DE2938080A1 - Koordinatentastkopf zum antasten mehrdimensionaler werkstuecke - Google Patents

Koordinatentastkopf zum antasten mehrdimensionaler werkstuecke

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DE2938080A1 DE19792938080 DE2938080A DE2938080A1 DE 2938080 A1 DE2938080 A1 DE 2938080A1 DE 19792938080 DE19792938080 DE 19792938080 DE 2938080 A DE2938080 A DE 2938080A DE 2938080 A1 DE2938080 A1 DE 2938080A1
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Description

I NACHG ERElCHT
Koordinatentastkopf zum Antasten mehrdimensionaler Werkstücke
Die Erfindung betrifft einen Koordinatentastkopf zum Antasten mehrdimensionaler Werkstücke, vorzugsweise für Eoord ina tenme ßge rate·
In der DE-AS 2.242.355 ist ein elektronischer Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf zur Antastung mehrdimensionaler Werkstücke beschrieben, der in einem Gehäuse ein torsionssteifes, spiel- und reibungsfreies Blattfeder-Geradführungssjetem besitzt, welches ein räumliches Koordinatensystem bildet* Es sind ferner richtungs- und lageempfindliche Signalgeber angeordnet, die ebenfalls ein Koordinatensystem bilden· Diese Signalgeber erzeugen für jede der Koordinaten infolge Bewegung oder Auslenkung des mit Meßeinsätzen bestückten Meßeinsatζträgers bei der Antastung des Werkstückes proportionale elektrische Signale· Die Einrichtung umfaßt ferner Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe für alle Führungsrichtungen· Motorisch fein verstellbare, in der Führungsrichtung der jeweiligen Geradführung wirkende Präzisionsgesperre regeln die Lage der Koordinatennullpunkte der Geradführungssjsteme und die Nullpunktlage der elek-
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triechen Signalgeber automatisch auf Übereinstimmung ein·
Sie Bewegungen der Geradftihrungssysteme werden zur Vermeidung von Schwingungen gedämpft· Es ist ferner ein Gewichtsausgleich für die Tastorgane und Geradführungssjeteme vorhanden·
Aus der DD-PS 92·56? ist ein Hehrkoordinaten-Tastkopf bekannt, bei welchem ein mehrere Meßeinsätze aufnehmender Meßeinsatzträger kardanisch in einem Gehäuse gelagert ist und welcher Mittel zur Meßkrafterzeugung und Nullstellenrastung besitzt· Zur Erfassung der Auslenkung des Meßeinsatzträgers bei der Antastung von Werkstacken ist für jede Koordinatenrichtung ein Meßwertgeber vorgesehen· Der Meßeinsatzträger besitzt eine Vorauslenkung in Sichtung zu dem Werkstück hin· Die bekannten Mehrkoordinaten-Tasteinrichtungen lassen eich in zwei Gruppen einteilen, die Nachlauf- und die Vorlauftaster· Während die Vorlauftaster vor der Objektantastung in Richtung zum Werkstück hin vorausgelenkt werden und ein Indikationssignal zur Abfrage der Meßsjsteme der Meßmaschine in der Nu11age des Meßeinsat ζ träger β auegelöst wird, wird der Meßeinsatzträger bei Nachlauftastern in der Nullstellung gehalten und das Vorlassen derselben infolge Werkstückantastung Signalieiert·
Gemeinsamer Nachteil dieser Tasteinrichtungen ist der bei der Antastung schräger Werkstückflächen entstehende Meßfehler, der selbst bei nur geringen Meßkräften bei Präzisionsmessungen nicht zu vernachlässigen ist· Bei den bekannten Einrichtungen besitzt der Meßeinsatz-
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träger aufgrund seiner Lagerung im Gehäuse Vorzugsbewegungsrichtungen in den senkrecht aufeinanderstehenden Koordinaten, in welchen die Meßkraft definiert ist* Bei Belastung der die Meßeinsätze aufnehmenden Meßeinsatzträger, d. h. bei der Werkstückantastung, in von diesen Vorzugsrichtungen abweichenden Richtungen (z. B. bei der Antastung schräger flächen) stellt sich je nach Größe der Abweichung eine höhere Meßkraft ein, welche zusätzliche Deformationen in der gesamten Einrichtung hervorruft, die bei der üblichen Kalibrierung der Tasteinrichtung mittels Wtirfelnorma 1 oder Kugelnormal nicht erfaßt werden und somit als Meßfehler in das Meßergebnis eingehen·
Ein weiterer Nachteil, vor allem obengenannter Ausführungen, ist der große gerätetechnische Aufwand, der z. B. zur Erzielung einer hohen Reproduzierbarkeit des Testsysteme und der Veränderbarkeit der Meßkraft getrieben werden muß. So sind z. B. aufwendige Rastsjsfeme für die Koordinatenrichtungen x, j und ζ und komplizierte Meßkraftgeber für +x, + j und + ζ notwendig.
