DE2801656A1

DE2801656A1 - Tastkopf, insbesondere fuer koordinatenmessmaschinen

Info

Publication number: DE2801656A1
Application number: DE19782801656
Authority: DE
Inventors: David Roberts Mcmurtry
Original assignee: Rolls Royce PLC; Renishaw Electrical Ltd
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1978-01-16
Publication date: 1978-10-19
Also published as: FR2378259B1; FR2378259A1; JPS5825202B2; US4138823A; DE2801656B2; GB1593682A; IT7819494A0; IT7820521V0; JPS53112772A; DE2801656C3; SE7800602L; SE422996B; CH617617A5; IT1158443B

Description

PiTISIANWAlT

dipping.B. HOLZEB

-WELSEB-8TBASSB 1*

81)00 AUGSBUBO

TELBFOH 518475 TBLKX 6S3802 pcicl d

— K —

R.1003 Augsburg, den 12. Januar 1978

Rolls-Royce Limited ₃
65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT,

Renishaw Electrical Limited,

Gloucester Street, Wotton-under-Edge, Gloucestershire GL12 7DN

England

Tastkopf, insbesondere für Koordinatenmeßmaschinen

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf, insbesondere für Koordinatenmeßmaschinen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein solcher Tastkopf findet in Meßmaschinen Anwendung, 809842/0556

die einen relativ zu einem zu vermessenden Werkstück bewegbaren Meßkopf aufweisen. Bei einem Meßvorgang wird der Meßkopf zu dem Werkstück hin bewegt, bis der Taster eines am Meßkopf angeordneten Tastkopfes das Werkstück antastet, wobei in diesem Augenblick die auf eine Bezugsposition bezogene jeweilige tatsächliche Position des Meßkopfes registriert wird.

Bei einem bekannten Tastkopf der eingangs genannten Art (DT-OS 23 47 633) ist der Tasterhaltekörper in einer, drei Lagerstellen aufweisenden, in der feststehenden Halterung gebildeten Lagerung abgestützt« Bei einer Auslenkung eines am Tasterhaltekörper angeordneten Tasters kippt der Tasterhaltekörper je nach der Angriffsrichtung der Auslenkungskraft um eine entweder nur durch eine einzige der drei Lagerstellen oder eine durch zwei dieser Lagerstellen hindurchverlaufende Kippachse herum. Diese beiden verschiedenen Möglichkeiten der Kippbewegung führen zu entsprechenden Unterschieden in der Ansprechempfindlichkeit des Tastkopfes, da die zum Kippen des Tasterhaltekörpers um nur eine einzige Lagerstelle herum erforderliche Auslenkungskraft bis zum Zweifachen der zum Kippen des Tasterhaltekörpers um zwei Lagerstellen herum erforderlichen Auslenkungskraft betragen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tastkopf 809842/0556

der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Abhängigkeit der Ansprechempfindlichkeit von der Angriffsrichtung der Auslenkungskraft weitgehend herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Vorzugsweise weisen die halterungsseitige Lagerung und die zwischenkörperseitige Lagerung jeweils genau drei Lagerstellen auf, so daß die Abstützung des Tasterhaltekörpers in der Halterung die einer Dreipunktlagerung eigene Stabilität besitzt, während trotzdem sechs Lagerstellen vorhanden sind, um welche herum der Tasterhaltekörper kippen kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Richtungsunabhängigkeit der Tastkopfansprechempfindlichkeit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. I einen Axialschnitt durch einen Tast

kopf nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II

in Fig. 1, und

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Pig. 3 einen abgewickelten Umfangsschnitt

längs der Linie III in Fig. 2.

