DE19826666A1 - Vorrichtung zum Definieren einer bevorzugten Auslenkrichtung eines Tastorgans - Google Patents

Abstract

Ein Tastarmträger weist Kopplungselemente auf, um ihn mit einer Vorrichtung zu verbinden, die die Auslenkkräfte derart beeinflußt, daß sie in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Größen annehmen. Die Vorrichtung ist motorisch verstellbar, um sie an die jeweilige Meßaufgabe anzupassen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Koordinatenmeßtechnik.

Eine Koordinatenmeßeinrichtung umfaßt ein Gestell, auf dem ein zu vermessender Ge­ genstand abgestützt ist. Ein Tastorgan ist relativ zu dem Gestell verlagerbar und kann mit dem zu vermessenden Gegenstand in Berührung gebracht werden. Die Koordinaten des Berührungspunktes werden erfaßt und aus ihnen lassen sich bestimmte interes­ sierende Abmessungen des Gegenstandes ermitteln. Oft ist es ausreichend, nur wenige Punkte zu erfassen; so genügt es beispielsweise, die Wandung einer Bohrung an drei Stellen anzutasten, um aus den gewonnenen Daten den Durchmesser und die Lage der Achse der Bohrung zu errechnen.

Das Tastorgan umfaßt gewöhnlich einen oder mehrere Tastarme, die an einem Tast­ armträger angebracht sind. Der Tastarmträger ist in mindestens zwei Richtungen, die eine Meßebene definieren gegen eine Kraft, z. B. eine Federvorspannung auslenkbar. Die Größe der Auslenkung wird erfaßt und mit den am Gestell erfaßten Koordinatenda­ ten verrechnet. Der Tastarmträger ist beispielsweise relativ zu einer Aufhängung in drei zueinander senkrechten Richtungen geradegeführt gelagert. Eine der drei möglichen Auslenkrichtungen wird zur Definition der Meßebene blockiert.

Wenn man Konturen vermessen will, so läßt man das Tastorgan in Kontakt mit dem zu vermessenden Gegenstand und fährt in der Meßebene an ihm entlang. Diese Betriebs­ weise bezeichnet man, aus dem Englischen übernommen, als "Scanning". Aufgrund des unvermeidlichen ständigen Wechsels zwischen Gleit- und Haftreibung, dem sog.

"stick-slip" zwischen Tastorgan und Gegenstandsoberfläche entstehen bei freier Be­ wegungsmöglichkeit die gefürchteten Querschwingungen, die die exakte Auswertung der an sich genauen Meßwerte beeinträchtigen bzw. sogar unmöglich machen. Bei einem älteren System hat man sich dadurch beholfen, daß nicht nur eine, sondern auch noch eine zweite Auslenkrichtung blockiert wird, so daß die verbleibende Auslenk­ richtung wohl definiert ist und stets Gleitreibung vorliegt. Dies hat allerdings den Nach­ teil, daß nur innerhalb eines Quadranten gemessen werden kann und die Meßgenauig­ keit zu den Enden des Quadranten hin deshalb abnimmt, da die starre Antastrichtung nicht stets mit der Senkrechten auf die Oberfläche übereinstimmt, die innerhalb eines Quadranten um 90° variieren kann.

Aus der WO 94/12850 ist eine Tasteranordnung bekannt, bei der das Tastorgan in ei­ ner Meßebene in zwei zueinander senkrechten Richtungen geradegeführt ist. Das Tast­ organ ist mit einem Pendelorgan über eine Kugelhülse gekoppelt, und das Pendelorgan ist in der Meßebene allseits gegen Federvorspannung auslenkbar. Die Federkräfte ha­ ben jedoch ungleiche Größe: in einer Vorzugsrichtung ist die Vorspannung gering, während sie in zwei dazu senkrechten Richtungen deutlich größer ist und eine Auslen­ kung erst nach Überwindung einer Fesselungskraft möglich ist. Das so gebildete Kräf­ tetriplett ist in der Meßebene drehbar, derart daß sich die Vorzugsrichtung stets minde­ stens annähernd senkrecht zu dem zuletzt durchlaufenen Sanning-Intervall stellt.

Diese bekannte Anordnung hat ihre Vorzüge in der Praxis unter Beweis gestellt, doch weist sie eine Reihe von Nachteilen auf.

