DE3701730A1 - Tastmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tastmeßgerät mit einem Meßkopf, in dem eine Tastnadel gegen Federkraft be­ wegbar gelagert ist, die über einen beweglichen Schie­ ber mit einer Meß- und Anzeigeeinrichtung getriebemäßig verbunden ist.

Solche Tastmeßgeräte sind als reine Axialtaster oder auch als Schwenktaster bekannt. Bei den Axialtastern verschiebt sich die Tastnadel axial, wenn der Tast­ kopf gegen ein Werkstück geschoben wird. Bei Radial­ tastern verschwenkt die Tastnadel in einer Axialebene und eine in das Innere des Meßkopfes hineinragende Verlängerung der Tastnadel drückt z. B. direkt auf das Aufnahmeglied einer Meßuhr.

Solche Tastmeßgeräte dienen der schnellen und sicheren Ermittlung der Werkstücklage z. B. auf konventionellen und NC gesteuerten Fräs- oder Bohrmaschinen sowie zum Vermessen von Werkstücken auf der Bearbeitungsmaschine, indem z. B. Längen, Bohrungsdurchmesser oder Bohrungs­ abstände bestimmt werden.

Allen bekannten Tastmeßgeräten ist das Merkmal gemeinsam, daß die Neutralstellung der Tastnadel gleichzeitig Nullpunktstellung der Meß- und Anzeigeeinrichtung ist. Wird die Tastnadel an eine abzutastende Kante eines Werkstückes angefahren, so ist die Nullpunkt-Stellung nur umständlich zu ermitteln, wenn hohe Genauigkeit gefordert wird, weil die Tastnadel erst anspricht, wenn diese Nullpunktstellung schon überschritten ist. Die abzutastende Kante wird also überfahren. Der Meß­ kopf muß zurückgestellt werden, meistens muß das An­ fahren mehrfach wiederholt werden. Nachem die Null­ punkt-Stellung mehr oder weniger durch Probieren ge­ funden worden ist, muß noch der Taster-Radius in der Abtastrichtung addiert bzw. subtrahiert werden, wo­ durch in der Praxis häufig Fehler auftreten.

Weiterhin sind elektronische Meßtastmeßgeräte bekannt, die ebenfalls nach dem Kontaktprinzip arbeiten. Wenn das Tastelement die abzutastende Kante berührt, wird ein Schaltsignal ausgelöst. In einem externen Rechner, der mit der speziell angepaßten Maschinensteuerung gekop­ pelt ist, findet dann eine Auswertung statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Tastmeßge­ rät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Tastkopf in möglichst vielen Richtungen abtasten kann. Das Meßgerät soll insbesondere so ausgebildet sein, daß in den Spindelköpfen von Bohr- und Fräsmaschi­ nen eingesetzt werden kann, wobei der Differenzwert von Spindelachse zur Werkstückkante unmittelbar an­ gezeigt werden soll, wenn der Taster die Werkstück­ kante berührt. In einer weiteren Ausgestaltung soll dieser Differenzwert völlig eliminiert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Tastmeßgerät der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Tastnadel an einem Stützkörper mit mindestens einer kugelförmi­ gen Lagerfläche derart befestigt ist, daß die Tastspitze und der Kugelmittelpunkt der Lagerfläche in der Neutral- Stellung der Tastnadel in der Meßkopfachse liegen, daß der Stützkörper im Meßkopf um den Kugelmittelpunkt der Lagerfläche drehbar gelagert ist, daß ein, der Tastna­ del diametral gegenüberliegender und zu dieser koaxialer Steuerarm am Stützkörper befestigt ist, dessen Ende in eine Ausnehmung des axial beweglich gelagerten Schiebers hineinragt und durch eine auf den Schieber wirkende Feder in Anlage an der Oberfläche der Ausnehmung gehalten wird und daß die Oberfläche rotationssymmetrisch ausgebildet und ihre Erzeugende so bestimmt ist, daß der Tiefpunkt der Ausnehmung in der Meßkopfachse liegt und bei Ver­ schwenkung der Tastnadel um den Kugelmittelpunkt die radiale Auslenkung der Tastspitze eine exakte proportionale axiale Verschiebung des Schiebers zur Folge hat.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Abtastsvor­ gang in jeder beliebigen radialen Richtung vorgenom­ men werden kann. Die Erzeugende der rotationssymme­ trischen Ausnehmung läßt sich so berechnen, daß die Wegumsetzung der radialen Auslenkung der Tastspitze exakt gleich der axialen Verschiebung des Schiebers ist. Wenn die Tastspitze vorzugsweise kugelförmig ausgebildet ist, kann die Anzeigeeinrichtung bei in Neutral-Stellung stehender Tastnadel vorzugsweise einen Vorlauf gleich dem Radius der Tastkugel aufwei­ sen, derart, daß die Anzeige bei Auslenkung der Tast­ spitze um deren Kugelradius ihre Nullstellung einnimmt, in welcher die Meßkopfachse die kugelförmige Tastspitze außen tangiert. Mit anderen Worten steht die Tastnadel schräg zur Meßkopfachse, wenn sich diese in ihrer Null­ punkt-Stellung befindet, d. h. die mit der abzutastenden Kante fluchtet. Die Anzeigeeinrichtung zeigt somit die Annäherung an die Nullpunkt-Stellung analog oder digi­ tal an, sodaß ein einmaliger Tastvorgang genügt und jeg­ liches Probieren entfällt. Außerdem braucht keine Korrek­ tur wegen des Radius der Tastkugel mehr vorgenommen zu werden, da die Anzeigevorrichtung auf Null steht, wenn die Meßkopfachse mit der abzutastenden Kante fluchtet.

