DE2949439A1 - Taster zur mehrachsigen wegmessung - Google Patents

Description

Taster zur mehrachsigen Wegmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Taster zur taehrachsigen Wegmessung für Anwendungen in der Längenmeßtechnik, vorzugsweise für Koordinatenmeßmaschinen sowie für Steuer- und Regelungsaufgaben z. B. für mehrachsig gesteuerte Meß- und Fräsmaschinen, wobei die zu messende Kontur mit einem nach einer oder mehreren Richtungen im Raum meßbar auslenkbaren Tasterschaft angetastet wird, an dessen Ende sich eine Tastkugel befindet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Taster zur mehrachsigen V/egmessung mit Tastkugel bekannt. Derartige Taster lassen als Ausführungen mit ein, zwei oder drei Freiheitsgraden steuerbar oder auch gleichzeitig eine Auslenkung in Richtung der Koordinatenachsen (meist x, y, z) zu. Zur Messung der Auslenkung sind entsprechend der Zahl der ITreiheitsgrade elektronische, pneumatische oder optoelektronische ?/egmeßumformer so im Tastergehäuse angeordnet und mit dem beweglichen Taster verbunden, daß die Tasterauslenkung entlang einer Achse auch nur auf einen Wegmeßumformer übertragen wird. Hierzu werden die Wegmeßumformer orthogonal angeordnet. In DE-AS 24 40 692 ist der Tasterschaft kardanisch in einer Membranfeder gelagert und dadurch an sich allseitig

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gut bewegbar. Diese Beweglichkeit wird aber durch die vorgeschlagene gemeinsame Befestigung der wegmeßumformer am Tasterschaft stark eingeschränkt. Der Meßbereich ist 'klein, der Freihub praktisch Null. In der VE-AS 22 42 355 wird der Taster mittels dreier gekreuzter Parallelfederführungen orthogonal geführt und jeder Richtung ein Wegmeßumformer zugeordnet. Die Beweglichkeit ist gut, aber ebenfalls streng richtungsbezogen.

Zur Erzeugung einer sicheren Anlage der Meßkugel bereits in der räumlichen Nullstellung sind eine Reihe von Tastkopfausführungen des weiteren mit Elementen zur Vorauslenkung versehen. Da es aber vom Meßablauf her schwierig ist, den räumlichen Nullpunkt der Tasterauslenkung einzustellen, sind diese des weiteren mit KIemnielementen versehen, die wahlweise einen oder meist zwei Freiheitsgrade sperren können (z. B. DL-WP 92 567). Nachteilig ist aber dann, daß bei Antastung schräger Flächen die schräg sich einstellende Meßkraft durch Querverformung des Tasters Anlaß zu großen Meßfehlern gibt.

Darüber hinaus verlangen bekannte Tasterausführungen mit federelastischen Gelenken oder Führungen und federelastischen Rückführelementen in den räumlichen Nullpunkt eine sehr gute Werkstückbefestigung, da bei versehentlich größerer Auslenkung die Meßkraft sehr stark ansteigt und dadurch Verschiebungen oder Verformungen des Werkstückes bzw. des Tasters zu Fehlern führen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten universellen Dreikoordinatentaster ist ihre große Masse und ihr großes Bauvolumen, bedingt durch die in x-y-z-Richtung angeordneten Führungen, Meßwertumformer und Klemmelemente sowie die Elemente zur Vorauslenkung bzw. Nullstellung.

Mit diesen Nachteilen wird der Vorteil der Gewinnung von drei mit den Achsenrichtungen übereinstimmenden Tasterausgangssignalen erkauft, die eine einfache Auswertung der Meß- und Tasterkoordinaten erlaubt.

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Ziel der Erfindung ~ O ~

Ziel der Erfindung ist ein Taster zur mehrachsigen Wegmessung mit einem hohen Gebrauchswert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe, mit einem Taster, der elastisch aufgehängt ist und am Ende eine Tastkugel trägt, 'Wege in x- und y- bzw. in x-, y- und z-Koordinaten schnell und sehr genau zu messen, ohne daß er beim Einbau in die Meß- oder Werkzeugmaschine in x- oder y-Richtung ausgerichtet werden muß.