• - Durch die bauliche Vereinigung von Tastorgan und Pendelorgan ergibt sich ein sehr komplizierter Aufbau mit zahlreichen ineinander verschachtelten Bauelementen.
• - Die Beschränkung auf eine einzige Meßebene würde dazu zwingen, bei Wahl einer anderen Meßebene die gesamte Anordnung zu kippen.
• - Ein Nachrüsten vorhandener Tastorgane mit einem derartigen "Tastvektormanager" ist nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Definieren einer bevorzugten Aus­ lenkrichtung eines Tastorgans zu schaffen, die von einfachem Aufbau ist, ein Vektor­ managment in mehreren Ebenen ermöglicht und mit vorhandenen Koordinaten-Meß­ tastern kombinierbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1, während die von ihm abhängenden weiteren Ansprüche bevorzugte Ausgestaltungen des in Anspruch 1 definierten Konzepts betreffen.

Die beigefügten Zeichnungen dienen der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispie­ le.

Fig. 1 zeigt perspektivisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Kombination mit einer Tasteranordnung,

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht,

Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 ist ein Schnitt analog zu Fig. 4, jedoch bei Auslenkung in Vorzugsrichtung,

Fig. 6 zeigt eine teilweise weggebrochene Draufsicht ohne Federanordnung, und

Fig. 7 zeigt im Radialschnitt die Lageranordnung des Pendelorgans.

Bei einer bekannten Bauart einer Koodinatenmeßeinrichtung ist ein stationärer Tisch vorgesehen relativ zu dem eine Brücke in einer ersten Richtung verlagerbar ist; längs der Brücke ist in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung ein Pinolenträger verla­ gerbar, und relativ zu dem Pinolenträger ist in einer dritten, zu der ersten und der zwei­ ten Richtung senkrechten Richtung eine Pinole verlagerbar, die das Tastorgan, gewöhn­ lich als Meßkopf bezeichnet, trägt. Die jeweiligen Verlagerungswege können sehr ge­ nau, zum Beispiel mittels Glasmaßstäben, erfaßt werden, so daß der jeweilige Ort des Tastorgans genau bekannt ist. In Fig. 1 sind von diesem Aufbau nur ein Fragment 10 der Pinole das Tastorgan 12 und die erfindungsgemäße Vorrichtung 14 darstellt.

Der Meßkopf ist hier nur symbolisch als Quader dargestellt und kann von bekannter Bauart sein, wobei besonders der Tastarmträger 16 in drei zueinander senkrechten Richtungen gegen Federvorspannung auslenkbar ist; diese Richtungen sind in Fig. 1 mit X, Y bzw. mit Z markiert. Jeder möglichen Auslenkrichtung ist ein Meßorgan zur Er­ fassung der Auslenkgröße zugeordnet. Die Ausgangsgrößen dieser Meßorgane werden mit den oben erwähnten Verlagerungen verrechnet, um die jeweiligen korrekten Koordi­ natendaten zu erhalten. Die Auslenkungen sind beispielsweise auf 1000 oder 2000 µm begrenzt. Von Bedeutung sind nur die algebraisch addierten Verlagerungs- und Aus­ lenkwege, während die Größe der jeweiligen Federrückstellkräfte die Meßgenauigkeit nicht beeinflußt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 14 sorgt dafür, daß der Tastarmträger 16 und mit ihm der Tastarm 18 in der jeweils gewählten Ebene nur in einer einzigen Richtung als Vorzugsrichtung bezeichnet auslenkbar ist, und zwar in jener, die im wesentlichen senkrecht zu dem zuletzt durchlaufenen Scanning- Intervall steht. Eine der möglichen Auslenkrichtungen wird ohnehin blockiert, um eine Vorzugsebene zu definieren. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Auslenkung in Z- Richtung gesperrt ist; dann soll der Tastarmträger in der X-Y-Ebene zwar allseits auslenkbar sein, doch jeweils nur in der Vorzugsrichtung. Erstreckte sich das zuletzt durchlaufene Scanningintervall bei­ spielsweise unter 30° gegen die X-Richtung, so soll der Tastarm nur unter 60° zur X-Richtung auslenkbar sein. Ändert sich der Verlauf der Scanningbahn, soll die Vorzugs­ richtung der Änderung folgen.

Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen nun unter Bezug­ nahme auf die Fig. 2 bis 7 im Detail erläutert werden.