Eine wichtige Weiterbildung der Erfindung ist noch da­ rin zu sehen, daß der Stützkörper beidseitig angrenzend an seine den Kugelmittelpunkt durchsetzende Radialebene eine kugelförmige Lagerfläche aufweist, mit der der Stützkörper in einer koaxialen zylindrischen Buchse axial verschiebbar gelagert ist. Dank dieses Merkmals kann der Abtastvorgang nicht nur in beliebiger Richtung radial sondern auch zusätzlich axial erfolgen, wobei Bezugspunkt die Kugelmitte der Tastspitze ist. Die Buchse braucht nicht notwendigerweise kreiszylindrisch zu sein, sondern kann beispielsweise einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.

Vorzugsweise weist der axialbewegliche Schieber einen Querarm auf, der einen Axialschlitz des Meßkopfes durch­ setzt und mit einem Betätigungsglied einer außen am Meßkopf befestigten Meßuhr in Verbindung steht. Damit wird ein sehr einfaches und funktionssicheres Tastmeß­ gerät geschaffen, das ein universelles mechanisches Ab­ tasten beliebiger Gegenstände in kürzester Zeit und mit hoher Genauigkeit erlaubt.

Vorzugsweise sind die Abstände des Kugelmittelpunktes des Stützkörpers vom Mittelpunkt der kugelförmigen Tastspitze einerseits und von der Kontaktzone des Steuerarms an der Oberfläche der Ausnehmung des Schie­ bers andererseits gleich groß. Eine 1 : 1 Übersetzung des Schiebeweges der Tastspitze zum axialen Schiebe­ weg des Schiebers wird dann erreicht, wenn die Er­ zeugende der rotationssymmetrischen Ausnehmung der Formel

y = x + e - √

genügt, wobei y der Abstand der Erzeugenden von der Meßkopfachse, x der Schiebeweg des Schiebers und e der Abstand des Kugelmittelpunktes des Stützkörpers von der Mitte der kugelförmigen Tastspitze sind.

Weitere Merkmale der Erfindung bilden die Gegenstände der übrigen Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht, sei die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Längsansicht durch das Tastmeßgerät,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Funktions­ prinzips des Tastmeßgerätes,

Fig. 3 eine Veranschaulichung von Abtastmöglichkei­ ten in drei zueinander senkrechten Richtungen,

Fig. 4 eine Ansicht des unteren Endes des Tastmeß­ gerätes mit Tastnadel und Meßuhr im Moment der ersten Berührung der Tastspitze am Werkstück,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, jedoch nach weiterer Auslenkung der Tastnadel und zwar in der Nullpunkt-Stellung des Meßkopfes und

Fig. 6 eine Ansicht des Tastmeßgerätes ähnlich Fig. 3, jedoch nach dem Überfahren der Null­ punkt-Stellung.

