DE2742817B2

DE2742817B2 - Tastkopf

Info

Publication number: DE2742817B2
Application number: DE2742817A
Authority: DE
Inventors: David Roberts Wottonunder-Edge Glouchestershire Mcmurtry (Grossbritannien)
Original assignee: RENISHAW ELECTRICAL Ltd WOTTON-UNDER-EDGE GLOUCESTERSHIRE; Rolls Royce PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2366541B1; FR2366541A1; JPS5773608U; DE2742817A1; JPS6044603B2; US4155171A; IT1087630B; CH615379A5; JPS5388754A; DE2742817C3; GB1593050A; JPS5786002A; SE438908B; SE7710571L

Description

len, ist gemäß der Erfindung ein Spielraum zwischen den zusätzlichen Stütz- und Gegenflächen zwischen Null und einem bestimmten Grenzwert vorgesehen. Dieser Grenzwert muß so klein gewählt werden, daß die dadurch herbeigeführte Genauigkeitsverringerung wesentlich kleiner als die Genauigkeitsvergrößerung ist, die man durch die Erhöhung der Anzahl der als mögliche Kippzentren dienenden Stellen über drei hinaus erhält Auf diese Weise erhält man trotz des genannten Spielraums einen Nettogewinn an Genauigkeit Es ist auch möglich, den Spielraum auf den Wert Null zu verringern, d. h. es ist auch eine gleichzeitige Berührung zwischen sämtlichen Lagerelementen und den zugehörigen konvergenten Flächen und auch zwischen sämtlichen zusätzlichen Stütz- und Gegenflächen möglich, wie später noch im einzelnen erläutert ist

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Tastkopf nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt in der Ebene III-1II in F i g. 1,

F i g. 4 ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung des in F i g. 1 gezeigten Tastkopfes,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine weitere Tastkopfausführungsform,

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in F i g. 5 und

F i g. 7 einen Schnitt in der Ebene VII-VII in F i g. 5.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen einen Tastkopf mit einem Gehäuse 50, dessen Achse mit 51 bezeichnet und mittels eines Zapfens 53 an einem Tastkopfhalter 52 einer Meßmaschine befestigbar ist Das Gehäuse 50 lagert einen Tasterhalter 54, dessen Achse mit 55 bezeichnet ist Ein am Tasterhalter 54 befestigter Taster 56 trägt an seinem freien Ende eine kugelige Tastspitze 57, mittels welcher z. B. eine Fläche 58 eines Werkstückes 59 an tastbar ist In der dargestellten Position des Tasterhalters 54, bei welcher es sich um seine Ruhelage handelt fallen die Achsen 51 und 55 zusammen. Der Tasterhalter 54 ist im Gehäuse 50 an drei Lagerstellen A, ßuncl C gelagert, die auf einem gemeinsamen Kreis um die Gehäuseachse 51 herum liegen.

An jeder Lagerstelle A, B und C sind zwei Lagerelemente in Form gehärteter und polierter Stahlkugeln 57 angeordnet die an bezüglich des gemeinsamen Kreises in tangentialer Richtung auseinanderliegenden Stellen am Gehäuse befestigt sind. Jedes Kugelpaar bildet zwei zueinander konvergierende Flächen 5β. Außerdem trägt der Tasterhalter 54 drei radial vo;i seiner Achse 55 wegragende Auflageelemente in Forin gehärteter und polierter Stahlzylinder 59, die jeweils mit einer der Lagerstellen A, B und C zusammenwirken.