Der in den Zeichnungen dargestellte Tastkopf weist
einen Tasterhaltekörper 10, einen Zwischenkörper 11 und
ein die Halterung bildendes Gehäuse 12 auf, die alle eine gemeinsame Achse Z aufweisen. Der Tasterhaltekörper 10 ist an drei Lagerstellen A, B und C auf einer axialen Seite HA des Zwischenkörpers 11 abgestützt. Der Zwischenkörper ist seinerseits mit seiner anderen axialen Seite HB an drei
weiteren, im Gehäuse 12 gebildeten Lagerstellen D, E und F im Gehäuse abgestützt. Die beiden eben genannten Lagerstellengruppen sind jeweils symmetrisch um die Tastkopfache Z
herum angeordnet, jedoch sind die Lagerstellen der beiden LagerStellengruppen winkelmäßig derart gegeneinander versetzt, so daß, in Richtung der Tastkopfachse gesehen, jede der Lagerstellen A, B und C winkelmäßig zwischen zwei benachbarten Lagerstellen der Lagerstellengruppe D, E und F gelegen ist.

Zwischen dem Gehäuse und dem Tasterhaltekörper ist eine Feder 13 angeordnet, die eine in Richtung der Tastkopfachse Z wirkende Vorspannkraft P auf den Taeterhaltekörper ausübt, welche diesen gegen die drei zwischenkörperseitigtn Lagerstellen A₉ B und C und den Zwischenkörper. 11 gegen dl·

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drei gehäuseseitigen Lagerstellen D, E und P drängt. Die auf diese Weise herbeigeführte Position der beiden beweglichen Tastkopfteile, nämlich des Tasterhaltekörpers und des Zwischenkörpers, stellt die Nullstellung dar.

Zum Gebrauch wird der Tastkopf mit seinem Gehäuse 12 am Meßkopf H einer an sich bekannten Koordinatenmeßmaschine befestigt und der Tasterhaltekörper trägt einen Taster 14, mittels welchem ein auf dem Meßmaschinentisch montiertes Werkstück W antastbar ist»

Wenn der Meßkopf quer zur Tastkopfachse Z gegen das Werkstück W bewegt wird, wird beim Antasten des Werkstücks eine Kraft, beispielsweise Ql, auf den Taster ausgeübt, wodurch der Tasterhaltekörper und/oder der Zwischenkörper um eine oder zwei der Lagerstellen A bis P herum gekippt wird bzw. werden. Der Auslenkungskraft wirkt die Federkraft P entgegen, und beim Aufhören der Auslenkungskraft stellt die Feder den Tasterhaltekörper in seine Nullstellung zurück.

Wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird, ist die zum Auslenken des Tasters erforderliche Kraft für ver schiedene Angriffswinkel dieser Kraft um die Achse Z herum unterschiedlich. Diese Unterschiede sind eine Funktion der

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polygonalen Ordnung der Lagerstellen A bis P und führen zu Unterschieden der zwar geringen, jedoch unvermeidlichen Durchbiegung des Tasters unter der Einwirkung der Auslenkungskraft. Dies bedeutet in der Praxis, daß die Ansprechempfindlichkeit des Tasters, nicht in allen Richtungen um die Achse Z herum gleichförmig ist. Wie jedoch nachstehend gezeigt wird, bringt die Anordnung von sechs Lagerstellen A bis P eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der bekannten Anordnung von nur drei Lagersteilen und ist für praktische Zwecke ausreichend, um übermäßige Ansprechempfindlichkeitsdifferenzen zu vermeiden.

Zunächst werden nachstehend die konstruktiven Einzelheiten des Tastkopfes erläutert. Der Tasterhaltekorper 10 weist eine Scheibe 15 auf, die an jeder der Lagerstellen A, B und C des Zwischenkörpers mit einer zylindrischen Stützfläche 16 versehen ist, und das Gehäuse 12 weist einen ringförmigen Plansch 20 auf, das an jeder der gehäuseseitigen Lagerstellen D, E und F ebenfalls mit einer zylindrischen Stützfläche 19 versehen ist. Der Zwischenkörper 11 weist einen Ring 21 auf, der auf der einen Seite HA des Zwischenkörpers mit kugeligen Stützflächen 17 und auf der anderen Seite HB mit kugeligen Stützflächen 18 ausgestattet ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jede der zylindrischen Stützflächen 16 des Tasterhaltekörpers mit jeweils

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einem Paar benachbarter kugeliger Stützflächen 17 des Zwischenkörpers zur Abstützung des Tasterhaltekörpers im Zwischenkörper zusammenwirkt, und daß jedes Paar benachbarter kugeliger Stützflächen 18 des Zwischenkörpers mit jeweils einer der zylindrischen Stützflächen 19 des Gehäuses zur Abstützung des Zwischenkörpers im Gehäuse zusammenwirkt.

