen Effekt auf die Anziehungskraft auf das Polstück 240 als Folge des Permanentmagneten 242, benö­ tigt jedoch einen größeren Strom für den Elektromagneten 234, um den Fluß Φ zu erzeugen, der erforderlich ist, um den Fluß Φ des Permanentmagneten 242 aufzuheben, da der Fluß Φ durch den Permanentmagneten 242 verlaufen muß, der einen magneti­ schen Widerstand so hoch wie freier Raum aufweist. Wie vorher kann der Permanentmagnet 242 durch eine Vielzahl von einzel­ nen Magneten ersetzt werden, und kann sowohl radial als auch axial polarisiert sein.

In Fig. 5 ist eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Modifizieren der Ausführungsform der Fig. 4A-C vorgesehen, um eine Vielzahl von kleinen Elektromagneten 334 zu schaffen, von denen jeder auf die gleiche Weise wie der Ringelektromagnet der Fig. 4A-C ausgestaltet ist. Jeder Elektromagnet 334 weist eine Wicklung 334A auf, die einen Kern 336 definiert, und dient dazu, den Fluß Φ von einem Permanentmagneten 342 aufzuheben (hier axial polarisiert ge­ zeigt; eine radiale Polarisierung ist auch möglich), wodurch das Polstück 340 freigegeben wird. Da die Ausgestaltung der Elektromagneten die gleiche wie die der Ausführungsform der Fig. 4A-C ist, entsprechen die Änderungen der Flußdichte wäh­ rend des Austauschzyklus nahezu der oben beschriebenen Aus­ führungsform, und werden nicht weiter beschrieben.

Wo die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf z. B. einen Gelenksondenkopf für eine Koordinatenpositionierungsma­ schine angewendet werden, wird es typischerweise wünschens­ wert sein, wechselseitig eingreifbare Aufstellelemente auf dem Unterbausatz und dem Sondenkopf zu schaffen. Derartige Elemente können eine wiederholbare Aufstellung (wie bei­ spielsweise eine kinematische Lagerung) der Sonde schaffen, wodurch die Notwendigkeit für eine Nachkalibrierung nach je­ dem Austausch vermieden wird. Es kann auch wünschenswert sein, die magnetische Halteeinrichtung auf eine Weise anzu­ bringen, die deren Bewegung relativ zu den Aufstellelementen ermöglicht. Dies erlaubt, daß der Spalt zwischen dem Körper und dem Polstück im wesentlichen auf Null reduziert ist, wäh­ rend zugelassen wird, daß die Aufstellelemente die relativen Positionen der beiden Teile bestimmen. Dies ist z. B. in der EP 40 67 82 gezeigt.

Die unterschiedlichen Merkmale der oben beschriebenen Erfin­ dung sind nicht notwendigerweise auf deren Zusammenhang mit den Ausführungsformen begrenzt, in Verbindung mit denen sie beschrieben wurden. Viele Aspekte der Erfindung sind im all­ gemeinen auf andere Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung anwendbar. Ähnlich besitzen beliebige Modifikatio­ nen, die in bezug auf eine bestimmte Ausführungsform be­ schrieben sind, eine allgemeine Anwendbarkeit auf alle ande­ ren Ausführungsformen.

Zusammengefaßt enthält eine freigebbare Klemmvorrichtung für einen Gelenksondenkopf auf einer Koordinatenmeßmaschine einen Elektromagneten 34 an einem ersten Drehachsenelement 12, das in einem ferromagnetischen Körper 32 eingeschlossen ist. Ein zweites Drehachsenelement 14 ist mit dem ersten Drehach­ senelement 12 freigebbar eingreifbar und enthält einen radial polarisierten Ringmagneten 42, der in einem ferromagnetischen Polstück 40 gelagert ist. Ein magnetischer Fluß von dem Elek­ tromagneten verläuft um einen magnetischen Kreis herum, der insgesamt aus ferromagnetischem Material gefertigt ist, wäh­ rend der Fluß von dem Permanentmagneten entweder über einen Luftspalt oder durch eine dielektrische Platte 44 verläuft. Während des Klemmens verläuft ein Fluß von dem Permanentma­ gneten durch den ferromagnetischen Körper 32 aufgrund dessen relativ geringen magnetischen Widerstands, und induziert ei­ nen magnetischen Dipol in dem Körper 32 mit einer entgegenge­ setzten Polarität zu der des Permanentmagneten 42, wodurch eine Anziehungskraft zwischen den Drehachsenelementen 12, 14 bewirkt wird. Ein Freigabe des zweiten Drehachsenelementes 14 wird durch Leiten von Strom durch den Elektromagneten 34 be­ wirkt, um einen elektromagnetischen Fluß in dem ferromagneti­ schen Körper 32 zum Neutralisieren des induzierten Dipols zu bewirken.

Claims (11)

1. Freigebbare Klemmvorrichtung für erste und zweite frei­ gebbar eingreifbare Elemente, wobei das erste Element einen Elektromagneten und einen vollständigen Kreis aus ferromagnetischem Material für einen magnetischen Fluß von dem Elektromagneten aufweist; das zweite Element zu­ mindest einen Permanentmagneten und einen ersten magne­ tischen Kreis für einen magnetischen Fluß von dem Perma­ nentmagneten aufweist, der einen Abschnitt aus nicht ferromagnetischem Material enthält; worin, wenn die er­ sten und zweiten Elemente in Eingriff stehen, ein zwei­ ter magnetischer Kreis für einen Fluß von dem Permanent­ magneten gebildet wird, wobei der zweite magnetische Kreis ferromagnetisches Material auf dem ersten Element enthält, und einen geringeren magnetischen Widerstand als der erste magnetische Kreis aufweist, wodurch die Wirkung des Permanentmagneten eine axiale Haltekraft schafft, welche die Elemente in Eingriff hält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der erste magnetische Kreis für den Permanentmagneten einen Luftspalt umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin das zweite Element so ausgestaltet ist, daß im wesentlichen der gesamte Fluß von dem Permanentmagneten über den Luftspalt hinweg ver­ läuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, worin, wenn die ersten und zweiten Elemente in Eingriff stehen, fer­ romagnetisches Material auf dem ersten Element zumindest teilweise den Luftspalt überbrückt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin eine Vielzahl von Permanentmagneten, die gleich um die Achse der Klemmvorrichtung beabstandet sind, und radial beab­ standete Pole aufweisen, auf dem zweiten Glied vorgese­ hen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin auf dem zweiten Element ein Permanentringmagnet vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der Ringmagnet radial beabstandete Pole aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der Ringmagnet axial beabstandete Pole aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit nur einem einzelnen Elektromagneten, der durch eine Wicklung vorgesehen ist, die sich um die Achse der Vor­ richtung herum erstreckt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo­ bei sie ferner wechselseitig eingreifbare Aufstellele­ mente auf den ersten und zweiten Elementen umfaßt, wo­ durch beim Klemmen eine relative Aufstellung der ersten und zweiten Elemente geschaffen wird.

11. Gelenksondenkopf zur Verwendung beim Orientieren einer Sonde oder einer anderen Arbeitseinheit relativ zu einem bewegbaren Arm einer Koordinatenpositionierungsmaschine, wobei der Sondenkopf eine freigebbare Klemmvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.