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Taster für Koordinaten-Meßmaschinen
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Die Erfindung betrifft einen Taster für Koordinaten-Meßmaschinen mit
einem mit einer Tastspitze mit dem Meßobjekt in Berührung kommenden Taststift, der
in drei Koordinatenrichtung bewegbar gelagert ist, und mit Weggebern, die die Verschiebung
des Taststiftes in den drei Koordinatenrichtungen bestimmen.
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Koordinaten-Meßmaschinen dienen zur räumlichen Vermessung von Meßobjekten.
Zum mechanischen Antasten des Meßobjektes wird ein Taster an dieses herangeführt.
Um den Tastpunkt in drei räumlichen Koordinaten zu bestimmen, muß der Taststift
des Taster in den drei Koordinatenrichtungen bewegbar sein.
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Es ist bekannt, den Taststift in dem Taster kardanisch aufzuhängen,
um zwei FreiheittJrade der Bewegung zu erhalLen. Um auch den dritten Freiheitsgrad
zu erhalten, muß die kardanische Aufhängung insgesamt verschiebbar gelagert sein.
Diese Lagerung des Taststiftes ist äußerst aufwendig.
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Weiter ist ein Taster bekannt, bei welchem der Taststift an einem
Blattfedernpaar angebracht ist, welches wiederum an einem dazu senkrecht angeordneten
zweiten Blattfedernpaar befestigt ist. Diese Lagerung bewirkt wie die kardanische
Aufhängung nur zwei Freiheitsgrade der Bewegung.
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Der dritte Freiheitsgrad muß durch eine zusätzliche Lagerung erreicht
werden. Auch dieser Taster ist daher äußerst aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv einfachen
und preisgünstigen Taster für Koordinaten-Meßmaschinen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Taster der eingangs genannten Gattung
erfindungsgcmäß dadurch gelöst, daß der Taststift als IIebel ausgebildet ist, der
zur Lagerung am freien Ende einer Torsions-Biege-Feder befestigt ist und an dem
die drei Weggeber entsprechend den Koordinatenrichtungen gegeneinander versetzt
angreifen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Taster ist äußerst einfach aufgebaut.
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Die gesamte Lagerung des Taststiftes wird durch eine Torsions-Biege-Feder
bewirkt. Diese Feder läßt eine Bewegung des Taststiftes und damit seiner mit dem
Meßobjekt in Berührung kommenden Tastspitze mit den notwendigen drei Freiheitsgraden
zu. Die Biegung der Feder in zwei zueinander senkrechten Richtungen ergibt zwei
Freiheitsgrade der Bewegung, während sich der dritte Freiheitsgrad durch die Torsion
der Feder ergibt.
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Die Auslenkung der Tastspitze aus ihrer durch die Ruhelage der Torsion-Biege-Feder
bestimmten Nullstellung wird mittels dreier Weggeber bestimmt, die in bekannter
Weise aufgebaut sein können. Es kann sich beispielsweise um induktive oder kapazitive
Weggeber handeln. Um eiiie möglichst geringe Beeinflussung dwr Antastung zu erhalten,
können auch berührungslose Geber vorgesehen sein.
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Die Ausbildung des Taststiftes als Hebel ermöglicht eine einfache
Abnahme der Verschiebungswege der Tastspitze mittels der Weggeber. Wird der Hebel
als zweiarmiger Hebel ausgebildet, so können die Weggeber an dem der Tastspitze
entgegen.. setzten Ende angreifen. Durch rechtwinklige Anordnung der Weggeber ist
dabei eine Bestimmung der Verschiebung in rechtwinkligen Koordinaten möglich.
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Die Ausbildung des Taststiftes als 7weiarmiger Hebel ermöglicht auch
eine einfache Anpassung an die Einbaugegebenheiten des Tasters in der Meßmaschine.
Der zweiarmige Hebel kann beispielsweise unter einem beliebigen Winkel abgewinkelt
oder geradlinig gestreckt ausgebildet sein.
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Ebenso ist die Ausbildung des Taststiftes als einarmiger Hebel möglich.
Die Weggeber greifen in diesem Falle an dem Taststift an einem Punkt zwischen der
Tastspitze und der Befestigung mittels der Torsions-Biege-Feder an.
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Das Hebelverhältnis kann in allen Fällen geeignet gewählt werden.
