DE3725206A1 - SPRING SYSTEM FOR THE STORAGE OF A DEFLECTABLE ELEMENT - Google Patents

SPRING SYSTEM FOR THE STORAGE OF A DEFLECTABLE ELEMENT

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Abstract

In a spring system for supporting a deflectable element (1) featuring a non-linear path/force characteristic after a specific limit value of deflection, the deflectable element (1) is mounted without play or friction between two leaf springs (2, 3), at least one of which has the shape of a cylindrical shell section curved in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the spring. The spring ends carry ball-bearing mounted rollers (4, 5) between which the element (1) is supported. Deflection in directions (10) or (13) gives an almost linear path/force characteristic until the leaf spring (4) or (5) buckles, this providing as sharp reduction in force. Damage to element (1) at high deflection is thus avoided. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Federsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to a spring system according to the Preamble of claim 1.

Solche Federsysteme dienen dazu die Nullage des auslenkbaren Elements festzulegen, bei Auslenkung eine Gegenkraft zu erzeugen, die über einen definierten Bereich der Auslenkung direkt proportional ist und ab einem Grenzwert der Auslenkung diese Gegenkraft zu begrenzen.Such spring systems serve the zero position of the deflectable Elements to define a counterforce when deflected generate that over a defined range of deflection is directly proportional and from a limit of the deflection limit this counterforce.

Diese Aufgaben treten beispielsweise bei Koordinatenmeßgeräten auf, die mit einem Tastkopf ausgerüstet sind, der einen in allen drei Raumrichtungen auslenkbaren Taststift trägt. Hier ist dieser Taststift so zu lagern, daß bei Antastung des Meßobjektes ein definierter Anpreßdruck auftritt, der Prellschwingungen der Taststiftspitze vermeidet und so ein sicheres Antasten ermöglicht. Nach dem Antasten wird der Taststift aus seiner Nullage bewegt, wobei der Anpreßdruck über den gesamten Meßbereich proportional der Auslenkung zunehmen soll. Ab einer vorbestimmten Auslenkung besteht dabei die Gefahr, daß bei weiter zunehmendem Anpreßdruck irreversible Schäden am Tastsystem und/oder dem Meßobjekt entstehen. Deshalb ist ab diesem Grenzwert der Anpressdruck zu begrenzen.These tasks occur, for example, with coordinate measuring machines which are equipped with a probe which one in all three spatial directions deflectable stylus. Here is this stylus to be stored so that when the A defined contact pressure occurs Avoids bouncing vibrations of the stylus tip and so on enables safe probing. After probing, the Stylus moves from its zero position, the contact pressure above increase the entire measuring range in proportion to the deflection should. From a predetermined deflection there is Danger of irreversible contact pressure increasing Damage to the touch probe and / or the test object. That's why the contact pressure must be limited from this limit.

Federsysteme die diese Aufgabe lösen sind aus dem Stand der Technik bekannt.Spring systems that solve this task are state of the art Technology known.

So zeigt die DE-PS 23 56 030 einen Taster zur Werkstückan­ tastung mit einem Federparallelogramm je Koordinatenrichtung. In mindestens einem der Federparallelogramme ist das bei einer Tasterauslenkung translatorisch bewegte Teil mit einem Biege­ stab verbunden, dessen freies Ende spielfrei zwischen fest angeordneten Spiralfedern gelagert ist. Beim Antasten eines Meßobjektes wird zunächst über den Biegestab eine der Aus­ lenkung proportionale Rückstellkraft auf das bewegte Teil aus­ geübt. Überschreitet diese Rückstellkraft einen vorgewählten Wert, so werden die Spiralfedern betätigt, deren Weg-Kraft- Zusammenhang flacher ist als der des Biegestabes.DE-PS 23 56 030 shows a button for the workpiece keying with a spring parallelogram for each coordinate direction. In at least one of the spring parallelograms, this is the case with one Push button deflection translationally moving part with a bend rod connected, the free end free of play between fixed arranged coil springs is mounted. When touching one The test object is first one of the off on the bending rod  steering proportional return force on the moving part practiced. If this restoring force exceeds a preselected one Value, the spiral springs are actuated, whose travel force Connection is flatter than that of the bending rod.