Erfindungsgemäß v.ird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Taster zur mehrachsigen wegmessung mit einem Gehäuse, einem Tasterschaft;, der in dem Gehäuse elastisch aufgehängt ist und am Ende eine Tastkugel trägt, und v.'egmeßumformern, die zwischen Tasterschaft und Gehäuse befestigt sind, mindestens zwei V/egmeßumf or mer vorhanden, alle in ihrer Wirkung sr iclitung achsparallel zueinander etwa in der Ebene der elastischen Aufhängung angeordnet und an einen elektronischen Rechner angeschlossen sowie ggf. zusätzlich zur elastischen Aufhängung v/eitere, die Meßkraft und Lage einstellende, federelastLsche Elemente angeordnet sind.

Die V/egmeijumformer sind vorzugsweise induktiv und zu zweit um 90° oder zu dritt um 120° versetzt in gleichem radialem Abstand vom Zentrum der elastischen Aufhängung angeordnet.

In einer speziellen Ausführung, nur für Messungen in x-y-Richtung, sind Eisenkern und Spule des induktiven Wegmeßumformers so gebogen und angeordnet, daß ihre Achsen etwa auf einem Kreis um das Zentrum der elastischen Aufhängung liegen.

Für sehr genaue ivies sung en kleinster "wege bei großem Freihub sind in der Ebene der elastischen Aufhängung drei Fe-

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derstäbe um 120 versetzt, radial am Tasterschaft befestigt und liegen mit ihren Enden unter Federvorspannung auf je einer Schneide auf, wobei die Vorspannung z. B. durch eine vorgespannte Feder realisiert ist, die über jeder Schneide und dem Federstabende angeordnet ist.

Ebenfalls für sehr genaue Messungen sind vorzugsweise am Tasterschaft, in seiner Verlängerung, ein Federstab, der am Ende ein Zylinderstück mit stirnseitiger Bohrung und Rand trägt, und am Gehäuse ein Gegenlager, das analog zum Zylinderstück ausgebildet, gleichachsig und spiegelbildlich zu ihm angeordnet, in Parallelfedern parallel zur Federstabachse geführt ist und unter der Vorspannung einer stirnseitigen Feder steht, befestigt und zwischen dem Zylinderstück und dem Gegenlager ist eine Kugel angeordnet.

Der Taster kann in die MeB- oder Werkzeugmaschine angebaut werden, ohne daß er in x- oder y-Richtung ausgerichtet werden muß. Die in der Einbaulage gemessenen Vv er te werden vom Rechner in x-, y- und z-Koordinaten umgerechnet. Die Korrekturfaktoren können nach einem kurzen Kalibriervorgang sofort in den Rechner eingegeben v/erden. Die so berechneten x-y-z-Komponenten der Tastkugelverschiebung werden in bekannter Weise den Ächskoordinaten der Meßmaschine additiv überlagert oder zur Steuerung und Regelung automatischer Meß- und Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Die parallel angeordneten Wegmeßumformer können an einem in bekannter Weise federelastisch aufgehängten Tasterschaft befestigt v/erden. Zur Erhöhung der Genauigkeit sind aber zusätzliche oder speziell ausgebildete federelastische Elemente, die die Lage, die Meßkraft und den Freihub einstellen, zweckmäßig.

Die Vorteile des mit der Erfindung realisierten Tasters sind seine kleinen Abmessungen, geringe Masse, großer Freihub, begrenzte Meßkraft, hohe Empfindlichkeit in

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der Umgebung des räumlichen Nullpunktes sowie verschwindend kleine Schwingneigung. Zusammen mit der sofortigen elektronischen Auswertung kann insgesamt sehr schnell und genau gemessen werden.

