DE2242355C2 - Elektronischer Mehrkoordinatentaster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf, der gleichzeitig einen oder mehrere Taststifte tragen kann, zurr Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen vorzugsweise auf Koordinatenmeßmaschinen.

Es sind Vorrichtungen zum Antasten von Körpern in zwei oder mehr in Richtungen bekannt, bei denen die Antastrichtung eines Taststiftes mit Hilfe reibungsarm gelagerter Gelenke oder Führungen, wie Federgelenke, Luftlager od. dgl. in einer anderer Richtung umgelenkt werden kann. Derartige Vorrichtungen können auch so ausgebildet sein, daß sowohl in der einen als auch — nach einer Umschaltung — in der anderen Richtung angetastet werder kann.

Diese Tasteinrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß beim Umschalten der Tasteinrichtung dei Koordinatennullpunkt des Tastsystemes im allgemeinen verloren geht und über Hilfspunkte wieder nei eingestellt werden muß. Außerdem ist bei dieser An von Tasteinrichtungen ein Antasten in einer schräger Richtung und einer gleichzeitigen Signalabgabe ir zwei oder mehr zueinander senkrecht stehenden Bezugsrichtungen nicht möglich.

Es sind auch Vorrichtungen bekanntgeworden bei denen zwei elektrische Signalgeber verwende werden, um ohne Umschalten oder Umlenken dif Koordinatenpunkte eines Körpers in durch die ;jwe Signalgeber festgelegten Koordinatenrichtungen an zutasten.

Diese bekannten Vorrichtungen können aber da! zu vermessende Objekt nur von einzelnen außenlie

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genden Seitenflächen aus antasten und daher Längen- b) daß richtungs- und lageempfmdliche elektrische messungen nur in einer vorher festzulegenden Seiten- Signalgeber eingebaut sind, die ebenfalls ein torfläche des Objektes durchführen. Bei mehrdimensio- sionssteifes Koordinatensystem bilden,

nalen Körpern, die in den meisten Fällen auch noch _{q) deß motorisch femverste}iibare, in der Führungsverdeckte - oder innenliegende - MeBfWchen, RjI- 5 _{richt d jeweiUgen Ger8dmbror4g} ^ende len, Nuten, Hohlecken oder schraghegende Bohrun- Präzisionsgesperre angebaut sind, welche die

gen haben besteht aber der Wunsch, m einer ema- _{u der Ko}o_rdinatea._Nui_{lpunkte der G}erad-

gen Werkstuckaufspannung gleichzeitig ale Seiten- fiuVungssysteme und die NullpunktUage der

f^hw-v^lt ^^us _t ^nahme...^der Aufspannflache des elektrischen Signalgeber automatisch auf Über-

Werkstuckes antasten zu konnen xo einsüramung einregeln.

Bei einer dieser Vorrichtung nut zwei Signalgebern

wird eine kegelige oder zylindrische Meßsonde ver- ^d) ^daß Mittel zur definierten Mcßkraftvorgabe in wendet, die zwangsweise in eine Bohrung einge- allen einzelnen Führungsrichtungen vorgesehen

drückt wird, wodurch das Zentrum der Bohrung an- sindgesprochen werden soll. Dieses Verfahren funktio- 15

niert nur, wenn die Achse der Sonde parallel zur In Weiterführung dieses grundlegenden Erfin-

Achse der Bohrung ist, was in den meisten Fällen dungsgedankens werden als spiel- und reibungsfreie nicht vorausgesetzt werden kann. Außerdem führt es Geradfühningssysteme beispielsweise Federparallelobei Unsauberkeiten oder Gratbildungen des Boh- gramme verwendet.

rungseinlaufes, die in der Pi axis nicht zu vermeiden ao Die elektrischen Signai^ber sind vorzugsweise als sind, zu Versetzung der Meßsonde ' egenüber der ef- Längenmeßgeber ausgebildet.

fcktiven Bohrungsachse. Auch ist bei dieser Vorrich- Die Signale der elektrischen Signalgeber können

tung keine Torsionssteife der mechanischen Halte- auch zur Positionierung eines oder mehrerer Koordirung der Meßsonde gegeben. Die Meßsonde kann so- natenschlitten in die Nullposition des Tasters verzusagen frei in einer Ebene schwimmen. Dies ist aber 25 wendet werden. Desgleichen können die elektrischen für die Antastung von schrägen Flächen ungeeignet, Signalgeber im Nulldurchgang einen Festhalte- oder da die Meßsonde wegen der fehlenden Richtungs- Speicherbefehl an eine Verschiebungs- oder Impulssteife Undefiniert nach verschiedenen Richtungen zähleinrichtung abgeben, um ohne positionieren im ausweichen kann. Nullpunkt eine dynamische Messung während der