Der Tasterhaltekörper und der Zwischenkörper nehmen unter der Rückstellkraft der Feder 13 leicht ihre Nullstellung ein und werden formschlüssig in dieser gehalten. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß jedes Paar benachbarter kugeliger Stützflächen 17, mit denen eine komplementäre zylindrische Stützfläche 16 zusammenwirkt, so konvergiert, daß die Stützfläche 16 in eine Position gleiten kann, in welcher sie mit beiden benachbarten Stützflächen 17 Berührung hat. Außerdem sind die Stützflächen 17 jedes dieser Stützflächenpaare mit Bezug auf eine die Achse Z enthaltende Ebene symmetrisch, so daß sämtliche Stützflächen 17 der drei Lagerstellen A, B und C im Sinne einer formschlüssigen Festlegung des Tasterhaltekörpers sowohl quer zur Achse Z als auch drehfest mit Bezug auf diese Achse miteinander zusammenwirken. Die Ein- bzw. Rückstellung des Tasterhaltekörpers in eine präzise und stabile Nullstellung auf dem Zwischenkörper wird außerdem dadurch unterstützt, daß die miteinander zusammenwirkenden Stützflächen 16 und 17 in drei Dimmensionen

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relativ zueinander konvex sind, d. h. daß im vorliegenden Falle jeweils eine zylindrische und eine kugelige Stützfläche miteinander zusammenwirken. Gleiches gilt für die Stützflächen 18, die jeweils paarweise zueinander konvergent sind und mit den komplementären Stützflächen 19 zusammenwirken.

Die Stützflächen 16 und die Stützflächen 19 sind jeweils durch drei gehärtete stählerne Zylinderkörper 22 bzw. 23 gebildet, die an der Scheibe 15 des Tasterhaltekörpers bzw. am Flansch 20 des Gehäuses angeklebt sind. Die Scheibe und der Flansch 20 bestehen jeweils aus Kunststoff. Die Stützflächen 17 und 18 sind durch sechs gehärtete und polierte Stahlkugeln 2¹I gebildet, die an dem wiederum aus Kunststoff bestehenden Ring 21 angeklebt sind.

Der Tasterhaltekörper 10 weist einen von seiner Scheibe 15 wegragenden Schaft 1OA auf, der durch die mittigen öffnungen 21A und 20A des Ringes 21 und des ringförmigen Flansches 20 hindurchragt. Diese Gestaltung gestattet eine wirtschaftliche Anordnung der einzelnen Komponenten. Das freie Ende des SchafteslOA ist mit einem Schraubgewinde 1OB versehen, um je nach der auszuführenden Meßaufgabe einen von verschiedenen verfügbaren unterschiedlichen Tastern Ik befestigen zu können.

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Der Ring 21 besitzt eine ringförmige Anordnung von öffnungen 21A (Fig. 3), die in den abwechselnd geneigten Abschnitten 21 B, 21C des Ringes gebildet sind und jeweils zur Aufnahme einer der Kugeln 24 dienen. Durch die Neigung der einzelnen Ringabschnitte ist es möglich, alle Kugeln auf einem gemeinsamen Teilkreis anzuordnen, so daß sie in der vorgesehenen Weise mit den Zylinderkörρerη 22 und 23 zusammenwirken können.