Ausführ ung sb e i sp i e1

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Taster zur Messung von Wegen in x-, y- und z-Richtung in einfacher Ausführung

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Taster zur sehr genauen Messung von Wegen in x-, y- und z-Richtung

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Taster zur sehr genauen Messung von Wegen in x- und y-Richtung.

Allen Ausführungen ist der Tasterschaft 1 und die Tastkugel 2 gemeinsam.

In einer ersten, sehr einfachen Variante für untergeordnete Meß- und Steuerungsaufgaben ist am Tasterschaft ein Teller 5 befestigt. An diesem Teller ist der Taster elastisch federnd mit der Blattfeder 3 iß Gehäuse 4- gelagert. In dieser Federebene sind drei induktive Wegmeßumformer um 120° versetzt angeordnet. Ihre Ferritkerne 6 sind mit dem Teller und ihre Spulen 7 mit dem Gehäuse verbunden. Die Spulen sind außerdem an einen elektronischen Rechner angeschlossen. Bei genügend großem radialen Abstand der Wegmeßumformer vom Zentrum der elastischen Lagerung und bzw. oder ausreichend langem Tasterschaft läßt das normale Spiel zwischen Ferritkern und Spule handelsüblicher induktiver Geber eine für die Meßzwecke ausreichende Winkelbeweglichkeit zu. Mit 3 Meßwerten kann vom Rechner entsprechend dem vorgegebenen Programm und nach gering aufwendiger Kalibrierung sofort das Ivleßergebnis in x-, y- und z-Koordinaten errechnet werden·

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Ist abzusehen, daß der Taster nur für Messungen in x- bzw. y-Richtung eingesetzt werden soll, genügen 2 Wegmeßumformer, die in diesem Fall zweckmäßigerweise um etwa 90 versetzt zueinander angeordnet werden. Zur Vergrößerung der Winkelbeweglichkeit, insbesondere für einen größeren Freihub, könnten dabei auch induktive Wegmeßumformer eingesetzt werden, deren Ferritkerne und Spulen bogenförmig ausgebildet sind.

In einer anderen Ausführung für sehr genaue Messungen in x-, y- und z-Richtung ist am Tasterschaft 1 ebenfalls ein Teller 5 befestigt und der Teller in den Blattfedern 3 elastisch federnd gelagert. Auf dem Teller 5 sind drei Meßwertumformer 6, 7 parallel zueinander und zur Tasterschaftachse angeordnet. In der Tellerebene sind radial drei Federstäbe 8 befestigt. Die Enden der Federstäbe liegen auf den Schneiden 16 auf und werden mit vorgespannten Federn 17 gegen die Schneiden gedrückt. Die Blattfedern dienen in diesem Fall als Verdrehsicherung. Mit seitlichen Begrenzungen für die Federstäbe bei zwei Schneiden könnten sie gänzlich wegfallen. Bei kleinsten Wegen werden alle Federstabenden fest auf die Schneiden gedrückt. Die Meßkraft ist proportional zur Auslenkung. Bei größeren Auslenkungen (z. B. Freihub) wird die Vorspannung überwunden} das Federstabende hebt ab. Die Kraft steigt weiterhin nur leicht an.

In einer dritten Ausführung ist der Tasterschaft im Gehäuse mittels dreier Federn 3 elastisch aufgehängt. Die Federn sind um 120° zueinander versetzt, strahlenförmig und in einer Ebene angeordnet. An drei gleichlangen Armen sind die Eisenkerne 6 von induktiven Wegmeßumformern parallel zueinander und zur Tasterschaftachse befestigt. Die Spulen 7 sitzen im Gehäuse 4. Am Tasterschaft ist in seiner Verlängerung ein Federstab 8 befestigt. Er trägt an seinem Ende ein Zylinderstück 9 mit stirnseitiger Bohrung 12 und Bund 15· In Achsrichtung ist ihm spiegelbildlich gegenüber ein gleichermaßen ausgebildetes Gegenlager 11 ange-

