DE3701730C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tastmeßgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.

Aus der Z. "Control, Febr. 1963, Seite 71-75" ist ein derartiges Tastmeßgerät bekannt. Die rotationssymmetrische Steuer­ fläche ist bei diesem Tastmeßgerät am Steuerarm angeordnet. Der Schieber ist als Kugel ausgebildet, die in einer Axialfüh­ rung verschiebbar ist. Ein Fühler stellt den axialen Ver­ schiebeweg der Kugel fest. Obwohl nicht expressis verbis ge­ nannt, dürfte eine Feder den Steuerarm nach unten drücken, um den Stützkörper des Steuerarms am Widerlager zu halten. Die Steuerfläche am Steuerarm ist kegelförmig mit einem Öffnungs­ winkel von 90° ausgebildet. Damit soll eine Radialaxial-Weg­ umsetzung im Verhältnis von 1 : 1 erreicht werden. Mit einer der­ artigen Steuerkurve ist dieses Ergebnis aber nicht erzielbar. Dies beruht darauf, daß der Mittelpunkt der an der kegelför­ migen Steuerfläche anliegenden Kugel sich auf einer Kreisbahn bewegt, deren Mittelpunkt durch die Stützkörpermitte verläuft. Mit zunehmender Auslenkung des Steuerarms gelangt die gerad­ linige Steuerfläche in eine steilere Position. Deswegen ist der Verschiebeweg der Kugel längs der Meßkopfachse nicht gleich der radialen Auslenkung der Tastspitze, vielmehr liegt eine progressive Abhängigkeit vor. Der entstehende Meßfehler läßt sich aber auch in einer elektronischen Auswerteeinrichtung nicht kompensieren, wenn das Tastmeßgerät auch axiale Aus­ lenkungen der Tastnadel messen soll, da hier eine exakte 1 : 1-Umsetzung vorausgesetzt wird. Das bekannte Tastmeßgerät kann daher in Verbindung mit handelsüblichen Meßuhren für hochgenaue Messungen nicht eingesetzt werden.

Aus der DE 19 32 010 B2 ist ein Tastenmeßgerät bekannt, bei dem die Steuerkurve dem Schieber zugeordnet ist. Die Erzeu­ gende der hier ebenfalls kegelförmig ausgebildeten Steuer­ fläche ist, wie bei der erstbeschriebenen Ausführungsform ebenfalls eine Gerade, die einen Winkel von 45% mit der Meß­ kopfachse bildet. Da die Neigung der Steuerkurve bei dieser Ausführungsform nicht vom Schwenkwinkel des Steuerarms ab­ hängig ist, sind die Meßwertfehler geringer als bei der erst­ beschriebenen Ausführung, jedoch ist ebenfalls keine exakte 1 : 1-Radialaxial-Wegumsetzung möglich. Außerdem führt dieses Tast­ meßgerät aufgrund des konstruktiven Aufbaus zusätzlich zu Meßfehlern. Der Stützkörper wird mittels zweier Federn gegen das Widerlager gedrückt. Die erste Feder wirkt über den Schieber auf den Steuerarm des Stützkörpers. Eine stärkere Feder drückt über eine Lagerpfanne direkt gegen den Stützkörper Während die erste Feder die Kraft über den Steuerarm zentral in den Stützkörper einleitet, wirkt die zweite Feder über die axial im Gehäuse geführte Lagerpfanne längs einer kreisförmi­ gen Kontaktzone auf den Stützkörper. Wegen unvermeidlicher Herstellungstoleranzen trägt die Kontaktzone ungleichmäßig. Wird die Tastspitze axial bewegt, stellt die Lagerpfanne das alleinige Lagerelement für den Stützkörper dar und eine außer­ mittige lokale Andrückkraft der Lagerpfanne sucht den Stütz­ körper radial zu verlagern. Genaue reproduzierbare Meßergeb­ nisse sind mit diesem Tastmeßgerät nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist, das Tastmeßgerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Tastmeßgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 durch dessen Kennzeich­ nungsmerkmale gelöst.

Wesentlich für die Erfindung ist also, daß die Steuerkurve dem Schieber zugeordnet ist und daß die Erzeugende der Steuerkurve nicht geradlinig verläuft, sondern mit einem schiebewegabhängigen Korrekturwert behaftet ist.

Damit wird eine theoretische exakte 1 : 1-Radialaxial-Wegum­ setzung erzielt. Darüber hinaus wird mittels nur einer ein­ zigen schwachen Feder eine ausschließlich zentrisch wir­ kende Krafteinleitung durch den Steuerarm in den Stütz­ körper erzielt, wodurch Verformungen der Meßgeräteteile während der Messung minimiert werden, so daß mit dem neuen Tastmeßgerät hochgenaue und reproduzierbare Messungen durch­ geführt werden können. Das neue Tastmeßgerät eignet sich daher besonders als Null-Tasteinrichtung für CNC-Werkzeug­ maschinen.