Aus der DE-PS 29 49 484 ist ein Tastkopf bekannt, bei dem während einer vorbestimmten Auslenkung des Taststifts ein Federstab die Rückstellkraft liefert. Bei Überschreiten einer vorgewählten Rückstellkraft kommen Blattfedern zur Wirkung, an denen das freie Ende des Federstabes befestigt ist. Die Rückstellkraft der Blattfedern ist kleiner als die des Federstabes, so daß die Weg-Kraft-Kennlinie abknickt.From DE-PS 29 49 484 a probe is known in which during a predetermined deflection of the stylus Spring rod that provides the restoring force. If one is exceeded Preselected restoring force, leaf springs come into effect which the free end of the spring rod is attached. The The restoring force of the leaf springs is less than that of the Spring rod so that the displacement-force characteristic curve kinks.

Diese bekannten Systeme haben den Nachteil, daß sie recht aufwendig sind und eine genaue Abstimmung der Kombination unterschiedlicher Federsysteme erfordern.These known systems have the disadvantage that they are right are complex and precise coordination of the combination different spring systems.

Aus der DE-OS 35 20 685 ist schließlich eine Anordnung zur Erhöhung der Steifigkeit von Tastköpfen bekannt. Auch hier ist ein erstes Federsystem vorgesehen, das z.B. aus Blattfedern mit relativ niedriger Federkonstante besteht, welches ab einem vorgewählten Verschiebeweg mit einem zweiten Federsystem höherer Federkonstante in Wirkverbindung kommt. Ab diesem Grenzwert wird also die Weg-Kraft-Kennlinie steiler. Dadurch sollen störende Schwingungen bei der Antastung des Meßobjektes vermieden werden.From DE-OS 35 20 685 is finally an arrangement for Known to increase the rigidity of probes. Here too a first spring system is provided which e.g. from leaf springs with relatively low spring constant, which from one preselected displacement with a second spring system higher spring constant comes into effect. From this The limit value therefore makes the path-force characteristic curve steeper. Thereby should disturbing vibrations when probing the test object be avoided.

Auch diese bekannte Anordnung besteht aus einer Kombination unterschiedlicher Federsysteme.This known arrangement also consists of a combination different spring systems.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Federsystem zur Lagerung eines auslenkbaren Elementes zu schaffen, das ab einem Grenzwert der Auslenkung eine nicht- lineare Weg-Kraft-Kennlinie aufweist, welches sich durch einen ganz besonders einfachen Aufbau auszeichnet und nur aus einem einzigen Federsystem besteht. It is now the object of the present invention Spring system for storing a deflectable element create that from a limit of the deflection a non- linear path-force characteristic curve, which is characterized by a very simple structure and only one single spring system.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Federsystem gelöst, das nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 aufgebaut ist.This object is achieved by a spring system solved that according to the characterizing feature of claim 1 is constructed.

Durch die spezielle Ausbildung einer Blattfeder als Zylinderschale ist erreicht, daß diese bei einer Auslenkung des Elements zunächst eine der Auslenkung proportionale Gegenkraft erzeugt, daß sie jedoch ab einem Grenzwert der Auslenkung knickt, wobei ihre Weg-Kraft-Kennlinie abfällt.Due to the special design of a leaf spring as Cylinder shell is achieved that this at a deflection of the Elements first a counterforce proportional to the deflection generated that it, however, from a limit of the deflection kinks, whereby their path-force characteristic curve drops.

Durch das Material, die Dicke und die Krümmung der Blattfeder läßt sich der Bereich vorwählen über den die Kraft der Feder der Auslenkung proportional ist. Dieser Bereich läßt sich als Meßbereich verwenden.Due to the material, the thickness and the curvature of the leaf spring the range can be preselected via the force of the spring the displacement is proportional. This area can be called Use measuring range.