In ein Gehäuse 20 ist ein Kugellager 22 eingefügt, das einen Kugelkäfig 24 relativ zu dem Gehäuse 20 drehbar lagert, der aus Montagegründen zweiteilig ausgebildet und durch Schrauben 26 zusammengehalten ist. Der Kugelkäfig 24 trägt an seinem in Fig. 3 unteren Ende ein Schneckenrad 28 (Fig. 3) oder, alternativ, ein Zahnrad 29 (Fig. 5). Ein an das Gehäuse 20 angeflanschter Getriebemotor 30 weist eine Abtriebsschnecke 32 bzw. ein Abtriebsritzel 33 im Eingriff mit Schneckenrad 28 bzw. Zahnrad 29 auf. Der Motor ist vorzugsweise ein reversierbarer Schrittmotor. In Fig. 6 ist eine Öffnung 34 an­ gedeutet, über die eine Bezugsposition des Kugelkäfigs erfaßt werden kann. Durch Auszählen der vom Motor durchlaufenen Schritte kann die jeweilige Winkellage des Kä­ figs erfaßt und an die Auswerteschaltung gemeldet werden. Die Ausführungsform mit Ritzel und Zahnrad ist wegen der einfacheren Herstellung bevorzugt. Es sei aber ange­ merkt, daß die Koordinatenmeßeinrichtung auch dann wie gewünscht funktioniert, wenn die Vorzugsrichtung nicht genau, sondern nur annähernd senkrecht zum letztdurchlau­ fenen Intervall steht.

An seinem dem Schneckenrad bzw. Zahnrad abgekehrten axialen Ende weist der Ku­ gelkäfig einen Führungskranz 36 auf, der in z. B. fünf achsparallelen Bohrungen je eine Kugel 37, 38, 39, 40 und 41 aufnimmt. Die Zahl der Kugeln kann kleiner sein, - minde­ stens drei -, oder aber auch größer. Der Erläuterung der Wirkungsweise kann der Fachmann die angemessene Zahl entnehmen.

Auf ihrer dem Schnecken- bzw. Zahnrad zugewandten Seite laufen die Kugeln 37 bis 41 auf dem Innenring eines zweiten Kugellagers 42, dessen Außenring in das Gehäuse 20 eingefügt ist.

Auf den Kugeln stützt sich eine plane Scheibe 44 ab, die mit einer Lagerschale 46 ver­ sehen ist; deren Aufbau wird später unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert. Die Scheibe ist jedoch nicht drehbar. Vielmehr definiert das Lager, von dem die Lagerschale ein Teil ist, ein Kippgelenk, das in der Ebene der Berührung zwischen Scheibe 44 und Kugeln 37 bis 41 liegt. In die Lagerschale ragt eine Lagerspitze 48, getragen von einer als He­ bel dienenden Blattfeder 50. Die Blattfeder ist bei 52 gekröpft und zur Bildung einer Bie­ gelinie bei 54 geschwächt. Die Schwächung 54 liegt ebenfalls mindestens annähernd in der Berührungsebene zwischen Scheibe 44 und Kugeln 37 bis 41. Das erneut abge­ kröpfte Ende ist am Gehäuse 20 befestigt. Das andere freie Ende des Hebels ist von einer Einstellschraube 56 durchsetzt, die es ermöglicht, die Kraft zu verstellen, mit der die Spitze 48 auf die Lagerschale 46 drückt und damit die Scheibe 44 in Anlage an den Kugeln 37 bis 41 hält.

Von der Scheibe 44 ragt zentral ein Pendelarm 60 nach unten, und ein zweiter Pen­ delarm 62 sowie ein dritter Pendelarm 64 erstrecken sich unter 90° zueinander von der Scheibe 44 weg. Jeder Pendelarm ist in noch zu beschreibender Weise mit dem Tast­ armträger koppelbar.

Die Kugeln 37 bis 41 sind in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs ungleichförmig verteilt angeordnet. Wie insbesondere in Fig. 2 erkennbar, liegen die Kugeln 37 und 38 in einer Ebene 65, die ziemlich nahe an der Symmetrieebene 66 der Scheibe 44 ist. Die Kugeln 39 und 40 liegen in einer weiter entfernten Ebene, und die Kugel 41 schließlich liegt in einer Radialebene, die sich senkrecht zu der Ebene 65 erstreckt, in der sich die Kugeln 37 und 38 befinden.

Wirkt auf einen der Pendelarme eine Kraft mit der Tendenz, die Scheibe 44 um ihr Lager zu kippen, so definieren die Kugeln 37 und 38 ein Kippgelenk, bei dem die Hebelver­ hältnisse nur eine geringe Kraft nötig machen, um das aus Scheibe 44 und Pendelar­ men gebildete Pendelorgan auszulenken. Dies ist in Fig. 5 verdeutlicht. Hingegen ist eine Auslenkung in Richtung quer dazu, bei der die Kippachse von den Kugeln 37/39 bzw. 38/40 gebildet wird, erst nach Überwindung einer wesentlich größeren Kraft mög­ lich. Dabei ist die Anordnung der Kugeln 39 und 40 willkürlich etwa zwischen den Ku­ geln 37 und 41 bzw. 38 und 41 gewählt; die Kugeln 39 und 40 könnten beispielsweise symmetrisch zu den Kugeln 37 bzw. 38 angeordnet werden, um zwei Kippachsen senk­ recht zu der Vorzugs- Kippachse zu definieren, die von den Kugeln 37 und 38 definiert wird.