Mit dem Merkmal des Anspruchs 2 wird erreicht, daß der Stütz­ körper um die Meßkopfachse undrehbar gelagert ist. Dieses Er­ gebnis trägt zur Erzielung von reproduzierbaren genauen Meß­ ergebnissen bei. Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 wird er­ reicht, daß der Steuerarm in der Nullstellung schräg zur Meßkopfachse steht. Die Anzeigeeinrichtung zeigt somit die Annäherung an die Nullstellung analog oder digital an, so daß ein einmaliger Tastvorgang genügt, um eine abzutastende Kante anzufahren. Jegliches Probieren mit notwendigem Überfahren der abzutastenden Kante entfällt. Außerdem braucht keine Korrektur wegen des Radius der Tastspitze mehr vorgenommen zu werden, da die Anzeigevorrichtung auf Null steht, wenn die Meßkopfachse mit der abzutastenden Kante fluchtet.

Die Merkmale der übrigen Ansprüche dienen der wirtschaftlichen Herstellung der Präzisionsteile des Tastmeßgerätes.

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 Steuerarm und Meßuhr im Moment der ersten Berührung der Tastspitze am Werkstück,

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

Fig. 6 eine Ansicht des Tastmeßgerätes ähnlich Fig. 3, jedoch nach dem Überfahren der Null- 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, so daß der Stütz­ körper 24 lediglich in zwei zueinander rechtwinklig liegenden Ebenen um den Mittelpunkt 26 nicht aber um die Meßkopfachse 28 gedreht werden kann. Der Stützkörper 24 stützt sich an einer ringförmigen Auflagefläche eines Widerlagers 34 ab, das sich am unteren Ende des Meßkopfes 12 an die Buchse 18 anschließt und vom Steuer­ arm 30 mit Radialspiel durchsetzt wird. Eine Tastnadel 38 ist unten koaxial in den Steuerarm 30 eingeschraubt und trägt eine kugelförmige Tast­ spitze 40.

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 Widerlager 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

bestimmen, wobei Y der Abstand der Erzeugenden von der zur Achse des Schiebers 44 senkrechten Ebene, die die Steuerfläche (Oberfläche der Ausnehmung 56) auf der Achse des Schiebers 44 berührt in Richtung der Achse des Schiebers zur Tastspitze 40 hin und x die radiale Auslenkung der Tastspitze 40 sind. 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 Null-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 Nullstellung (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, so daß auch hier die Null-Stel­ 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 (7)

1. Tastmeßgerät mit einem Meßkopf, aus dem ein Steuerarm mit Tastspitze stirnseitig herausragt und der eine zylindri­ sche Bohrung aufweist, in der ein, vom Steuerarm mittig durchsetzter und tastspitzenseitig mit kugelförmiger Lager­ fläche versehener Stützkörper axial verschiebbar ge­ führt ist und mit seiner Lagerfläche in einem, radiale Schwenkbewegungen des Steuerarms erlaubenden ringförmi­ gen Widerlager abgestützt ist, wobei das innere Ende des Steuerarms, das die gleiche Länge wie das äußere Ende auf­ weist, über einen Radialaxial-Wegumsetzer unter Einwirkung einer Federkraft mit einem in der Bohrung axial bewegli­ chen Schieber in Kontakt steht, der mit einer Meßeinrich­ tung verbunden ist und der bei Axialverlagerung der Tast­ spitze einen gleichgroßen Axialhub ausführt, wobei der Radialaxial-Wegumsetzer eine rotationssymmetrische Steuer­ fläche aufweist, die eine Radialbewegung der Tastspitze über den dabei verschwenkenden Steuerarm in eine Axial­ verschiebung des Schiebers umsetzt, dadurch gekennzeich­ net, daß die rotationssymmetrische Steuerfläche (56) am Schieber (44) ausgebildet ist, und daß die Erzeugende der rotationssymmetrischen Steuerfläche (56) der Formel genügt, wobei y der Abstand der Erzeugenden von der zur Achse des Schiebers (44) senkrechten Ebene, die die Steuer­ fläche auf der Achse des Schiebers berührt in Richtung der Achse des Schiebers zur Tastspitze (40) hin, x die radiale Auslenkung der Tastspitze (40) und e die Länge des inneren bzw. äußeren Endes des Steuerarms (30) sind.

2. Tastmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (24) im Bereich seiner größten quer zur Achse (28) des Meßkopfes (12) gemessenen Breite einen Vor­ sprung (32) aufweist, der in eine Axialnut (20) der Bohrung (16) hineinragt.

3. Tastmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Ende des Steuerarms (30) eine Kugel drehbar gelagert ist, die im Abwälzkontakt mit der Stuerfläche (56) steht.

4. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stützkörper (24) eine durchgehende zum Meßkopf (12) koaxiale Bohrung aufweist, die vom Steuerarm (30) durchsetzt wird.

5. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stützkörper (24) und der Steuerarm (30) fluchtende Querbohrungen aufweisen, die von einem Stift durchsetzt sind, der den Vorsprung bildet.

6. Tastmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schieber (44) einen Querarm (46) aufweist, der einen Axialschlitz (48) des Meßkopfes (12) durchsetzt und mit einem Betätigungsglied (50) einer außen am Meßkopf (12) befestigten Meßuhr (52) in Verbin­ dung steht.

7. Tastmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßuhr (52) bei in Neutralstellung befindlicher Tast­ spitze (40) einen Vorlauf gleich dem Radius der kugelförmig ausgebildeten Tastspitze aufweist, derart, daß die Meßuhr (52) bei radialer Verlagerung der Tastspitze (40) um deren Kugelradius ihre Nullstellung hat, in welcher die Achse (28) des Meßkopfes (12) die kugelförmige Tastspitze (40) außen tangiert.