Jeder Zylinder 59 befindet sich also im Bereich eines Kugelpaars und kann auf den Kugeln 57 gleiten, um sich zwischen die beiden konvergierenden Flächen 58 zu legen. Wegen der jeweils zueinander konvexen Oberflächen jedes Zylinders 59 und der damit zusammenwirkenden Kugeln 57 kann der Tasterhalter 54 in eine seine Ruhelage bildende Position gleiten, in welcher jeder Zylinder 59 an beiden konvergenten Flächen SJ anliegt also jeweils an zwei Punkten 61 mit dem betreffenden Kugelpaar 57 Berührung hat. Eine zwischen dem Gehäuse 50 und dem Tasterhalter 54 angeordnete Feder 60 drängt den Tasterhalter in seine Ruhelagir. Die Zylinder 59 und die konvergierenden Flächen 58 bilden eine stabile Lagerung des Tasterhalters gegen Kippbewegungen um die Lagerstellen A, B und Cund gegen Querverschiebungen oder Drehbewegungen bezüglich der Achse 51.

Das Gehäuse 50 weist ferner drei angeformte oder auf andere Weise angebrachte zusätzliche Stützflächen in Form dreier ebener Flächen 62 auf, die zwischen den Lagerstellen A, B und C in einer die Punkte 61 schneidenden Ebene liegen. Ebenso sind am Tasterhalter 54 drei zusätzliche, angeformte oder auf andere Weise hergestellte Gegenflächen 63 in Form von gekrümmten, kantenartigen Flächen angeordnet, die konzentrisch zur Gehäuseachse 51 und zwischen den Zylindern 59 au/ einem Kreis liegen, dessen Durchmesser etwa gleich demjenigen des gemeinsamen Kreises der drei Lagerstellen ist Zwischen den zusätzlichen Stützflächen 62 und den zusätzlichen Gegenflächen 63 ist jeweils ein kleiner Spielraum 64 vorgesehen, um sicherzustellen, daß die Ruhestellung des Tasterhalters 54 noch stabil durch die Kugeln 57 festgelegt wird.

Der Tasterhalter 54 kann aus seiner Ruhestellung durch eine Kraft F1 ausgelenkt werden, die nach einer Auslenkung χ der Tastspitze 57 im Sinne einer Kippbewegung des Tasterhalters um die Achse BC auf

den Taster 56 wirkt Eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft F2 bewirkt eine Kippbewegung um die Lagerstelle A, deren Abstand von der Achse 51 doppelt so groß wie derjenige der Achse BC ist, so daß die Auslenkung der Tasterspitze 2x beträgt

Wenn nach der Auslenkung χ aufgrund der Kraft Fl der Taster weiter ausgelenkt wird, so beginnt sich die Fläche 63 der Stützfläche 62 zu nähern, bis der Spielraum 64 verschwunden ist Sodann steigt die Kraft Fl an und wird gleich der Kraft F2 und die Auslenkung wird gleich 2x. Wegen des Spielraums 64 beträgt jedoch die Gesamtauslenkung der Tastspitze 57 des Tasters 2x + xc, wobei xc die Auslenkung aufgrund des Spielraums ist. Die Genauigkeitstoleranz des Tastkopfes entspricht dann xc gegenüber der ohne die zusätzlichen Flächen 62 und 63 erzielbaren Genauigkeitstoleranz x. Solange der Spielraum 64 so klein ist, daß xc < χ ist wird die Genauigkeit des Tastkopfes durch die Flächen 62 und 63 verbessert.
Jede Auslenkung über die genannte Tastspitzenauslenkung hinaus, d. h. jede Kippbewegung des Tasterhalters 54, wird dadurch festgestellt, daß die Kugeln 57 in an sich bekannter Weise als elektrische Kontakte in einen Stromkreis 67 geschaltet werden, wobei die Zylinder 59 die durch die Kugelpaare gebildeten Kontakte überbrücken. Alternativ dazu kann die Auslenkung mittels eines Wandlers 68 erfaßt werden, der in den F i g. 1 und 4 gezeigt ist und einen beweglichen Kern 69 besitzt, der leicht gegen die Mitte des Tasterhalters 54 gedrängt wird. Der Wandler 68 ist in eine Induktionsmeßbrücke 70 geschaltet, die über einen Gleichrichter 71, einen Verstärker 72 und einen Trigger 73 ein Sprungsignal 74 liefert, wenn die Kippbewegung des Tasterhalters einen gegebenen Schwellenwert übersteigt