Die Unteransprüche 2 und 3 beschreiben vorteilhafte Ausbildungen des Federsystems nach der Erfindung, während der Anspruch 4 eine ganz besonders vorteilhafte Anwendung des Federsystems angibt.The sub-claims 2 and 3 describe advantageous Formations of the spring system according to the invention, during the Claim 4 a very particularly advantageous application of Federsystems indicates.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbei­ spiele darstellenden Fig. 1-4 näher erläutert. Im einzelnen zeigtThe invention is explained below with reference to the game Ausführungsbei Fig. 1-4. In detail shows

Fig. 1 eine bei einem Federsystem nach der Erfindung verwendete Blattfeder; Figure 1 is a leaf spring used in a spring system according to the invention.

Fig. 2 ein komplettes Federsystem nach der Erfindung; Fig. 2 is an entire spring system according to the invention;

Fig. 3 die Weg-Kraft-Kennlinie des Systems der Fig. 2; . Figure 3 illustrates the displacement-force characteristic curve of the system of Fig. 2;

Fig. 4 einen Teil eines Tastkopfes für ein Koordinatenmeßgerät, der mit Federsystemen nach der Erfindung ausgerüstet ist. Fig. 4 shows a part of a probe for a coordinate measuring machine which is equipped with spring systems according to the invention.

Fig. 1 zeigt einen Teil des Federsystems nach der Erfindung. Dieser Teil besteht aus einer Blattfeder (2), die an ihrem freien Ende eine kugelgelagerte Rolle (4) trägt. Liegt an dieser Rolle (4) ein Element an, welches in Richtung des Pfeiles (10) bewegt wird, so erzeugt die Blattfeder (2) einen Gegendruck, welcher zunächst der Auslenkung direkt proportional ist. Dieser Bereich ist in der Weg-Kraft-Kennlinie der Fig. 3 mit (11) bezeichnet und kann als Meßbereich verwendet werden. Überschreitet die Auslenkung den vorgewählten Grenzwert, so knickt die Blattfeder (2) ab und die Kennlinie der Fig. 3 fällt im Bereich (12) steil ab. Fig. 1 shows a part of the spring system according to the invention. This part consists of a leaf spring ( 2 ) which carries a ball-bearing roller ( 4 ) at its free end. If there is an element on this roller ( 4 ) which is moved in the direction of the arrow ( 10 ), the leaf spring ( 2 ) generates a counterpressure which is initially directly proportional to the deflection. This area is designated by ( 11 ) in the path-force characteristic curve of FIG. 3 and can be used as a measuring area. If the deflection exceeds the preselected limit value, the leaf spring ( 2 ) kinks and the characteristic curve of FIG. 3 drops steeply in area ( 12 ).

Fig. 2 zeigt ein Federsystem nach der Erfindung im kompletten Aufbau. Dieses System besteht aus der Blattfeder (2) mit der kugelgelagerten Rolle (4) und einer weiteren Blattfeder (3), deren freies Ende eine kugelgelagerte Rolle (5) trägt. Zwischen den Rollen (4) und (5) ist ein Element (1) spiel- und reibungsfrei gelagert, das in Richtung der Pfeile (10) und (13) auslenkbar ist. Bei einer Auslenkung in Richtung des Pfeiles (10) kommt die Blattfeder (2) in der schon beschriebenen Weise zur Wirkung, während bei einer Auslenkung in Richtung des Pfeiles (13) die Blattfeder (3) zur Wirkung kommt, deren Kennlinie ebenfalls gemäß Fig. 3 verläuft. Fig. 2 shows a spring system according to the invention in its complete structure. This system consists of the leaf spring ( 2 ) with the ball-bearing roller ( 4 ) and a further leaf spring ( 3 ), the free end of which carries a ball-bearing roller ( 5 ). Between the rollers ( 4 ) and ( 5 ) an element ( 1 ) is mounted free of play and friction, which can be deflected in the direction of the arrows ( 10 ) and ( 13 ). With a deflection in the direction of arrow ( 10 ), the leaf spring ( 2 ) comes into effect in the manner already described, while with a deflection in the direction of arrow ( 13 ), the leaf spring ( 3 ) comes into effect, the characteristic curve of which is also shown in FIG. 3 runs.