Eine andere bekannte Vorrichtung verwendet zur 30 Verschiebung des Werkstückes zu ermöglichen.
Messung in einer Richtung eine Geradführung, in der I_n weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden

anderen Richtung aber einen Umlenkhebel. Da der die Antastrichtungen der Taststifte durch Kodierung Hebel einen bestimmten Radius hat, darf die Um- der Richtungssignale der Signalgeber zur Weiterverwandlung der Längenbewegung in eine Winkelbewe- arbeitung in einem mit dem Tastkopf verbundenen gun» zum Zwecke der Längenmessung nur bei einem 35 Rechner übertragen. Mit der Zuführung der Anbestimmten Abstand der Taststiftspitze vom Biegege- tastrichtung erhält der Rechner eine Information über lenk erfolgen. Verwendet man einen anderen Tast- die jeweilige Relativlage der kugelfö migen Taststiftstift mit beispielsweise anderer Hebellänge, dann spitze zur Werkstückfläche. Durch diese Anordnung muß die Einrichtung jeweils auf diesen Taststift neu wird bei jedem Antastvorgang der wirksame Kugelgeeicht werden. 40 radius der Taststiftspitze vorzeichenrichtig addiert, Ferner ist bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen und es können die Werkstückpunkte direkt ohne subworden, bei der ein Taster gleichzeitig seine nach jektive Entscheidung des Messenden berechnet werden drei Koordinatenachsen zerlegte Bewegung mit- den.

IeIs eines Tastarmes auf zwei in der X- bzw. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen

y-Achse elastisch deformierbare Parallelogramme 45 Ausbildung eines elektronischen Mehrkoordinatentamit starren Brücsen, deren Relativlagen von Meß- sters besteht darin, daß man hiermit auch schwer zufühlern registriert werden, überträgt. Dabei wird die gängliche Meßflächen mit äußerster Präzision ausBewegung des Msßtasters in einer dritten Koordina- messen kann Dabei werden die durch mechanische tenrichtung (y-Achse) unmittelbar auf einen weiteren VerschleiCerscheinungen oder thermischer Verfor-MeGfühler gegeben. Auch dieser Vorrichtung haftet, 50 mung der Geradführungssysteme hervorgerufenen wie auch allen übrigen bekannten Vorrichtungen, Veränderungen der mechanischen Nullpunktslage noch der Nachteil an, daß hierbei die in der Praxis automatisch kompensiert, ohne daß man nachzueinicht zu vermeidenden Änderungen der relativen _chen braucht, was eine erhebliche Steigerung der Nullpunktslagcn der Geradführungs- und Meßsy- Meßgenauigkeit selbst unter erschwerten Bedingunsteme weder erfaßt noch kompensiert werden, was ₅₅ g_en gewährleistet. Außerdem ist hierbei eine weitgeauf Kosten der Genauigkeit der Meßergebnisse geht. hende Automation des Meßvorganges unter Finbt-

Ziel der Erfindung ist es, einen elektronischen zichung von elektronischen Rechnern möglich.
Mehrkoordinatentaster höchster Genauigkeit mit um- Die Erfindung sei nun an Hand der in den Fig. I

fassenden Einsatzmöglichkeiten zu schaffen. bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiclen näher cr-

Erreicht wird dieses nach der Erfindung durch die 60 läutert.

Kombination folgender Merkmale: I_n Fig. I ist der prinzipielle Aufbau der Füh-

rungssystume eines Tastkopfes nach der Erfindung dargestellt.

a) daß der Tastkopf aus einer torsionssteifen An- Die Taststiftaufnahme 1, welche beispielsweise

einanderreiliung von spiel- und reibungsfreiem 65 eine Reihe von sternförmig angeordneten, beliebig Geradfühmngssystcm besteht, die miteinander auswechselbaren Taststiften 2 trägt, ist über ein vier ein definieMts ebenes oder räumliches Koordi- Blattfedern Ja besitzendes Federparallelogramm3 natensystem bilden, mit der Platte 4 verbunden. Letztere ist andererseils

über ein weiteres Federparallelogramm 5, deren 22 ist mit der Taststiftaufnahme 1 verbunden. Diese

Blattfedern 5 a um 90° versetzt angreifen, an dem Einrichtung zum automatischen Gewichtsausgleich