Außer durch eine Kippbewegung kann der Taster 56 auch durch eine geradlinige Verschiebung nach oben in Richtung der Achse 51 oder durch eine Drehbewegung um diese Achse herum ausgelenkt werden. Zur Ermöglichung der letzteren Auslenkbarkeit müßte der Taster eine seitlich wegragende Tastspitze 56/4 haben (vergl. F i g. 1). Im Gehäuse 50 können Anschlagflächen 65 vorgesehen sein, die mit einem Zylinder 59 zusammenwirken und verhindern, daß der Taster durch

eine Drehbewegung so weit aus seiner Ruhestellung ausgelenkt wird, daß er danach nicht mehr von selbst in seine Ruhestellung zwischen den Kugelpaaren zurückkehrt.

Bei dem in den F i g. 5 bis 7 gezeigten Tastkopf enthält ein Gehäuse 10 mit einer Achse 10a einen Ring 12, der eine nach oben offene, zur Achse 10a konzentrische Nut 13 mit V-Querschnitt besitz'. In dieser Nut befindet sich eine ringförmige Anordnung von gehärteten und polierten Stahlkugeln 14. An einem Tasterhalter 16, dessen Achse mit 16a bezeichnet ist, ist ein Taster 15 befestigt. Außerdem ist am Tasterhalter 16 eine nach unten offene Nut 17 mit V-Querschnitt, welche der Nut

13 gegenüberliegt und ebenfalls eine ringförmige Anordnung gehärteter und polierter Stahlkugeln 18 enthält. Jede der Kugeln 18 befindet sich zwischen zwei benachbarten Kugel 14. Jeweils zwei benachbarte Kugeln 14 bilden zusammen zwei zueinander konvergierende Flächen 19 (Fig.3). Jede Kugel 18 bildet eine Gegenfläche 20, die sich an die beiden konvergierenden Flächen 19 zweier benachbarter Kugeln 14 anlegen kann. Eine Feder 2t drängt den Tasterhalter 16 zum Ring 12 hin, und die Kugeln 14 und 18 berühren sich aufgrund der von der Feder ausgeübten Vorspannkraft mit ihren Flächen 19 und 20 an Punkten 22.

Um sicherzustellen, daß zwischen jeder Kugel 18 und zwei benachbarten Kugeln 14 die gewünschte Berührung stattfindet, läßt man die Kugeln 14 und 18 anfänglich frei in ihren Nuten 13,17 rollen, die sich dann aufgrund der Federkraft und der Konvergenz der Flächen 19 in Positionen einstellen, in welchen alle Kugeln 14 alle Kugeln 18 berühren. Die von zwei benachbarten Kugeln 18 gebildeten Flächen 20 sind natürlich in der gleichen Weise zueinander konvergent wie die Flächen 19 zweier benachbarter Kugeln 14, und beide Kugelgruppen 14 und 18 verhalten sich, was die Einnahme der gegenseitigen Positionen in den Nuten betrifft, in der gleichen Weise. Um ein vollständiges und schnelles Ausrichten der Kugeln zu erzielen, kann eine verhältnismäßig starke Feder 21 verwendet und der Tastkopf vibriert werden, wobei der Taster 15 mittels einer Vorrichtung in der Achse 10a gehalten wird.

Man läßt die Kugeln 14 und 18 sich in der beschriebenen Weise einstellen und ausrichten, während vorher in die Nuten eingebrachtes Epoxyharz 14a, 18a noch weich ist, und läßt dann das als Klebstoff dienende Harz aushärten, während die relative Lage des Gehäuses 10 und des Tasters 15 unverändert beibehalten werden.