In Fig. 4 ist ein Tastkopf (6) für ein Koordinatenmeßgerät dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die komplette Darstellung eines Federparallelogrammes verzichtet ist, das die Auslenkung des mit dem Tastkopf (6) verbundenen Taststiftes (9) in Richtung des Pfeiles (13) ermöglicht. Dargestellt ist ein Kardangelenk, welches eine Auslenkung des Taststiftes (9) in Richtung der Pfeile (14) und (15) ermöglicht. Dieses Kardangelenk besteht aus einem ersten, mit der Platte (16) des nicht vollständig dargestellten Federparallelogrammes verbundenen Träger (17), welcher über Blattfedern (19) mit einem weiteren Träger (18) verbunden ist. Das so gebildete Gelenk ermöglicht eine Auslenkung des Taststifts (9) in Richtung des Pfeiles (14).In Fig. 4 a probe ( 6 ) for a coordinate measuring machine is shown, for the sake of clarity the complete representation of a spring parallelogram is omitted, the deflection of the probe ( 6 ) connected to the probe ( 9 ) in the direction of arrow ( 13 ) enables. A cardan joint is shown, which enables a deflection of the stylus ( 9 ) in the direction of the arrows ( 14 ) and ( 15 ). This universal joint consists of a first support ( 17 ) connected to the plate ( 16 ) of the spring parallelogram, which is not fully shown, which is connected to a further support ( 18 ) by means of leaf springs ( 19 ). The joint thus formed allows the stylus ( 9 ) to be deflected in the direction of the arrow ( 14 ).

Senkrecht zu dem ersten Teil des Kardangelenks ist ein zweites Gelenkteil angeordnet, welches aus den Trägern (20) und (21) besteht, die über Blattfedern (22) miteinander verbunden sind. Dieses System ermöglicht eine Auslenkung des Taststiftes (9) in Richtung des Pfeiles (15).A second joint part is arranged perpendicular to the first part of the universal joint and consists of the supports ( 20 ) and ( 21 ) which are connected to one another via leaf springs ( 22 ). This system enables the stylus ( 9 ) to be deflected in the direction of the arrow ( 15 ).

Die beiden Träger (18) und (21) des Kardangelenks sind fest miteinander verbunden und bilden ein Kreuz. Mit diesem kreuzförmigen Teil ist ein Stab (8) fest verbunden, der sich also bei einer Bewegung des Taststiftes (9) in Richtung des Pfeiles (14) von oben nach unten bewegt. Bei einer Auslenkung des Taststiftes (9) in Richtung des Pfeiles (15) bleibt der Stab (8) stehen.The two supports ( 18 ) and ( 21 ) of the universal joint are firmly connected to one another and form a cross. A rod ( 8 ) is firmly connected to this cross-shaped part, which therefore moves from top to bottom when the stylus ( 9 ) moves in the direction of the arrow ( 14 ). When the stylus ( 9 ) is deflected in the direction of the arrow ( 15 ), the rod ( 8 ) stops.

Mit dem, den Taststift (9) tragenden Arm (20) ist über eine Platte (22) ein Federsystem fest verbunden, welches aus den beiden Blattfedern (32) und (33) und den beiden kugelgelagerten Rollen (34) und (35) besteht. Zwischen den Rollen (34) und (35) ist der Stab (8) spiel- und reibungsfrei gelagert.With the arm ( 20 ) carrying the stylus ( 9 ) a spring system is firmly connected via a plate ( 22 ), which consists of the two leaf springs ( 32 ) and ( 33 ) and the two ball-bearing rollers ( 34 ) and ( 35 ) . The rod ( 8 ) is mounted free of play and friction between the rollers ( 34 ) and ( 35 ).