Ähnliches gilt auch für einen in der UE-OS 2.356.030 beschriebenen Taster zur Werkstückantastung, bei welchem der Meßeinsatz in einer Mehrkoordinaten-Federparallelogramm-Lagerung angeordnet ist·
Die Lagerung des Meßeinsatzes mittels Membranfeder im Gehäuse eines Meßkopfes ist in der DE-AS 2.440.692 beschrieben und dargestellt. Die Übertragung der Bewegung des Meßeinsatzes auf die Signalgeber erfolgt über ein gemeinsames am Meßeinsatz angeordnetes Verbindungs-
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stack· FQr jede Koordinate χ, j, ζ ist ein Signalgeber vorgesehen· Bei der Antastung von Werkstackflächen erfolgt eine Winkelbewegung des antastenden Meßeinsatzes infolge Abstandsänderung des Antastpunktes vom Drehpunkt des MeBeinsatzes· Des weiteren treten unterschiedliche Rückstell- und Meßkräfte in den verschiedenen Auslenkebenen des Meßeinsatzes auf, die nicht jederzeit reproduzierbar sind.
Es ist Zweck der Erfindung, die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu beseitigen und einen weitestgehend meßfehlerfreien Koordinatentastkopf zu schaffen·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv einfachen und zuverlässigen Koordinatentastkopf zu schaffen, mit dem bei Antastung auch schräger Werkstackflächen durch Meßkräfte bedingte Meßfehler vermieden werden·
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Koordinatentastkopf dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse ein in Membranfedern torsionssteif in einer z-Koordinate bewegbares Zwischenstück gelagert ist, in welchem ein in einer x-j-Ebene auslenkbarer Meßeinsatζträger in einem torsionssteifen, elastischen Federstabführungsejstem geführt ist, welches eine solche Federsteife besitzt, daß der Meßeinsatzträger bei Ruhestellung stets in einer reproduzierbaren Nu11age gehalten ist, daß ein die Torsionssteifigkeit des Federstabführungssjstems bewirkender Stabilisator im Zwischenstück vorgesehen ist, daß im Gehäuse drei, ein karthesisches Koordinatensystem (X, Ϊ, Z) bildende Meßwertgeber an-
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"} Γναοη- 5
geordnet sind, die vorzugsweise mit einem Rechner verbunden sind und deren AusgangsSignaIe so verknüpft sind, daß mit bestimmten, entsprechend der bei der Antastung der Werkstücke verwendeten Meßkraft gewählten Radien R1 um die NuIlage dea Meßeinsatzträgers sogenannte SignalkugeIn aufgebaut sind, wobei R1 a V^i+ T1 + Z1^ ist und X1, T1, Z1 die für die jeweils verwendete Meßkraft charakteristischen Auslenkungen des Meßeinsatzträgers aus der HuIlage sind, und daß ein bei Überlastung des Meßkopfes ausrastendes Sicherungssjstem vorgesehen ist·
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Stabilisator durch ein in der χ-7-Ebene gelegenes torsionssteifes Federstabsjstem gebildet wird und mit dem Zwischenstück und dem Meßeinsatzträger verbunden ist, wobei das Federstabsjstem aus jeweils zwei vorzugsweise senkrecht zueinander angeordneten und durch ein Winkelstück verbundenen Federstabpaaren besteht.