Winkelstücke befestigt. wird von dem Motor 19 betätigt, der seinerseits von

Das Winkelstück 6 hängt schließlich über ein drit- einem noch zu beschreibenden Signalgeber gesteuerl tes Federparallelogramm 7, welches horizontal lic- 5 wird, der die Lage des in der Z-Richtung bewcgligende Blattfedern 7 a enthält, an dem Vcrbindungs- chen Parallelogramms 7 erfaßt,
stück 8, welches mit dem Oberteil 9 starr verbunden Jedes einzelne der in den Fig. I und 2 dargestellist, ten Federparallelogramme 3, 5, 7 enthält bei der er-

Durch diese torsionssteife Aneinanderreihung findungsgemäßen Ausführung des Tastkopfes noch dreier spiel- und reibungsfreier Geradführungssy- io weitere, in den F i g. 3 bis 5 dargestellte, zusätzliche

sterne wird ein mechanisches Koordinatensystem Einrichtungen, die in geeigneter Weise neben- oder

XYZ aufgespannt. Hierin ist beispielsweise das hintereinander an den einzelnen Parallelogrammen

Winkelstück 6 parallel zur Z-Richtung, die Platte 4 befestigt sind.

parallel zur Z- und A"-Richtung und schließlich die In den Fig. 3 bis 5 sind diese Zusatzeinrichtungen

Taststiftaufnahme 1 parallel zu der X-, Y- und 15 jeweils nur für ein beliebig herausgegriffenes Paralle-

Z-Richtung beweglich. logramm aufgezeigt, da diese für alle übrigen Paral-

AIs Anwendungsbeispiel ist in F i g. 2 die Anta- lelogramme völlig identisch sind,
stung einer gekrümmten Fläche 101 eines Werkstük- In der F i g. 3 ist beispielsweise das Federparallelokes; 100 dargestellt, das beispielsweise an seiner gramm 3 der F i g. I und 2 herausgegriffen.
Fläche 102 auf dem Tisch einer Koordinatenmeßma- ao In der Fig. 3 ist ein in der Führungsrichtung des schine aufgespannt ist. Aus dem Beispiel erkennt Parallelogramms wirkendes Gesperre eingezeichnet, man, daß auch andere, schwer zugängliche Meßflä- welche im wesentlichen der Ausführungsform des in chen des Werkstückes von der erfindungsgemäßen der Patentanmeldung 22 42 356.9 der Anmelderin beEinrichtung angetastet werden können, ohne daß das schriebenen Präzisionsgesperres entspricht. Das par-Werkstück oder die Tasteinrichtung umgespannt »5 allel z.itn Teil 4 bewegliche Teil 1 trägt einen Rastwerden muß. körper 30 mit einer V-förmigen Rastnut, in die die an

In dem im Schnitt dargestellten Ausfül rungsbei- einem Hebel 31 befindliche Rastkugel 32 einrasten

spiel nach F i g. 2 sind außer den in F ΐ g. 1 bereits kann.

beschriebenen Teilen, die hier mit gleichen Bezugs- Durch Kugel und V-Nut ist an sich die Relativlage

zeichen versehen sind, noch die Mittel zur Erzeugung 30 zwischen den Teilen 4 und 1 des Federparallelo-

und Eingabe der Meßkraftvorgabe, sowie ein auto- gramms 3 der F i g. 1 und 2 formschlüssig gesperrt,

matischer Gewichtsausgleich in der Z-Richtung für Gleiche Präzisionsgesperre besitzen die Führungs-

die Führungssysteme nebst Taststiften und Taststift- systeme 5 und 7 in den F i g. 1 und 2; wodurch ein

aufnehmer eingezeichnet. mechanisch geometrischer Nullpunkt des Tastkopfes

Im Oberteil 9 des Tastkopfes 10 sind beispiels- 35 10 festgelegt wird.

weise drei Tauchspulsysteme angeordnet, deren Wie noch gezeigt wird, müssen in jedem der Füh-

Ringspaltmagnete 11, 11', 11" im Oberteil 9 festste- rungssysteme die formschlüssigen Raststellungen zu-

hend gelagert sind und deren Tauchspulen 12, 12', sätzlich nachgestellt werden, wozu eine elastisch ki-

12" aus einer mittleren Nullage heraus, je nach nematische Vorrichtung mit den Teilen 31 bis 36

Stromrichtung des in die Tauchspulen eingegebenen 40 dient.