Bei einer Auslenkung des Taststifts in Richtung des Pfeiles (15) bleibt der Stab (8) stehen und das Federsystem (32, 33) wird über die Platte (22) relativ zu diesem Stab bewegt. Dadurch wird beim Antasten eines Meßobjektes in Richtung des Pfeiles (15) auf den Taststift (9) die erforderliche Kraft ausgeübt, welche im Meßbereich dem Teil (11) der Kennlinie der Fig. 3 folgt. Bei Überschreiten einer gewissen vorgewählten Maximalauslenkung des Taststifts (9) wird die jeweils bean­ spruchte Blattfeder (32) oder (33) geknickt und die Kraft folgt jetzt dem Teil (12) der Kennlinie der Fig. 3.When the stylus is deflected in the direction of the arrow ( 15 ), the rod ( 8 ) stops and the spring system ( 32 , 33 ) is moved relative to this rod via the plate ( 22 ). As a result, the required force is exerted on the stylus ( 9 ) when probing a measurement object in the direction of the arrow ( 15 ), which force follows the part ( 11 ) of the characteristic curve in FIG . When a certain preselected maximum deflection of the stylus ( 9 ) is exceeded, the leaf spring ( 32 ) or ( 33 ) which is claimed in each case is buckled and the force now follows part ( 12 ) of the characteristic curve of FIG. 3.

In Fig. 4 ist ein weiteres Federsystem (42, 43) dargestellt, das mit den Rollen (44) und (45) ausgerüstet ist und das über einen Träger (23) fest mit der Platte (16) in Verbindung steht. Bei einer Auslenkung des Taststiftes (9) in Richtung des Pfeiles (14) bewegt sich der Stift (8) nach oben oder unten und bringt dabei eine der Blattfedern (42) oder (43) zur Wirkung. Die Wirkungsweise dieses Federsystems entspricht derjenigen des Federsystems (32-35).In Fig. 4 a further spring system ( 42 , 43 ) is shown, which is equipped with the rollers ( 44 ) and ( 45 ) and which is firmly connected to the plate ( 16 ) via a carrier ( 23 ). When the feeler pin ( 9 ) is deflected in the direction of the arrow ( 14 ), the pin ( 8 ) moves up or down and brings one of the leaf springs ( 42 ) or ( 43 ) into effect. This spring system works in the same way as the spring system ( 32-35 ).

In der Darstellung der Fig. 4 sind sämtliche Meßsysteme aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. In der Patentan­ meldung P.......... die am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht ist, ist der Gesamtaufbau eines solchen Tastkopfes näher dargestellt und auch beschrieben.In the illustration of Fig. 4, all measuring systems are omitted for reasons of clarity. In the patent application P .........., which is filed on the same day as the present application, the overall structure of such a probe is shown in more detail and also described.

Claims (4)

1. Federsystem zur Lagerung eines auslenkbaren Elements, das ab einem Grenzwert der Auslenkung eine nicht-lineare Weg- Kraft-Kennlinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das auslenkbare Element (1) spiel- und reibungsfrei zwischen zwei Blattfedern (2, 3) gelagert ist, von denen mindestens eine als senkrecht zu ihrer Längsausdehnung gekrümmte Zylinderschale ausgebildet ist.1. Spring system for mounting a deflectable element, which has a non-linear displacement-force characteristic curve from a limit value of the deflection, characterized in that the deflectable element ( 1 ) is mounted free of play and friction between two leaf springs ( 2 , 3 ) , of which at least one is designed as a cylinder shell curved perpendicular to its longitudinal extension. 2. Federsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (2, 3) an ihrem freien Ende eine kugelgelagerte Rolle (4, 5) tragen, die auf dem auslenkbaren Element (1) aufliegt.2. Spring system according to claim 1, characterized in that the leaf springs ( 2 , 3 ) carry at their free end a ball-bearing roller ( 4 , 5 ) which rests on the deflectable element ( 1 ). 3. Federsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Blattfedern (2, 3) zum auslenkbaren Element (1) hin konkav gekrümmt sind.3. Spring system according to claim 1 and 2, characterized in that both leaf springs ( 2 , 3 ) to the deflectable element ( 1 ) are concavely curved. 4. Federsystem nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet durch seine Verwendung im Tastkopf (6) eines Koordinatenmeßgerätes zur Lagerung eines Elementes (8) das bei der Auslenkung des mit dem Tastkopf (6) verbundenen Taststiftes (9) in einer Koordinatenrichtung bewegt wird.4. Spring system according to claim 1-3, characterized by its use in the probe head (6) of a coordinate for the storage of an element (8) which is moved during the deflection of the connected to the probe (6) the feeler pin (9) in one coordinate direction.
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