Es können ferner fotoelektrische, induktive oder kapazitive Meßwertgeber vorgesehen sein· Zur Verhinderung von Schwingungen ist eine mit dem Meßeinsatzträger verbundene, dreidimensional wirkende Flüssigkeitsdämpfung vorgesehen·
Es ist ein Vorteil des Koordinatentastkopfes, daß die Führungssjsteme in jeder beliebigen Auslenkrichtung des Meßeinsatzträgers die gleiche Steifigkeit besitzen· Demzufolge erzeugt eine bestimmte Kraft in jede dieser Richtungen die gleiche Auslenkung des Meßeinsatzträgers und umgekehrt· Vorzugsrichtungen sind also nicht mehr vorhanden· Somit ist die Meß -
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kraft unabhängig von der Antastrichtung des Werkstückes· Bei der Antastung schräger Werkstückflächen werden durch unbestimmte Meßkräfte bedingte Meßfehler vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht in der konstruktiv einfachen Ausführung des Tastkopfes, in welchem Meßkraftgeber für eine reproduzierbare Meßkraft und aufwendige Rastsjsteme zur Verwirklichung der Nu11age des Meßeinsatzträgers nicht mehr notwendig sind·
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden· In der Zeichnung zeigen
Fig« 1 einen Längsschnitt durch den Koordinaten-
tastkopf und
Fig· 2 einen Querschnitt A-A durch den Tastkopf
Der in Fig. 1 dargestellte Koordinatentastkopf umfaßt ein Gehäuse 1, in welchem ein Zwischenstück 2, in einer Z-Eoordinate bewegbar, in Membranfedern 3 und 4 torsionssteif um die Z-Koordinate gelagert ist· In dem Zwischenstück 2 ist ein in der χ-7-Ebene auslenkbarer Meßeinsatzträger 5 in einem torsionssteifen, elastischen, aus vorzugsweise vier Biegestäben 6 bestehenden Federstabführungssjstem geführt. Dabei ist die Federsteife c des Federstabführungssjstems so festgelegt, daß der Meßeinsatzträger 5 bei Ruhestellung, d. h. im unausgelenkten Zustand, stets in einer reproduzierbaren Nullage gehalten wird und nach einer Auslenkung aus derselben nach dort zurückkehrt« In dem Meßeinsatzträger 5 können ein oder mehrere gleiche oder unterschiedliche Meßeinsätze 7 eingesetzt werden, welche das zu prüfende Werkstück antasten. Die vier Biegestäbe 6 erlauben bei Einwirkung äußertr Kräfte P auf die Meßeinsätze 7 und da-
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mit auf den Meßeinsatzträger 5 eine Relativbewegung in der x-7-Jibene, während die Membranfedern 3 und 4 eine Relativbewegung zwischen Gehäuse 1 und Zwischenstück 2 ermöglichen· Damit ist eine Auslenkung des Meßeinsatzträgers 5 im Raum gewährleistet· Das gesamte Lager« system für den Meßeinsatzträger 5 innerhalb des Gehäuses ist so gestaltet, daß die Federsteife dieses Lagersjstems in allen Richtungen gleich ist· Gegenüber den bekannten Lösungen gibt es keine Vorzugsrichtungen·
Zur Gewährleistung einer Torsionssteifigkeit des Federstabführungssjstems gegen Drehung um die z-Koordinate ist ein Zwischenstück 2 im Stabilisator (Fig. 2) angeordnet, der ein in der x-j-Sbene gelegenes torsionssteifes Eederstabsjstem 8 - 9» 10 - 11 umfaßt und sowohl mit dem Zwischenstück 2 als auch mit dem Meßeinsatzträger 5 verbunden ist· Dieses Federstabsjstem besteht aus jeweils zwei vorzugsweise senkrecht zueinander angeordneten Federstabpaaren 8-9 und 10-11, welche durch ein Winkelstück 12 verbunden sind· Dieser Stabilisator gestattet Bewegungen des Meßeinsatzträgers 5 in allen Koordinatenrichtungen, jedoch keine Drehung um die z-Koordinate·
Wie Fig. 1 zeigt, sind im Gehäuse 1 bzw. im Zwischenstück 2 drei,ein karthesisches Koordinatensystem (x, j, z) bildende, fotoelektrische, induktive oder kapazitive Meßwertgeber 13, 14, 15 angeordnet, die vorzugsweise mit einem,in den Figuren nicht dargestellten Rechner über Zwischenglieder verbunden sind, und die den Auslenkungen des Meßeinsatzträgers 5 aus der Nulllage heraus proportionale elektrische Ausgangssignale liefern. Für jede Koordinatenrichtung ist ein Meßwertgeber vorgesehen· Die Meßwertgeber 13, 14, 15 verlassenden AusgangsSignaIe werden nach entsprechender
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AO
Aufbereitung in dem Rechner so verknüpft, daß mit bestimmten, entsprechend der zur Antastung der Werkstücke verwendeten Meßkraft P gewählten Radien Ri a c s r xi +3li +zi um die Nullaee sogenannte Signalkugeln aufgebaut werden, wobei c die Federsteife und Z1, J1 und z^ die für die jeweils verwendete Meßkraft charakteristischen Auslenkungen des Meßeinsatzträgers aus der Nullage sind. Bei der Antastung einer beliebig im Raum liegenden WerkstUckfläche wird jeweils der antastende Meßeinsatz 7 und damit der Meßeinsatzträger 5 in Richtung der Flächennormale aus seiner Nullage aus-
2 2 gelenkt· Erreicht nun die quadratische Summe x. +3. +z.
einen entsprechend der gewählten Meßkraft P vorgegebenen
ρ
Signalkugelradius R^ , so wird vom Rechner ein Signal zur Abfrage der Meßsjsteme der Meßmaschine abgegeben· Dadurch, daß das gesamte FUhrungss^stem für den Meßeinsatzträger 5, welches die Membranfedern 3 und 4, des Federstabführungssjstems und den Stabilisator umfaßt, in jeder beliebigen Auslenkrichtung die gleiche Steifigkeit hat, erzeugt eine Meßkraft P in jeder Richtung die gleiche Auslenkung R. Es gilt P = c · R, Die Meßkraft P ist unabhängig von der Antastrichtung und Schräglage der Werkstückoberfläche.