Obwohl vorzugsweise die jeweils konvergierenden Stützflächenpaare 17, 17 und 18, 18 am Ring 21 angeordnet werden, ist es möglich» wenn auch weniger wirtschaftlich, diese konvergierenden Stützflächenpaare am Tasterhaltekörper und am Gehäuse und damit zusammenwirkende komplementäre Stützflächen am Ring 21 anzuordnen. Außerdem können die Kugeln des Ringes 21 auch durch andere Stützkörper mit kreisförmigen Querschnitt, beispielsweise durch Zylinderkörper ersetzt sein, die mit am Tasterhaltekörper bzw. am Gehäuse angeordneten Kugeln zusammenwirken.

Im Gebrauch des Tastkopfes kann die Kippauslenkung des Tasterhaltekörpers je nach Angriffsrichtung der Auslenkungskraft mit Bezug auf die Achse Z in unterschiedlicher Weise 'stattfinden. Zum Zwecke der Erläuterung dieser unterschiedlichen Kippauslenkungsarten sei angenommen, daß die

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Resultierenden der zwischen den Stützflächen 16 und 19 wirkenden Kräfte jeweils durch Punkte a bis f hindurchverlaufen, die auf einem gemeinsamen Teilkreis 26 liegen und sich außerdem jeweils in der Mitte der jeweils die Mittelpunkte zweier benachbarter Kugeln 24 verbindenden Verbindungslinien befinden. Ferner sei angenommen, daß jede Kippauslenkung des Tasterhaltekörpers mindestens bei Beginn der Kippauslenkung um eine durch jeweils zwei der Punkte a bis f verlaufende Kippachse erfolgt.

Es brauchen nur drei typische Auslenkungsarten betrachtet zu werden. Bei der ersten Auslenkungsart kippt die Auslenkungskraft Ql (Fig. 1 und 2) den Tasterhaltekörper 10 um die Achse a-b herum, wobei die Berührung zwischen den Stützflächen 16 und 17 an der Lagersteile C unterbrochen wird. Die Kraft Ql muß ausreichend groß sein, um die auf den Hebelarm Z-g wirkende Rückstellkraft P zu überwinden. Bei der Kippbewegung verläuft die Resultierende der in den Punkten a und b wirkenden, nach unten gerichteten Kräfte durch den Punkt g, und da dieser Punkt g innerhalb des Dreiecks d-e-f liegt, wirkt kein Kippmoment auf den Zwischenkörper,

Bei der zweiten Auslenkungsart versucht eine Auslenkungskraft Q2 den Tasterhaltekörper um den Punkt c herum zu kippen, aber da die durch den Punkt c verlaufende Reaktions-

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kraftwirkungslinie außerhalb des genannten Dreiecks d-e-f liegt, wird nunmehr der Zwischenkörper um die Achse d-e herum gekippt, die dann die Kippachse bildet, um welche herum auch der Tasterhaltekörper kippt. Die Rückstellkraft wirkt dann auf einen Hebelarm Z-h, dessen Länge gleich der Länge des Hebelarms Z-g ist, so daß die Auslenkungskraft Q2 gleich groß wie die Auslenkungskraft Ql ist.

Bei der dritten Auslenkungsart versucht eine Auslenkungskraft Q3 den Tasterhaltekörper 10 um den Punkt a herum zu kippen, aber da die Wirkungslinie dieser Kraft Q3 bezüglich des Punktes a seitlich versetzt ist, neigt der Tasterhaltekörper anfänglich dazu, um die Achse a-c herum zu kippen. Da jedoch die Wirkungslinie der Auslenkungskraft Q3 näher am Punkt a als am Punkt c vorbeiläuft, bewirkt die im Punkt a auftretende größere Kraftkomponente eine Kippbewegung um die Achse e-f. Mit anderen Worten, der Tasterhaltekörper kippt gleichzeitig um die Achse a-c und die Achse e-f herum, so daß im Zeitpunkt des Beginns der Kippbewegung die tatsächliche Kippachse durch den Schnittpunkt i dieser beiden Achsen hindurchverläuft. Die Rückstellkraft P wirkt auf einen Hebelarm Z-i, der um den Paktor 1,16 länger als die Hebelarme Z-g und Z-h ist. Bei Vernachlässigung der Reibung muß demzufolge die Auslenkungskraft Q3 um den Paktor 1,16 größer als die Auslenkungskräfte Ql und Q2 sein.