Ein Tastmeßgerät 10 weist einen Meßkopf 12 mit an dessen hinterem Ende vorgesehenem Steilkegel 14 zum Einsetzen in eine Spindel einer Bohr- oder Fräsmaschine auf. Der Meßkopf 12 hat eine mehrstufige Bohrung 16 in deren un­ terem Ende eine Buchse 18 mit kreiszylindrischem Quer­ schnitt und einer Axialnut 20 eingesetzt und mittels einer Madenschraube 22 gesichert ist. In der Buchse 18 ist ein kugelförmiger Stützkörper 24 um den Kugel­ mittelpunkt 26 drehbar und axial längs der Meßkopf­ achse 28 verschiebbar gelagert. Der Stützkörper 24 wird von einem Steuerarm 30 durchsetzt, der mittels eines Querstiftes 32 am Stützkörper 24 verankert ist. Der Querstift 32 durchsetzt querausgerichtete Quer­ bohrungen im Stützkörper 24 und im Steuerarm 30. Die Querachse des Stiftes 32 geht durch den Kugelmittel­ punkt 26. Der Stift 32 hat eine Länge gleich dem Durch­ messer des kugelförmigen Stützkörpers 24 zuzüglich der Tiefe des Axialschlitzes 20. Der Querstift 32 ragt so­ mit aus dem Stützkörper 24 heraus und greift in den Axialschlitz 20 der Buchse 18 ein, sodaß der Stütz­ körper 24 lediglich in zwei zueinander rechtwinklig liegenden Ebenen um den Mittelpunkt 26 nicht aber um die Meßkopfachse 28 gedreht werden kann. Ein Ab­ schlußring 34 ist am unteren Ende in den Meßkopf 12 eingeschraubt und sichert den Stützkörper 24, der sich längs einer ringförmigen Auflagefläche am Ab­ schlußring 34 abstützt. Das untere Ende des Steuer­ arms 30 durchsetzt eine Bohrung 36 des Abschlußringes 34 mit Radialspiel. Ein Tastarm 38 ist koaxial in den Steuerarm 30 eingeschraubt und trägt eine Tast­ spitze 40, die am unteren Ende kugelförmig ausge­ bildet ist.

In die Bohrung 16 ist oben eine Hülse 42 eingesetzt, in welcher ein Schieber 44 axial verschiebbar geführt ist, der einen Querarm 46 aufweist, welcher durch einen Axialschlitz 48 des Meßkopfes 12 nach außen ragt und mit einem Betätigungsglied 50 einer Meßuhr 52 verbun­ den ist, die seitlich außen am Meßkopf 12 mittels ei­ ner Justiereinrichtung 54 befestigt ist. Die Justier­ einrichtung 54 umfaßt eine achsparallele Schiebeführung, in der die Meßuhr 52 axial verschiebbar und mittels ei­ ner Schraube festklemmbar ist.

Der Schieber 44 hat eine bodenseitige Ausnehmung 56, de­ ren Oberfläche rotationssymmetrisch ist und deren Tief­ punkt von der Meßkopfachse 28 durchsetzt wird. Eine in das obere Ende des Steuerarms 30 eingesetzte Kugel 58 steht mit der Oberfläche der Ausnehmung 56 in Kontakt. Eine in die Hülse 42 eingesetzte Feder 60 spannt den Schieber 44 gegen den Steuerarm 30 und hält damit den Stützkörper 24 in Anlage am Abschluß­ ring 34.