Stromes, in den Ringspalt der Magnete hereingezo- Der Hebel 31 ist in einer an dem Teil 4 befestigten gen oder herausgedrückt werden. Die Stromzufüh- Halterung 33 um eine senkrecht zur Zeichenebene rung jeder einzelnen Tauchspule kann wahlweise ein- liegende Achse A drehbar gelagert. Am vorderen oder ausgeschaltet bzw. entsprechend elektronisch Ende des Hebels 31 ist eine Blattfeder 34 befestigt, gesteuert werden, um definierte Meßkräfte zu erzeu- 45 Das hintere Ende der Blattfeder 34 liegt an den Nokgen. Die Bewegungen der Tauchspule 12 werden ken 35 einer Nockenscheibe 36 an. Die Nockenmittels des im Cberteil9 um die Achse 13 drehbar scheibe 36 ist durch einen nicht mehr eingeLeichne gelagerten Hebels 14 und weiterer elastisch miteinan- ten Elektromotor in den Richtungen des Doppelpfeider verbundenen Übertragungselemente 15, 16, 17 les 37 verdrehbar. Bei einer Drehung der Nockenauf die Taststiftaufnahme 1 übertragen. Das Übertra- 50 scheibe 36 wird bei einem Hub des Nockens 35 die gungselement 16 ist hier beispielsweise mittels eines Feder 34 verbogen, wodurch sich eine zusätzliche elastischen Wellrohres 18 im Boden 9 a des Oberteils Lageverstellung der Rastkugel und damit auch dei allseitig schwenkbar gelagert. Das Tauchspulensy- durch Kugel und V-Nut geklemmten Relativlage zwistem 11, 12 erzeugt hier eine Meßkraftvorgabe in der sehen Teil 4 und Teil 1 erzielen läßt
y-Richtung. Das Tauchspulensystem 11', 12' ver- 55 In der Fig.4 ist wiederum das Federparalleloschwenkt durch eine geeignete Hebelübertragung, die gramm 3 herausgegriffen, was stellvertretend für alle der besseren Übersicht wegen hier nicht eingezeich- übrigen 5,7 steht

net ist, das Übertragungselement 16 im elastischen Hierin ist nun ein lage- und richtungsempfindli-

Wellrohr 18 senkrecht zur Zeichenebene und erzeugt eher Signalgeber, z. B. ein induktiver Meßgeber, em-

so die Meßkraftvorgabe in der ΛΓ-Richtung. Das 60 gebaut, dessen Spulensysteme 40 mit dem Teil 4 stan

Tauchspulensystem 11", 12" schließlich greift über verbunden sind, während der zugehörige Kern 41 an

das Übertragungselement 17 β auf das Winkelstück Teil 1 starr befestigt ist Der Signalgeber ist so be-

16 an und schafft somit eine Meßkraftvorgabe in der schaffen, daß er bei einer bestimmten relativen Lage

Z-Richtung. der Teile 4 und 1 keine Spannung abgibt. Diese Lagt

Ferner ist im Oberteil eine über einen Motor 19 65 definiert den »elektrischen« Nullpunkt in der Fun-

angetriebene Gewindespindel 20 gelagert, deren zu- rungsrichtung des Federparallelogrammes 3. In glei-

geordnete Spindelmatter 21 mit einer Spiralfeder 22 eher Weise haben die Federparallelogramme 5 und T

in Verbindung steht Das untere Ende der Spiralfeder elektrische Nullpunkte, die zusammen den ebener

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bzw. räumlichen »elektrischen« Nullpunkt des gesamten Tastkopfes definieren. Dieser elektrische Nullpunkt wird im allgemeinen nicht mit dem, durch die Klenimcinrichtungcn 30 und 31 bestimmten, mecht.risch geometrischen Nullpunkt übereinstimmen, Um diese Übereinstimmung zu erreichen, werden Signale der induktiven Meßgeber zur motorischen Nachstellung der Raststellung mit cinsm an der Nokkenscheibe 36 angeflanschten, hier nicht dargestellten Elektromotor herangezogen. Die mechanisch: Klemmstelle wird dadurch auf den elektrischen Nullpunkt eingeregelt.

Die aus den Signalgebern kommenden lage- und richtungsanzeigenden Signale können auch zur Messung der Abweichung des zu prüfenden Werkstückpunktes von einer Sollage verwendet werden.

Der verwendete Signalgeber hat ferner die Eigenschaft, daß seine Signale zur Regelung der Sperrung auf den jeweiligen elektrischen Nullpunkt herangezogen werden können.