Dabei ist einerseits das für die Weggeber optimale Wegübersetzungsverhältjis und
andererseits das für die Rückwirkung der Weggeber auf die Tastspitze wesentliche
Kraftübersetzungsverhältnis zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise ist an dem Taststift in dem Bereich, an welchem die Weggeber
angreifen eine Kugel vorgesehen, die eine punktförmige Berührung zwischen den Weggebern
und dem Taststift unabhängig von dessen Verschiebungslage sicherstellt.
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Die von den Weggebern abgenommenen Verschiebungswege werden vorzugsweise
einem Analog-Digital-Wandler und vom diesem in digitaler Form einem Rechner zugeführt.
Der Rechner rechnet die Verschiebungswege der Weggeber in die gewünschten Koordinatenwerte
um, wobei im Hinblick auf die komplizierten Bewegungsbahnen, die durch die Torsions-Biege-Feder
bestisst sind, vorzugsweise in dem Rechner gespeicherte Eichwerte verwendet werden.
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Um ein Schwingen des Taststiftes beim Antasten des Meßobjektes aufgrund
der Federeigenschaften der Torsion-Biege-Feder zu verhindern, ist der Taststift
vorteilhafterweise mit einer Schwingungsdämpfung versehen. Es kann prinzipiell jede
Art von Schwingungsdämpfung verwendet werden. Beispielsweise kann der Taster mit
einem dicht geschlossenen Gehäuse ausgestattet sein, welches den Taststift mit der
diesen haltenden Torsions-Biege-Feder und ebenso die Weggeber umschließt. Aus diesem
Gehäuse ragt nur die Tastspitze heraus, die beispielsweise mittels eines elastischen
Balges dicht abgeschlossen, jedoch beweglich ist. Das gesamte Gehäuse ist in diesem
Falle mit einer schwingungsdämpfenden Flüssigkeit beispielsweise einem öl gefüllt.
Diese Ausführungsform hat zusätzlich den Vorteil, daß sämtliche empfindlichen Teile
des Tasters durch das Gehäuse geschützt sind, so daß der Taster auch unter ungünstigen
äußeren Bedingungen eingesetzt werden kann.
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Ebenso ist es möglich, den Taststift mit einer Wirbelstromdämpfung
auszustatten.
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Die für die Lagerung des Taststiftes verwendete Torsion-Biege-Feder
ist im einfachsten Falle eine Stabfeder. Durch den Aufbau des Tasters sind praktisch
keinerlei Beschränkungen in Bezug auf Länge und Durchmesser einer solchen Stabfeder
gegeben, so daß diese Größen ausschließlich aufgrund der gewünschten Federcharakteristik
festgelegt werden können.
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Vorzugsweise wird als Torsion-Biege-Feder eine schleifenförmig gebogene
Stabfeder verwendet. Durch diese Gestaltung ist es möglich, größere Biege- und Torsionsauslenkungen
mit geringen Abmessungen der Feder zu erreichen, so daß
die gesamten
Abmessungen des Tasters ebenfalls klein gehalten werden können.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine Seitenansicht des Tasters
mit auf geschnittenem Gehäuse und Fig. 2 : eine gegenüber Figur 1 um 900 gedrehte
Seitenansicht dieses Tasters.
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Der Taster weist ein flüssigkeitsdicht geschlossenes Gehäuse 10 auf,
mit welchem er in die nicht dargestellten Koordinatenführungen einer Meßmaschine
eingesetzt wird.
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Im Inneren des Gehäuses 10 ist an dessen Seitenwand eine Torsions-Biege-Feder
12 befestigt, die senkrecht von der Seitenwand ins Innere des Gehäuses 10 ragt.
Die Torsions-Biege-Feder 12 ist eine Stabfeder, die schleifenförmig gebogen ist.
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Am freien Ende der Torsions-Biege-Feder 12 ist ein stabförmiger Taststift
14 etwa in der Mitte seiner Längserstreckung befestigt.
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Das vorder aus dem Gehäuse 10 herausragende Ende des Taststiftes 14
ist kugelförmig ausgebildet und stellt die Tastspitze 16 dar, mit welcher das Meßobjekt
angetastet wird.
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Das entgegengesetzte ruckwärtige Ende des Taststiftes 14 weist ebenfalls
die Form einer Kugel 18 auf. An dieser Kugel 18, die sich im hinteren Bereich des
Gehäuses 10 befindet, liegen drei Weggeber 20, 22, 24 an. Die Weggeber 20, 22, 24
sind an den Innenwänden des Gehäuses 10 befestigt und jeweils um 90° gegeneinander
versetzt, so daß sie in den Koordinatenrichtungen eines rechtwinkligen Koordinatensystems
angeordnet sind.