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Der Faktor 1,16 stellt die größtmögliche auftretende Abweichung dar, so daß keine weiteren Auslenkungsarten mehr untersucht zu werden brauchen.

Der genannte Faktor 1,16 liegt innerhalb einer annehmbaren Toleranzgrenze für die Tastkopfansprechempfindlichkeit und bringt gegenüber dem bei einem Tastkopf mit nur drei Lagerstellen auftretenden größten Abweichungsfaktor 2,0 eine beträchtliche Verbesserung.

Eine Auslenkung des Tasters 14 bzw. des Tasterhaltekörpers 10 aus seiner Nullstellung wird mittels eines elektrischen Stromkreises 27 erfaßt, der über die Zylinderkörper 22 und 23 und die Kugeln 24 verläuft, die, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, eine Reihe von hintereinandergeschalteten Schaltkontakten bilden. Einer der Zylinderkörper 23 ist aus zwei voneinander elektrisch isolierten Hälften 23A gebildet (Fig. 3) an welche jeweils einer von zwei elektrischen Anschlußleitern 27A und 27B angeschlossen ist. Es ist klar, daß jede Tasterauslenkung aus der Nullstellung zu einer Kontaktunterbrechung zwischen mindestens einem der miteinander zusammenwirkenden Stützflächenpaare 16, 17 oder 18, 19 führt, wobei die Zustandsänderung im Stromkreis 27 diese Auslenkung signalisiert.

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Die Ansprechempfindlichkeit des Tastkopfes kann nunr.'.shr genauer als bei einer Dreipunietabstützung als das bein Antasten eines Werkstückes auftretende "a.c eier Tasterdurenbiegung zwischen dem Beginn der Berührung mit der.i Werkstück und der Unterbrechung des Stromkreises 27 deffiniert .jerden. Der Zeitpunkt der Stromkreisunterbrechung kann als identisch mit dem Zeitpunkt des Beginns der Kippbewegung des Tasterhaltekörpers betrachtet v/erden. In der Praxis setzt sich die Kippbewegung natürlich während einer kurzen Zeit in einer in gewissem MaSe zufälligen "Weise fort, je nach dera, wie schnell der !leßkopf der Heftmaschine zum Stillstand gebracht vier den kann. Irgendwelche dabei auftretende Eedienungsänderungen, wie beispielsweise zufälliger Kippbewegungsablauf oder Zunahme der Reibung zwischen den Zylinderkörpern und den Kugeln, nach der Unterbrechung des Stromkreises 27 haben auf die Ansprechempfindlichkeit des Tastkopfes keinen Einfluß.

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Claims

F A T B N T A N VV A L T

Dipl. ing.K. HOLSEE

FHILIPPINE-WHLSEIt-STHASSB 14

AUOSBUKQ

TELEFON 610475 TELBX 533202 pcicl d

Patentansprüche

( IjTastkopf, insbesondere für KoordinatenmeSmaschinen, mit einem den Taster haltenden Tasterhaltekörper, der mittels einer Rückstellfeder in eine seine Nullstellung bestimmende, in einer Halterung gebildete Lagerung gedrängt wird, die mindestens drei um die Achse des Tasterhaltekörpers herum mit gegenseitigen Winkelabständen angeordnete Lagerstellen aufweist und aus welcher heraus der Tasterhaltekörper allseitig kippbar und in Richtung seiner Achse abhebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Tasterhaltekörpers (10) in der in der Halterung (12) gebildeten Lagerung (D₃ E, P) mittelbar über einen mit ihm koaxialen Zwischenkörper (11) erfolgt, der mit seiner einen Stirnseite in der genannten Lagerung abgestützt ist und auf seiner anderen Stirnseite eine weitere, den Tasterhaltekörper abstützende Lagerung (A, B, C) aufweist, deren ebenfalls um die genannte Achse herum mit gegenseitigen Winkelabständen angeordnete Lagerstellen jeweils winkelmäßig zwischen zwei benachbarten Lagerstellen der erstgenannten, halterungsseitigen Lagerung gelegen sind.