Die Erzeugende der Oberfläche der Ausnehmung 56 ist so bestimmt, daß eine seitliche Auslenkung der Tast­ spitze 40 eine exakt proportionale Verschiebung des Schiebers 44 nach oben zur Folge hat. Insbesondere soll die Übersetzung 1 : 1 betragen, damit das Ablesen an der Meßuhr 52 bei seitlichem Abtasten und bei axialem Abtasten an derselben Skala erfolgen kann. Zu diesem Zweck sind die Abstände des Mittelpunktes 26 des Stützkörpers 24 vom Mittelpunkt der Tastspitze 40 und vom Berührungspunkt des Steuerarms 30 an der Ober­ fläche der Ausnehmung 56 gleich. Diese Abstände sind in Fig. 2 mit e bezeichnet. Die Erzeugende der rotations­ symmetrischen Ausnehmung 56 läßt sich dann durch die Formel

y = x + e - √

bestimmen.

Dabei bedeutet y der Abstand der Erzeugenden von der Meßkopfachse 30 und x der Schiebeweg des Schiebers 44 der gleich ist der radialen Auslenkung der Tastspitze 40. Die Tastspitze 40 kann somit in der Papierebene nach links und nach rechts, senkrecht zur Papierebene nach vorn und nach hinten und schließlich axial nach unten an ein Werkstück herangefahren werden, wie dies in Fig. 3 perspektivisch veranschaulicht ist.

Läßt man den Axialschlitz 20 und den in diesen eingrei­ fenden Vorsprung des Querstiftes 42 weg, so könnte die Tastspitze 40 in jeder beliebigen Richtung innerhalb ihrer Radialebene ausgelenkt werden.

Die Meßuhr 52 wird mit einem Vorlauf gleich dem Radius der kugelförmigen Tastspitze 40 eingestellt. In der Neutral-Stellung der Tastnadel 38, in der die Tast­ spitze 40 zum Kugelmittelpunkt 26 koaxial liegt, hat der Zeiger eine von seiner Nullpunkt-Stellung abwei­ chende Stellung. Der Tastkopf kann also ohne größere Aufmerksamkeit an ein Werkstück herangefahren werden, bis der Zeiger der Meßuhr 52 sich bewegt, wodurch der Kontakt am Werkstück signalisiert wird. Fig. 4 ver­ anschaulicht die Stellung der Tastspitze 40 nach erfolgter Berührung des Werkstücks durch die Tast­ spitze 40, wobei der Tastkopf in Abtastrichtung wei­ terbewegt und die Tastnadel verschwenkt ist. Gleich­ wohl hat die Meßkopfachse 28 noch einen Abstand von der Werkstückkante und dieser Abstand wird an der Meßuhr 52 mit im Ausführungsbeispiel 12 Teilstrichen angezeigt.

Der Meßkopf 12 wird dann in Abtastrichtung vorsichtig weiterbewegt, bis die Meßuhr 52 ihre Nullpunktstellung (Fig. 5) erreicht, in welcher die Tastnadel 38 noch mehr seitlich ausgelenkt ist, die Meßkopfachse 28 jedoch mit der Kante des Werkstücks fluchtet. Der Meßkopf 12 gestattet also ein kontrolliertes Anfahren in die Null­ stellung. Sollte die Nullstellung dennoch durch Unauf­ merksamkeit überfahren werden (Fig. 6) so zeigt die Meßuhr 52 die zuviel gefahrene Strecke an. Die Null­ punktstellung kann dann durch kontrolliertes Rück­ fahren des Meßkopfes erreicht werden.

Beim axialen Abtasten eines Werkstücks wird derselbe Vorteil erreicht, denn der Bezugspunkt ist die Mitte der Abtastkugel, sodaß auch hier die Nullpunktstel­ lung des Zeigers der Meßuhr 52 erreicht wird, wenn der Schieber 44 sich um den Radius der kugelförmigen Tastspitze 40 nach oben bewegt hat.