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Die Weggeber 20, 22 und 24 können von an sich bekannter Art sein,
beispielsweise induktive oder kapazitive Geber1 es können auch berührungslose Weggeber
verwendet werden.
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Zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen des Taststiftes 14 ist das
Gehäuse 10 mit einem Dämpfungsöl gefüllt. Die Austrittsöffnung des Taststiftes 14
aus dem Gehäuse 10 ist durch eine elastische balgförmige Manschette 26 abgedichtet.
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Diese Manschette 26 behindert die Bewegung der Tastspitze 16 bzw.
des Taststiftes 14 nicht.
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Im Betrieb des Tasters kann die kugelförmige Tastspitze 16 das Meßobjekt
in beliebiger Richtung antasten. Ein Antasten in waagerechter Richtung in der Zeichenebene
fühLt zu einer Biegung der Feder 12 in der Zeichenebene in vertikale Richtung. Die
entsprechende Auslenkung der Kugel 18 wird durch den Weggeber 20 festgestellt, der
in Richtung der X-*oordinate angeordnet ist.
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Ein Antasten des Meßobjekts durch die Tastspitze 16 in waagerechter
Richtung senkrecht zur Zeichenebene führt zu einer Torsionsbeanspruchung der Feder
12. Die entsprechende Auslenkung der Kugel 18 wird durch den in Richtung der Y-Koordinate
angeordneten Weggeber 22 festgestellt.
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Ein Antasten des Meßobjekts durch die Tastspitze 16 in vertikaler
Richtung führt zu einer Auslenkung des Taststiftes 14 in seiner Längsrichtung, die
durch den in Richtung der Z-Koordinate angeordneten Weggeber 24 festgestellt wird.
Die Feder 12 wird dabei einer Biegebeanspruchung in der Zeichenebene ausgesetzt.
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Erfolgt das Antasten des Meßobjektes nicht in einer der drei Koordinatenrichtungen,
so überlagern sich selbstverständlich diese drei Bewegungen.
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Aufgrund der Biegeauslenkung der Feder 12 und aufgrund der Bewegung
der Kugel 18 im wesentlichen auf einer Kugeloberfläche überlagern sich diese drei
Bewegungen in
jedem Falle, auch wen das Antasten genau in einer
der Koordinatenrichtungen erfolgt, sobald die Auslenkung der Tastspitze 16 einen
endlichen Betrag annimmt.
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Die Bestimmung der Koordinatenwerte des von der Tastspitze 16 angetasteten
Meßpunktes erfolgt rechnerisch aus den Meßwerten der drei Weggeber 20, 22, 24 vorzugsweise
aufgrund von gespeicherten Eichwerten.
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Bei dieser rechnerischen Verarbeitung der Meßwerte der drei Weggeber
20, 22, 24 kann selbstverständlich auch eine Koordinatentransformation durchgeführt
werden, so daß der angetastete Meßpunkt bei Bedarf auch in anderen geeigneten Koordinaten
angegeben werden kann, beispielsweise in Polarkoordinaten, Zylinderkoordinaten oder
dgl.
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Ebenso ist es aufgrund dieser rechnerischen Bearbeitung der Meßwerte
der Weggeber möglich, die Weggeber in anderer Weise anzuordnen, so daß sie nicht
unmittelbar mit den Koordinatenrichtungen zusammenfallen.
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Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn der Taststift
14 als einarmiger Hebel ausgebildet ist. In diesem Falle erfolgt die Befestigung
des Taststiftes 14 durch die Torsions-Biege-Feder 12 am rückwärtigen Ende, während
die Kugel 18, an welcher die Weggeber angreifen, sich im mittleren Bereich des Taststiftes
14 befindet. Eine Anordnung eines Weggebers in Richtung der Z-Koordinate ist in
diesem Falle nicht möglich. Der Weggeber muß vielmehr unter einem Winkel zur Z-Richtung
angeordnet werden, was bei der rechnerischen Verarbeitung berücksichtigt wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ohne weiteres ersichtlich, daß
der Taststift 14 nicht notwendig geradlinig ausgebildet sein muß, wie in der Zeichnung
dargestellt ist. Es ist ebenso möglich, den Taststift 14 abgewinkelt beispielsweise
als rechtwinkligen zweiarmigen Hebel aus zu bilden Es besteht somit eine große Freiheit
in der Anpassung des -yesamten Tasters an die Einbaugegebenheiten der Meßmaschine.
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