In der F i g. 5 ist am Beispiel des herausgegriffenen

Federparallelogramms 5 (Fig. 1) eine viscohydraulische Bewegungsdämpfung eingezeichnet, bei der in dem durch die Platten 51 und 52 gebildeten Kapillarspalt 53 eine zähe Flüssigkeit eingefüllt ist. Die β Platte 51 ist mit dem Teil 6 und die Platte 52 mit dem Teil 4 fest verbunden. Durch die Kapillarwirkung wird ein Herauslaufen der Flüssigkeit verhindert, und es ist keine reibungsbehaftete Abdichtung nötig.

ίο Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es lassen sich z. B. auch andere Geradführungssysteme, wie z. B. ebene oder räumliche Kreuzschlittensysteme oder andere elektrische Signalgeber, z. B. kapazitive, ohmsche oder optisch-elektronische Meßsysteme verwenden.

Auch ist die Anwendung nicht allein auf Koordinatenmeßmaschinen beschränkt. Die Erfindung kann auch in verschiedenen Meß- und Bearbeitungsvor-

ao richtungen oder Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1. 242

   Patentansprüche:

   I, Elektronischer Mebrkoordinatentaster mit einem Tastkopf, der gleichzeitig einen oder raehrere Taststifte tragen kann, zum Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen, vorzugsweise auf Koordinatenrneßmaschinen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) daß der Tastkopf aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Geradführungssystemen (3, 5, 7) besteht, die miteinander ein definiertes ebenes oder räumliches Koordinatensystem bilden, ¹S

   b) daß richtungs- und lageempfindliche elektrische Signalgeber (40, 41) eingebaut sind, die eben falls ein torsionssteifes Koordinatensystem bilden,

   20

   c) daß motorisch fein verstellbare, in der Führungsrichtung der jeweiligen Geradführung v/irkende Präzisionsgesperre (30 bis 36) eingebaut sind, welche die Lage der Koominaten-Nullpunkte der Geradführungssysteme (.3, 5, 7) und die Nullpunktslage der elektrischen Signalgeber (40, 41) automatisch auf Übereinstimmung einregeln,

   d) daß Mittel (11 bis 17) zur definierten Meßkraftvorgabe in alle" einzelnen Führungs- ₃„ richtungen vorgesehen sind.
2. 2. Elektronischer Mehrkijordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführungssysteme (3, 5, 7) als Federparallelogramme ausgebildet sind.
3. 3. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber als Längenmeßgeber ausgebildet sind.
4. 4. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung der elektrischen Signalgeber (40, 41) zur Steuerung des Einfahrens eines oder mehrerer Koordinatenschlitten in die Nullposition des Tasters.
5. 5. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung der elektrischen Signalgeber (40, 41) zum Auslösen eines Festhalte- bzw. Speicherbefehles an eine Verschiebungsmeß- bzw. Impulszähleinrichtung.
6. 6. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber (40, 41) an einen elektronischen Rechner angeschlossen sind und entsprechend der Lage und Richtung der Taststifte (2) kodierte Signale liefern.
7. 7. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung des elektronischen Rechners bei der Elimination der Abmessungen der Tastspitzen der Taststifte (2) auf das Meßergebnis.
8. 8. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber als induktive Meßgeber ausgebildet sind, deren relativ zueinander bewegliche Teile (40, 41) mit Teilen (1, 4) der Geradführungssysteme (3) verbunden sind und deren induktive NuUagen die elektrischen Nullpunktelagen in den Führungsrichtungen der GeradfOh rungssysteme (3,5,7) bilden.
9. 9. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die Verwendung eines feinverstellbaren Präzisionsgesperres bei dem ein mit einer Blattfeder (34) verbundener Hebel (3X) an einen Teil (4) eines Geradführungssystemes (3) drehbar gelagert ist und in einem mit einem weiteren Teil (1) des Geradführungssystems (3) verbundenen Rastkörpei (30] einrastet, wobei die in Abhängigkeit der gegenseitigen Lage der Teile (4, 1) des Geradfuhrungssystemes (3) veränderliche elastische Verformung der Blattfeder (34) zur Feineinstellung des Gesperres verwendet wird.
10. 10. Elektronischer Mehrkoordinatentastei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Geradführungssysteme (3, 5, 7) mittels flüssigkeitsgefüllter Kapillarspalte (53; gedämpft sind.
11. 11. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daG eine Einrichtung (19 bis 22) zum automatischen Gewichtsausgleich der Tastorgane (1,2) und dei Geradführungssysteme (3, 5, 7) eingebaut ist.
12. 12. Elektronischer Mehrkoordinatentastei nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tauchspulsystemen (11, 12) zui Meßkraftvorgabe in den einzelnen Führungseinrichtungen der Geradführungssysteme (3, S₁ 7).