Das elastische Führungssjstem läßt infolge seiner Steifigkeit nur begrenzte Bewegungen in den Koordinaten x, j, ζ zu, die jedoch so bemessen sind, daß ein zuverlässiges Messen an Werkstücken durchgeführt werden kann· Wird jedoch eine bestimmte Grenzkraft bei der Antastung, z. B. bei einer Kollision, erreicht, so spricht ein auarastbares Sicherungssjstem 16 und 17 an und gibt den Tastkopf frei für zusätzliche Auslenkung und schützt ihn so vor der Zerstörung. Dieses mechanische Sicherungss^stem 16 und 17 ist als ein in
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mehreren Koordinaten wirkendes Rastsjstem ausgeführt·
Um bei der Antastung des Werkstückes mit den in dem Meßeinsatzträger 5 eingesetzten Meßeinsätzen 7 evtl. auftretende Schwingungen zu vermeiden, ist eine mit dem Meßeinsatzträger 5 verbundene räumlich, also dreidimensional wirkende Flüssigkeitsdämpfung vorgesehen, welche jedoch nicht in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.
Wie Fig· 1 zeigt, ist in der ζ-Koordinate eine Entlastungsvorrichtung 18 zur Kompensation der Meßeinsatzgewichte bei unterschiedlicher Bestückung des Meßeinsatzträgers 5 vorgesehen. Diese Entlastungsvorrichtung 18 besitzt eine vorzugsweise motorisch angetriebene Gewindespindel 19» die über eine Feder mit dem in den Membranfedern 3 und 4 gelagerten Zwischenstück 2 verbunden ist.
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Claims (1)

Patentansprüche
1. Koordinatentastkopf zum Antasten mehrdimensionaler Werkstücke, bestehend aus einem Gehäuse, in welchem ein, mindestens einen Meßeinsatz aufnehmender lfefieinsatzträger in drei Koordinatenrichtungen bewegbar gelagert ist, daß Meßwertgeber für jede der Koordinaten zur Erzeugung von der Bewegung oder Auslenkung des Meßeinsatzträgers bei der Antastung von Werkstücken proportionalen elektrischen Signalen vorgesehen sind, und daß eine einstellbare Vorrichtung zur Gewichtsentlastung des Meßeinsatzträgers in einer senkrechten Koordinate im Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß im Gehäuse (1) ein in Membranfedern (3;4) torsionssteif in einer z-Koordinate bewegbares Zwischenstück (2) gelagert ist, in welchem ein in einer x-j-Ebene auslenkbarer Meßeinsatzträger (5) in einem elastischen Federstabführungssjstem (6) geführt ist, welches eine solche Federsteife c besitzt, daß der Meßeinsatzträger (5) bei Ruhestellung stets in einer reproduzierbaren Nu11age gehalten ist, daß ein die Torsionssteifigkeit des Federstabführungssjstems (6) bewirkender Stabilisator im Zwischenstück (2) vorgesehen ist,
daß im Gehäuse (1) drei, ein karthesisches Koordinatensystem (x, 7, z) bildende Meßwertgeber (13;14;15) angeordnet sind, die vorzugsweise mit einem Rechner verbunden sind und deren AusgangsSignale so verknüpft sind, daß mit bestimmten, der jeweils vorgewählten Meßkraft zugeordneten Radien R* um die NuIlage des Meßeinsatzträgers (5) sogenannte Signalkugeln aufgebaut werden, wobei R1 = f*+J +^ Z1 die für die jeweils verwendete Meßkraft charakteristischen Auslenkungen des Meßeinsatζträgers (5) aus der Nullage sind, und daß ein bei Überlastung des Meß-
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kopfes ausrastendes Sicherungssjstem (16;17) vorgesehen ist·
2· Koordinatentastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisator durch ein in der χ-7-Ebene gelegenes Federstabsjstem (8;9;10;11) gebildet wird und mit dem Zwischenstück (2) und dem Meßeinsatzträger (5) verbunden ist, wobei das Federstabsystem (8;9;10;11) aus jeweils zwei vorzugsweise senkrecht zueinander angeordneten und durch ein Winkelstück (12) verbundenen Federstabpaaren (8 - 9; 10-11) besteht·
3· Koordinatentastkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß fotoelektrische, induktive oder kapazitive Meßwertgeber (13;14;15) vorgesehen sind·
4· Koordinatentastkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Meßeinsatzträger (5) verbundene, dreidimensional wirkende Flüssigkeitsdämpfung vorgesehen ist·
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