Es ist anzumerken, daß die Scheibe 44 von der Federanordnung federzentriert in Anlage an den Kugeln gehalten ist. Das bedeutet, daß eine Auslenkung in Vorzugsrichtung erst nach Überwindung einer durch die Hebelverhältnisse gegebenen Kraft möglich ist, und eine Auslenkung quer dazu erst nach Überwindung einer zweiten, deutlich höheren Kraft erfolgen kann. Das Verhältnis beider Kräfte ist durch die Wahl der Hebelverhältnisse vorgegeben. Die erforderliche Kraft in Vorzugsrichtung beträgt beispielsweise nur ein Zehntel der Kraft, die in Querrichtung benötigt wird; dies ist in Fig. 6 angedeutet.

Wird also das Tastorgan an einem zu vermessenden Gegenstand herangeführt, erfolgt eine Auslenkung in Vorzugsrichtung. Nach dem ersten Scanningintervall liegen die bei­ den Koordinatenpaare für die erste Berührung und den zweiten Erfassungspunkt vor, und der Rechner kann ermitteln, ob und um wieviel der Kugelkäfig 24 zu verdrehen ist. Es ist anzumerken, daß eine Auslenkung nach der ersten Berührung erst nach Überwin­ den der Kraft in Vorzugsrichtung möglich ist.

Die reibungsarme Ausbildung des "Vektormanagers" ermöglicht, daß bei einer Verstel­ lung des Kugelkäfigs der Scanlauf nicht unterbrochen zu werden braucht, da Störungen nicht zu befürchten sind. Es ist aber auch eine Betriebsart möglich, bei der das Scannen bei jeder Änderung der Vorzugsrichtung unterbrochen wird. In diesem Falle könnte man den Kugelkäfig mit seinen Kugeln einfach durch einen drehbaren Block aus einem mit drei oder vier Kippkanten versehenen reibungsarmen Kunststoff ersetzen, und auch das zweite Kugellager 42 würde überflüssig. Eine solche Betriebsart wäre aber natürlich auch mit der hier vorgestellten reibungsarmen Ausführungsform möglich.

Man erkennt, daß bei der wiedergegebenen Ausführungsform bei der Auslenkung des Pendelorgans eine geringe Kippbewegung bei gleichzeitiger radialer Führung zwischen der Lagerspitze 48 und der Lagerschale 46 erfolgt. Aus diesem Grunde verwendet man zweckmäßig eine Lageranordnung, wie sie aus der Uhrentechnik bekannt und in Fig. 7 in gegenüber Fig. 2 vergrößertem Maßstab wiedergegeben ist. Die Lagerschale 46 um­ faßt ein etwa topfförmiges Aufnahmeteil 70, in dem z. B. drei Kugeln 72 liegen. Die Flan­ ken des Aufnahmeteils 70 sind derart gerundet, daß die Kugeln sich darin abwalzen können, wenn die Spitze 48 wie bei einem Gelenklager die geringe Kippbewegung ausführt. Es versteht sich daß eine Vielzahl anderer Konstruktionen vorstellbar ist, die den gleichen Zweck erfüllen.

Das freie Ende des Pendelarmes 60 ist in beiden zueinander senkrechten Richtungen X und Y mit dem Tastarmträger 16 koppelbar, während die beiden Pendelarme 62 und 64 mit ihm in Z-Richtung koppelbar sind. Ist beispielsweise die Z-Auslenkung blockiert, werden die Pendelarme 62 und 64 von dem Tastarmträger 16 entkoppelt, während der Pendelarm 60 in X- und Y-Richtung mit ihm gekoppelt wird. Ist alternativ die Auslen­ kung in Y-Richtung gesperrt, wird der Pendelarm 60 nur in Y-Richtung entkoppelt, während der Pendelarm 62 mit dem Tastarmträger gekoppelt wird und der Pendelarm 64 entkoppelt ist. Entsprechendes gilt bei Sperrung der X-Richtung.