Wenn alle Kugeln 14 und 18 in der beschriebenen Weise miteinander in Berührung stehen, besitzt der Tasterhalter 16 eine genau bestimmte stabile Ruhestellung im Gehäuse 10. Wenn im Gebrauch eine Kraft auf den Taster wirkt, beispielsweise durch Berührung des Tasters mit einem Werkstück, wird der Taster 15 aus seiner Ruhestellung ausgelenkt, d. h. der Tasterhalter 16 wird angehoben oder gekippt Hört die auf den Taster wirkende Kraft auf, so gleiten die Kugeln aufgrund der Federkraft und der von ihnen gebildeten konvergierenden Flächen aufeinander, bis sie sich wieder an den Punkten 22 berühren und die genannte stabile Ruhestellung wieder eingenommen ist

Die gleichförmige Berührung zwischen den Kugeln

14 und 18 kann noch verbessert werden, indem der Tasterhalter unter gleichzeitigem Einführen eines feinen Schleifmittels zwischen die Kugeln vibriert wird

Die kleinstmögliche Anzahl von Kugeln in jeder

Kugelgruppe ist vier, jedoch ist eine minimale Kugelanzahl von sechs zu bevorzugen, was dem dargestellten Ausführungsbeispiel (F i g. 7) entspricht, so daß sechs räumlich auseinanderlegende Lagerstellen zur Lagerung des Tasterhalters im Gehäuse gebildet sind. Wenn eine Lagerung nur an drei Lagerstellen gewünscht wird, kann jede zweite der Kugeln 18 nach dem Aushärten des Harzes einzeln poliert werden, um ihren Kontaktdruck mit den beiden benachbarter

ίο Kugeln 14 abzuschwächen oder sogar einen kleinen Spielraum 22a herzustellen. Dadurch erhält man zusätzlich zu den drei den Tasterhalter 16 tatsächlich lagernden Lagerstellen drei Stützstellen. Die oben unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 3 angestellten Betrach-

!5 tungen hinsichtlich der Genauigkeit des Tastkopfes gelten auch für den in den F i g. 5 bis 7 dargestellten Tastkopf.

Die Auslenkung des Tasterhalters 16 kann wiederum dadurch festgestellt werden, daß die Kugeln 14 und 18 als elektrische Kontaktstücke benützt werden. In diesem Falle werden der Tasterhalter 16 und der Ring 12 aus hartem Kunststoff hergestellt, um eine gute Isolation und trotzdem ein leichtes Rollen der Kugeln in den Nuten 13, 17 während der anfänglichen Kugelaus richtung sicherzustellen. Vorzugsweise sind die Kugeln einer Kugelgruppe, beispielsweise die Kugeln 18, an einen gemeinsamen Leiter 23 angeschlossen, während die Kugeln der anderen Kugelgruppe, beispielsweise die Kugeln 14, über jeweils gesonderte Leiter 24 mit einem

jo NOR-Glied 25 verbunden sind, so daß ein in der Ruhestellung vorhandenes Ausgangssignal 26 aufhört, sobald die Berührung an einem der Punkte 22 unterbrochen wird. Falls nur drei Kugeln 18 zur Lagerung des Tasterhalters verwendet werden, be-

Vj schränkt sich die elektrische Schaltung auf diese drei Kugeln 18 und die ihnen zugeordneten Kugelpaare 14.

Es kann jede beliebige Anzahl von Kugeln 14 und 18 Anwendung finden. Oberhalb einer gewissen Kugelzahl erhält man jedoch keine wesentliche Verbesserung der Genauigkeitstoleranz des Tastkopfes mehr. Eine Anzahl von fünfzehn Kugeln hat sich als zweckmäßig erwiesen und ohne Notwendigkeit des Polierens einzelner Kugeln in der oben erwähnten Weise zu guten Ergebnissen geführt Die Kugeln können relativ klein sein, beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm bis 2 mm haben, und die Anordnung der Kugeln 14 und 18 in Nuten 13, 17 eignet sich für die wirtschaftliche Herstellung von Tastköpfen mit sehr kleinem Gesamtdurchmesser, beispielsweise von 15 mm und darunter.

so Findet eine große Anzahl kleiner Kugeln Anwendung, so erfolgt die Feststellung einer Auslenkung des

Tasterhalters vorzugsweise mittels eines Wandlers

ähnlich der in den F i g. 1 und 4 gezeigten Art

Gemäß einer nicht dargestellten Abwandlung kann

eine Kugelgruppe durch Kegelroüen ersetzt werden.