2. Tastkopf nach Anspruch I_x dadurch gekennzeichnet, daß die halterungsseitige Lagerung (D, E, P) und die zwischenkörperseitige Lagerung (A, B, C) jeweils nur drei Lager-

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stellen aufweisen und daß die Lagerstellen der zwischen-Lccrperseitigen Lagerung v:inkelir.:"ßig jeweils in der "litte zwischen zwei benachbarten Lagerstellen der halfcerungsseitir;en Lagerung gelegen sind.

J5. Tastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkörper (11) und die Halterung (12) jeweils ringförmig sind und da.? der Tasterhaltekörper (10) einen niittigen, durch den Zwischenkörper und die Halterung hindurchragenden Schaft (10A) aufweist, an welchem der Taster (14) befestigbar ist.

4. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwisehenkörper (11) eine kreisförmige Anordnung von öffnungen (21A) und darin angeordnete Stützkcrper (24) mit kreisförmigen Querschnitt aufweist, die innerhalb der öffnungen am Zwischenkörper befestigt sind und jeweils an beiden axialen Seiten des Zwischenkörpers Flächenvorsprünge bilden, und daß die Plächenvorsprünge auf der einen Zwischenkörperseite die genannte weitere Lagerung (A, B, C) bilden und die Plächenvorsprünge auf der anderen Zwischenkörperseite sich an den Lagerstellen (D, E, F) der halterungsseitigen Lagerung abstützen.

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5. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zwischenkörper (11) angeordneten Stützkörper (24) mit gleichen gegenseitigen V'inke lab ständen auf einem gemeinsamen Teilkreis (26) angeordnet sind, daß weiter der Zwischenkörper die Form eines axial gewellten Ringes mit abwechselnd gegensinnig geneigten Ringabschnitten hat₃ und daß die genannten Öffnungen (21A) mit den darin befestigten Stützkörpern jeweils innerhalb der geneigten Ringabschnitte (21B, 21C) angeordnet sind.

6» Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Lagerstelle (A, B, C) der zwischenkörperseitigen Lagerung zwei an einer der Komponenten Zwischenkörper und Tasterhaltekörper gebildete, zueinander konvergierende Stützflächen (17) mit einer komplementären, an der jeweils anderen Komponente gebildeten Stützfläche ζ us ammenwirken.

7» Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Lagerstelle (D, E, F) der halterungsseitigen Lagerung zwei an einer der Komponenten Zwischenkörper und Halterung gebildete, zueinander konvergierende Stützflächen (18) mit einer an der jeweils anderen Komponente gebildeten komplementären Stützfläche (19) zusammenwirken .

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8. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen sowohl der halterungsseitigen Lagerung (D, E, F) als auch der zwischenkörperseitigen Lagerung (A, B, C) in einen elektrischen Stromkreis (27) zur Erfassung einer Tasterauslenkung geschaltete elektrische Schaltkontakte bilden.

9. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasterhaltekorper (10) und die Halterung (12) jeweils eine bestimmte gleiche Anzahl von Stützkörpern aufweisen und daß der Zwischenkörper (10) die doppelte Anzahl von Stützkörpern aufweist, welch letztere jeweils paarweise mit einem der Stützkörper des Tasterhaltekörpers bzw. der Halterung zusammenwirken, daß weiter der Tasterhaltekorper, der Zwischenkörper und die Halterung aus elektrisch isolierendem Material und sämtliche Stützkörper aus elektrisch leitendem Material bestehen und zusammen eine Reihenschaltung von elektrischen Kontakten bilden, und daß einer der Stützkörper in zwei elektrisch voneinander isolierte Hälften (23A) unterteilt ist, die jeweils an eine von zwei elektrischen Anschlußleitungen (27A, 27B) angeschlossen sind.

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