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ordnet. Zwischen beiden befindet sich eine Kugel 14, die in den Bohrungen 12 lagert. Das Gegenlager 11 ist mit zwei Parallelfedern 10 am Gehäuse befestigt und achsparallel ge führt. Die Teile werden mit; Feder 13 vorgespannt. Im Bereich kleinster Ausschläge, dem bevorzugten Meßbereich, bleibt die Kugel 14 in den Bohrungen 12 liegen. Die Meßkraft wird im wesentlichen durch die Federsteife des Federstabes 8 bestimmt und ist proportional zur Auslenkung. V/ird dieser Bereich überschritten, rollt die Kugel 14 aus den Bohrungen heraus, maximal bis zum Rand 15· Die Federn sind so aufeinander abgestimmt, daß sich in diesem Bereich (vor allem Freihubbereich) die Meßkraft nicht wesentlich ändert. Die Messung kann jedoch grundsätzlich auch in diesem Bereich erfolgen. Die Bund-, Kugel- und 3ohrungsdurchmesser sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die Nulllage unter den rückstellenden Federkräften nach der Auslenkung selbsttätig einstellt. Der Taster ist an sich für sehr genaue Messungen in x- und y-Richtung ausgebildet. Auslenkungen in ζ-Richtung können aber ebenfalls gemessen und über den an die Spulen 7 angeschlossenen elektronischen Rechner verarbeitet werden.

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Claims (8)

1. Erfindungsanspruch

   ·\ Taster zur mehrachsigen Wegmessung mil; einem Geliäuse, einem Tasterschafυ, der in dea Gehäuse elastisch aufgehängt ist und a:a Ende eine Tastkugel tragt, und Wegmeßumf or eiern, die zwischen Tasterschafΐ und Gehäuse befestigt sind, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei Y/eg meß umformer vorhanden, alle in ihrer wirkungsrichtung achsparallel zueinander etwa in der Ebene der elastischen Aufhängung angeordnet und an einen elektronischen lie eimer angeschlossen sowie ggf. zusätzlich zur elastischen Aufhängung weitere, die Meßkraft und Lage einstellende, federelastische Elemente angeordnet sind.
2. 2. Taster nach Punkt 1, gekennzeicimet dadurch, dab zwei

   um 90° versetzte »Vegaeüumformer in gleichen radialem Abstand vom Zentrum der elastischen Aufhängung angeordnet sind.
3. 3. Taster nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß drei um 120° versetzte V/egme^uiaf ormer in gleichem radialem Abstand vom Zentrum aer elastischen Aufhängung angeordnet sind.
4. 4. Taster nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß induktive Wegme-araf orcie - angeordnet sind.
5. 5. Taster nach deu Punkten 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß Eisenkern und Spu des induktiven V/egmeßumformers so gebogen und angeordnet sind, daß ihre Aensen etwa auf einea Kreis um das Zentrum der elastischen Aufhängung liegen.
6. 6. Taster nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der elastischen Aufhängung drei Federstäbe um 120° versetzt, radial am Tasterschaft befestigt sind und mit ihren Enden unter i'edervorspannung auf je einer Schneide aufliegen.

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7. 7. Taster nach den Punkten 1 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß über jeder Schneide und Federstabende eine vorgespannte Schraubenfeder angeordnet ist.
8. 8. Taster nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Tasterschaft, in seiner Verlängerung, ein Federstab (8), der am Ende ein Zylinderstück (9) mit stirnseitiger Bohrung (12) und Rand (15) trägt, und am Gehäuse ein Gegenlager (11), das analog zum Zylinderstück ausgebildet, gleichachsig und spiegelbildlich zu ihm angeordnet, in Parallelfedern (10) parallel zur i'ederstabachse geführt ist und unter der Vorspannung einer stirnseitigen Feder (13) steht, befestigt sind und zwischen dem Zylinderstück und dem Gegenlager eine Kugel ) angeordnet ist.

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