Claims (13)

1. Tastmeßgerät mit einem Meßkopf, in dem eine Tast­ nadel gegen Federkraft bewegbar gelagert ist, die über einen beweglichen Schieber mit einer Meß- und Anzeigeeinrichtung getriebemäßig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastnadel (38) an einen Stützkörper (24) mit mindestens einer kugel­ förmigen Lagerfläche derart befestigt ist, daß die Tastspitze (40) und der Kugelmittelpunkt (26) der Lagerfläche in der Neutralstellung der Tastnadel (38) in der Meßkopfachse (28) liegen, daß der Stütz­ körper (24) im Meßkopf (12) um den Kugelmittelpunkt (26) der Lagerfläche drehbar gelagert ist, daß ein, der Tastnadel (38) diametral gegenüberliegender und zu dieser koaxialer Steuerarm (30) am Stützkörper (24) befestigt ist, dessen Ende in eine Ausnehmung (56) des axial beweglich gelagerten Schiebers (44) hineinragt und durch eine auf den Schieber (44) wir­ kende Feder (60) in Anlage an der Oberfläche der Ausnehmung (56) gehalten wird und daß die Ober­ fläche rotationssymmetrisch ausgebildet und ihre Erzeugende so bestimmt ist, daß der Tiefpunkt der Ausnehmung (56) in der Meßkopfachse (28) liegt und bei Verschwenkung der Tastnadel (38) um den Kugel­ mittelpunkt (26) die radiale Auslenkung (x) der Tastspitze (40) eine exakt proportionale axiale Verschiebung des Schiebers (44) zur Folge hat.

2. Tastmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Tastspitze (40) kugelförmig ausgebil­ det ist.

3. Tastmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Ende des Steuerarms (30) eine Kugel drehbar gelagert ist, die im Abwälzkontakt mit der Oberfläche der Ausnehmung (56) steht.

4. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (24) beid­ seitig angrenzend an seine den Kugelmittelpunkt (26) durchsetzende Radialebene eine kugelförmige Lager­ fläche aufweist, mit der der Stützkörper (24) in einer koaxialen zylindrischen Buchse (18) axial verschiebbar gelagert ist.

5. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (24) um die Meßkopfachse (28) undrehbar gelagert ist.

6. Tastmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stützkörper (24) im Bereich seiner größten quer zur Meßkopfachse (28) gemessenen Brei­ te einen Vorsprung (32) aufweist, der in einen Axialschlitz (20) des den Stützkörper (24) umgeben­ den Lagers (Buchse 18) hineinragt.

7. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (24) eine durchgehende koaxiale Bohrung aufweist, die vom Steuerarm (30) durchsetzt wird, welcher die Tastna­ del (38) trägt.

8. Tastmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stützkörper (24) und der Steuerarm (30) fluchtende Querbohrungen aufweisen, die von einem Stift (32) durchsetzt sind.

9. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schieber (44) einen Querarm (46) aufweist, der einen Axialschlitz (48) des Meßkopfes (12) durchsetzt und mit einem Betäti­ gungsglied (50) einer außen am Meßkopf (12) be­ festigten Meßuhr (52) in Verbindung steht.

10. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (Meßuhr 52) bei in Neutralstellung stehender Tast­ nadel (38) einen Vorlauf gleich dem Radius der ku­ gelförmigen Tastspitze (40) aufweist, derart, daß die Anzeigeeinrichtung bei radialer Verlagerung der Tastspitze (40) um deren Kugelradius ihre Nullstel­ lung hat, in welcher die Meßkopfachse (28) die ku­ gelförmige Tastspitze (40) außen tangiert.

11. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (24) als Kugel ausgebildet ist.

12. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstände (e) des Ku­ gelmittelpunktes (26) des Stützkörpers (24) vom Mit­ telpunkt der kugelförmigen Tasstspitze (40) und von der Kontaktzone des Steuerarms (30) an der Oberflä­ che der Ausnehmung (56) des Schiebers (44) gleich sind.

13. Tastmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der rotationssymmetrischen Ausnehmung (56) der Formel y = x + e - √genügt, wobei y der Abstand der Erzeugenden von der Meßkopfachse (28), x der Schiebeweg des Schie­ bers (44) und e der Abstand des Kugelmittelpunktes (26) des Stützkörpers (24) von der Mitte der ku­ gelförmigen Tastspitze (40) ist.