Die Kopplung erfolgt über Koppelglieder, die sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertra­ gen können und gelenkig sowohl mit den jeweiligen Pendelarmen als auch mit dem Tastarmträger 16 verbunden sind. Hierfür bedient man sich im Ausführungsbeispiel des Prinzips des sogenannten Panhard-Stabes. Jedes Koppelglied besteht aus einem Draht 80, der an dem jeweiligen Pendelarm fest eingespannt ist und an seinem anderen Ende eine Kugel 82 trägt. Der mittlere, längste Teil des Drahtes ist von einer das Aus­ knicken des Drahtes bei Druckbelastung verhindernden Hülse 84 umschlossen. Auf dem Tastarmträger 16 sind Konusmuffen 86 angebracht, durch deren radiale Öffnung 88 sich das Drahtende mit der Kugel erstreckt. Um die Kopplung herbeizuführen, drückt ein Stößel 90 die Kugel in die Spitze des Konus. Der Stöße kann z. B. als manuell betä­ tigbare "Madenschraube" ausgebildet sein, wie in Fig. 5 dargestellt, oder als pneuma­ tisch betätigter Kolben, wie in Fig. 4 angedeutet. Natürlich gibt es noch viele andere Möglichkeiten zur Kopplung. Wesentlich ist, daß das dem jeweiligen Pendelarm abge­ kehrte Ende des Koppelgliedes in der entkoppelten Position frei beweglich ist, wie in Fig. 5 gezeigt.

Ein gleichartiges Koppelglied 80 kann auch als Drehsicherung zwischen dem Gehäuse 20 und der Scheibe 44 dienen, wie in Fig. 6 gezeigt; hier ist natürlich die Kopplung stets vorhanden und nicht steuerbar. Statt einer derartigen Kopplung könnte die Drehsiche­ rung auch in anderer Form ausgebildet werden.

Fährt während des automatischen Scanning- Laufes das Tastorgan an dem abzuta­ stenden Gegenstand in eine sogenannte Innenecke, so hat die Steuerung an sich keine Gelegenheit, durch Nachführung der Vorzugstastrichtung die annähernd senkrechte Richtung auf die Oberfläche aufrecht zu erhalten. In diesem Falle kommt es zur seitli­ chen Kollision zwischen Tastorgan und dem Gegenstand. Dennoch entsteht kein Scha­ den, da der Pendelarm 60 die gegenüber der Vorzugskraft ca. 10-fach höhere Fessel­ kraft überwindet und auslenkt. Diese Auslenkung wird vorzugsweise mittels einer hier nicht dargestellten Einrichtung erkannt, der Scanning- Lauf kurz unterbrochen, bis durch automatisches Nachführen die Vorzugstastrichtung mit der Senkrechten auf die Ober­ fläche des Gegenstandes wieder in etwa übereinstimmt und der automatische Scan­ ninglauf fortgesetzt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Festlegen einer Vorzugs-Auslenkrichtung eines Tastorgans, umfassend:

• - ein Gehäuse,
• - ein in dem Gehäuse drehbar gelagertes Abstützorgan, das eine Kippkante definiert,
• - ein Pendelorgan, das drehfest in dem Gehäuse angeordnet ist und sich mit einer Platte auf dem Abstützorgan abstützt,
• - mindestens einen mit der Platte verbundenen Pendelarm,
• - eine Vorspannanordnung, die das Pendelorgan in Richtung des Abstützorgans elastisch vorspannt,
• - mindestens ein Koppelglied, das jeden Pendelarm gelenkig mit einem Tastorganträger selektiv zu koppeln ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Abstützorgan als Kugelkäfig mit Ku­ geln ausgebildet ist, gegen die die Platte von der Vorspannanordnung gedrückt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Antrieb, der das Abstützorgan in Abhängigkeit von der aktuellen Auslenkung steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Pendelorgan drei Pendelarme aufweist, von denen jeder mit einem Anlenkpunkt für ein Koppelglied versehen ist und die ein orthogonales Dreibein definieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der jedes Koppelglied sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragend ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der jedes Koppelglied nach Art eines Panhard- Stabes ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorspannanordnung als Blattfeder ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorspannanordnung auf eine in der Platte vorgesehene Lageranordnung wirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine Lagerspitze mit der Federanordnung verbunden ist und die Lagerspitze in eine an der Platte vorgesehene Lagerschale greift, die eine Kippbewegung bei beibehaltener Radialführung zuläßt.

10. Tasteranordnung einer Koordinatenmeßeinrichtung, umfassend: einen in zwei Richtungen in einer Ebene gegen Vorspannung auslenkbaren Tastarmträger,

• - eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
• - an dem Tastarmträger angeordnete Kopplungselemente, die mit jeweils einem Kopplungsglied in Verbindung bringbar sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, bei der die Kopplungselemente derart ausgebildet sind, daß bei gelöster Verbindung das freie Ende des betreffenden Koppelgliedes allseits beweglich ist.