Gemäß einer anderen, nicht gezeigten Abwandlung ist der Tasterhalter 16 mit kleinerem Durchmesser als beim dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet und die Kugeln 18 sind durch radiale Arme mit jeweils kreisrundem Querschnitt ersetzt, die vom Tasterhalter wegragen und zwischen den Kugeln 14 liegen.

Bei einer weiteren, nicht dargestellten Abwandlung sitzen die Kugeln einer Gruppe, beispielsweise die Kugeln 14, anstatt in einer Nut in Sackbohrungen des Gehäuses 10,12, wobei die Tiefe der Sackbohrungen zur Herstellung von Spielräumen 22A genau festgelegt wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tastkopf mit einem Taster, der durch eine Rückstellkraft in eine seine Nullstellung bestimmende, drei räumlich versetzte Lagerstellen aufweisende Lagerung gedrängt wird, aus welcher heraus er relativ zu seiner Halterung in einer Richtung verschiebbar und allseitig kippbar ist, wobei an jeder Lagerstelle ein an einem der Bauteile »Taster« oder »Halterung« angeordnetes Lagerelement mit zwei am jeweils anderen Bauteil angeordneten, zueinander konvergierenden Rächen zusammenwirkt, und mit einer Einrichtung zur Erfassung von Tasterauslenkungen, dadurch gekennzeichnet, daß am Taster (15, 16; 54, 56) zusätzliche Stützflächen (18; 63) und an seiner Halterung (10 12; 50) damit zusammenwirkende zusätzliche Gegenflächen (14;

62) angeordnet sind, die an bezüglich der Lagerstellen (A, B, Q versetzten Stellen gelegen sind, und daß zwischen den zusätzlichen Stützflächen und den zusätzlichen Gegenflächen ein Spielraum (22/1; 64) zwischen Null und einem bestimmten Grenzwert vorgesehen ist

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen (A, B, C) symmetrisch um eine Achse (10a; 51) herum angeordnet sind, und daß die zusätzlichen Stütz- und Gegenflächen (62,

63) durch an einem der Bauteile »Taster (56)« oder »Halterung (50)« gebildete, im wesentlichen in der Ebene der Lagerstellen (A, B, C) gelegene ebene Flächen (62) und durch am jeweils anderen Bauteil angeordnete, konzentrisch zu der Achse (10a, 51) verlaufende Kantenflächen (63) gebildet sind.

3. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lagerstellen (A, B, C) und auf einem gemeinsamen Kreis mit diesen zusätzliche Lagerstellen gebildet sind, an denen jeweils ein an einem der Bauteile »Taster (15, 16)« oder »Halterung (10)« angeordnetes zusätzliches Lagerelement (18) mit zwei am jeweils anderen Bauteil angeordneten, zueinander konvergierenden Flächen (14) zusammenwirkt.

4. Tastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente der Lagerstellen (A, B, C) und der zusätzlichen Lagerstellen durch eine ringförmig angeordnete Gruppe von an einem der Bauteile »Taster (15, 16)« oder »Halterung (10)« befestigten Kugeln (18) und die zueinander konvergierenden Flächen der Lagerstellen und der zusätzlichen Lagerstellen durch eine weitere Gruppe von ringförmig angeordneten, am jeweils anderen Bauteil befestigten Kugeln (14) gebildet sind, die jeweils zwischen den Kugeln (18) der ersteren Gruppe gelegen sind.

5. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (14,18) beider Kugelgruppen in im Taster (15,16) und in der Halterung (10,12) gebildeten, zueinander konzentrischen Ringnuten (13, 17) angeordnet und mittels eines aushärtbaren Kunstharzes befestigt sind.

6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zusätzlichen Lagerstellen mindestens drei beträgt.

7. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Anzahl der an jedem Bauteil (10 bzw. 15, 16) befestigten Kugeln (14, 18) vier beträgt

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein Tastkopf dieser Art ist bereits aus der DE-OS 2347 633 bekannt Die Anordnung dreier Lagerstellen ist hinsichtlich der Herstellung einer stabilen Lagerung vorteilhaft Zum Gebrauch wird ein solcher Tastkopf in eine Koordinatenmeßmaschine eingebaut und gegen ein zu vermessendes Werkstück bewegt Wenn die Tastspitze des Tasters das Werkstück berührt, so erzeugt die Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung ein Sprungsignal, das den Eintritt dieser Berührung anzeigt Dieses Signal tritt jedoch nicht unmittelbar beim Auftreten der Berührung zwischen der Tastspitze und dem Werkstück auf. Vielmehr bewegt sich der Tastkopf noch um eine sehr kleine Strecke relativ zur Tastspitze des Tasters weiter,, bevor die Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung anspricht Dies läßt sich dadurch erklären, dalil der Taster sich unter der zur Oberwindung der Rückstellkraft erforderlichen Betätigungskraft etwas ausbiegt Diese Ausbiegung bzw. die Größe der nach Eintritt der Berührung noch stattfindenden Relativbewegung zwischen der Tasterhalterung und der Tastspiu e wird beim Meßvorgang berücksichtigt, indem die Größe dieser Relativbewegung von der von der N'aßmaschine gemessenen Distanz abgezogen wird.

Bei dem bekannten Tastkopf tritt das Problem auf, daß die Betätigungskraft zur Auslenkung des Tasters nicht für alle Auslenkungsrichtungen gleich, sondern je nach der Richtung der Auslenkung relativ zi r Halterung unterschiedlich groß ist und deshalb am: 1 das eben erwähnte, bis zum Ansprechen der Eint chtung zur Erfassung der Tasterauslenkung auftretend ; Biegespiel des Tasters verschieden groß ist. Es ist jedoch unpraktisch, bei der Messung verschiedene Eliegespiele für verschiedene Auslenkungsrichtungen zu berücksichtigen. Die Ungenauigkeit des Tastkopfe entspricht deshalb der Größe der maximalen Biegest icldifferenz, die zwischen verschiedenen Betätigungskri ften auftreten kann. Nimmt man beispielsweise ;= n, daß die Richtung der Berührungskraft rechtwinklig ;:ur Tasterachse verläuft, so versucht diese Kraft, di n Taster je nach Angriffsrichtung dieser Kraft um ein:; oder zwei Lagerstellen zu kippen, und aufgrund der Gi ometrie der Anordnung ist die zum Kippen des Tasl·: rs um zwei Lagerstellen erforderliche Kraft nur halb ο groß wie die zum Kippen des Tasters um nur eine: Lagerstelle benötigte Kraft

Der Erfindung liegt daher die Aufgab; zugrunde, einen Taster nach dem Oberbegriff des Hau itanspruchs so zu verbessern, daß seine Genauigkeit unabhängig von der Auslenkungsrichtung bzw. der Rieh ung der am Taster angreifenden Berührungskraft ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindur 5 durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptansprui hs angegebene Anordnung gelöst

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordi ung erhöht sich die Anzahl derjenigen Stellen, um velche der Taster kippbar ist. Dadurch wird die kleb istmögliche Betätigungskraft nahezu gleich der gröl (möglichen Betätigungskraft Je größer die Anzahl di< ser Stellen, desto geringer wird die Differenz zw sehen der größtmöglichen und der kleinstmöglichen I fitätigungskraft und desto größer wird folglich die Geiu iiigkeit des Tastkopfes bei einem gegebenen Biegespiel.

Sofern es in der Praxis schwierig ist, scm i'ohl an den Lagerstellen als auch zwischen den zusäti·.! ohen Stütz- und Gegenflächen eine genaue Berührung i icherzustel-