DE3804111A1 - Kollisionsschutz fuer den tastkopf eines koordinatenmessgeraetes - Google Patents

Description

Der Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes ist das Maschinenteil, welches den beim Antastvorgang auslenkbaren Taststift, dessen Lager bzw. Führungen, mit denen die Ruhelage des Taststiftes hochgenau reproduzierbar ist, die Meßsysteme für die Erkennung bzw. Messung der Taststiftauslenkung sowie eine Reihe weiterer, für den Betrieb notwendiger Präzisionsteile enthält. Man ist daher bestrebt, den in exponierter Stellung am Meßarm der Maschine befestigten Tastkopf gegen Kollision mit z.B. dem zu vermessenden Werkstück zu schützen.

So ist z.B. aus der DE-PS 35 32 184 ein Kollisionsschutz für den Tastkopf einer Meßmaschine in Form einer nachgiebigen Halterung bekannt. Die Halterung besteht aus einem Zentrierkörper, der vom Eigengewicht des Tastkopfes belastet in einer konischen Vertiefung eingerastet ist, sowie einer Torsionssicherung in Form einer Blattfeder. Dieser bekannte Kollisionsschutz benötigt ein relativ großes Bauvolumen. Außerdem ist die Genauigkeit, mit der der Tastkopf nach einem Kollisionsfalle seine Nullage wieder einnimmt, für einige Anwendungsfälle nicht ausreichend. Für Koordinatenmeßgeräte der Hochgenauigkeitsklasse wäre in diesem Falle nach jeder Kollision ein Neukalibrieren des Tastkopfes notwendig.

In der Messeinformation "Microtecnic 86" der Anmelderin (Prospekt Nr. 60-25-004-d, Druckvermerk XI/86) ist auf Seite 12/13 ein Kollisionsschutz für relativ kleine Tastköpfe mit geringem Gewicht beschrieben. Dieser Kollisionsschutz besteht wie die in der DE-AS 19 09 436 beschriebene Schutzvorrichtung für einen Kopierfühler aus einem Dreipunktlager, gegen das der Halter des Tastkopfes mit Federkraft gezogen bzw. gedrückt wird.

Ein derartiger Kollisionsschutz läßt sich jedoch nicht ohne weiteres für Tastköpfe des in der DE-PS 22 42 355 beschriebenen Typs verwenden, die ein relativ hohes Gewicht von bis zu 8 kg besitzen.

Aus der DE-OS 25 35 249 ist ein Tastkopf vom messenden Typ bekannt, dessen Taststift durch Pneumatikzylinder gewichtsentlastet bzw. in Fahrtrichtung der Meßmaschine vorausgelenkt ist. Als Kollisionsschutz dient bei diesem Taster eine Sollbruchstelle (11), die allerdings nur den Taststift, und auch nur im eingeschränkten Umfange schützt, während der Tastkopf selbst völlig ungeschützt bleibt.

In der DE-OS 34 20 139 ist ein Tastkopf vom schaltenden Typ beschrieben, dessen Innenraum mit Druckluft gefüllt ist. Das Taststiftlager ist als Ventilsitz ausgebildet und der bei Taststiftauslenkung auftretende Druckabfall stellt das eigentliche Antastsignal dar. Dieser Tastkopf besitzt überhaupt keinen Kollisionsschutz.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kollisionsschutz für Tastköpfe zu schaffen, der bei möglichst geringen baulichen Abmessungen im Kollisionsfalle einen großen Freihub gewährleistet. Der Kollisionsschutz sollte insbesondere auch schwere Tastköpfe sicher schützen und deren Nullage nach einem Kollisionsfalle genau reproduzieren.

Ausgehend von einem Kollisionsschutz nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil der beiden Ansprüche angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist ein Druckmittelorgan vorgesehen, das das Lager für den Tastkopf in seiner Halterung belastet und mit einem Ventil verbunden ist, das den Druck im Kollisionsfalle reduziert. Auf diese Weise kann der Tastkopf leicht ausweichen, denn der Widerstand, den der Tastkopf einer Kollision entgegen­ setzt, wird um die Haltekraft vermindert.

Gemäß Anspruch 2 ist eine Einrichtung zur Gewichtsentlastung des Tastkopfes in der Halterung vorgesehen. Durch diese Maßnahme wird der im Kollisionsfalle den Tastkopf ausgeübte Widerstand ebenfalls reduziert und ist in jedem Fall geringer als das Gewicht des Tastkopfes selbst.

Aufgrund der geringeren Lagerbelastung ist außerdem die Reproduzierbarkeit der Nullage des Tastkopfes nach einer Kollision verbessert.

Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn die beiden Maßnahmen Gewichtsentlastung und Druckreduzierung miteinander kombiniert werden. Es läßt sich dann eine völlige Aufhebung der statischen Reaktionskräfte im Kollisionsfalle erreichen.

Die beiden Maßnahmen erfordern nur einen geringen konstruktiven Aufwand und ergeben eine kompakte Bauform. Der damit ausge­ rüstete Kollisionsschutz zeichnet sich durch einen großen Aus­ lenkbereich bzw. Freihub aus und läßt sich deshalb auch an schnellen Meßmaschinen einsetzen, die im Eilgang einen längeren Bremsweg benötigen.

Das Ventil, das den Druck im Druckmittelorgan im Kollisions­ falle reduziert, ist zweckmäßig ein elektromagnetisches Steuer­ ventil und das Lager für den Tastkopf in der Halterung ist vorteilhaft ein Dreipunktlager, dessen Lagerstellen als elektrische Schalter ausgebildet sind. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß bereits ein geringfügiges Ausheben des Tastkopfes aus der Halterung zu Beginn einer Kollision zu einer Freigabe des Tastkopfes führt, der dann leicht und vorzugsweise gewichtsentlastet nachgibt. Der Schaltkontakt ist außerdem zweckmäßig mit der Steuerung des Koordinatenmeßgerätes ver­ bunden und dient als Not-Aus-Signal zur Stillsetzung der Maschinenantriebe bei einer Kollision.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt und werden nachfolgend anhand der

Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht einen mit dem er­ findungsgemäßen Kollisionsschutz versehenen Tastkopf an der Pinole eines Koordinatenmeßgerätes;

Fig. 2 zeigt den detaillierten Aufbau des Kollisionsschutzes (3/4) aus Fig. 1 in einem Vertikalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 3;

Fig. 3 ist ein horizontaler Schnitt des Kollisionsschutzes (3/4) aus Fig. 2 längs der Linie III-III;

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des zum Kollisionsschutz nach Fig. 2/3 gehörenden elektropneumatischen Regelkreises.

Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf (1), bei dem es sich beispielsweise um den in der DE-PS 22 42 355 beschriebenen Tastkopf handelt, ist an der Pinole (2) eines hier nicht näher dargestellten Koordinatenmeßgerätes mittelbar über den aus einem festen Teil (3) und einem darin nachgiebig gelagerten beweglichen Teil (4) befestigt. Für die Verbindung zwischen dem Tastkopf (1) und dem Teil (4) ist ein Bajonettring (5) vorgesehen.

Wie aus der detaillierten Darstellung nach Fig. 2 und 3 er­ sichtlich ist, besteht das bewegliche Teil (4) des Kollisions­ schutzes aus einer zylindrischen Hülse, in die drei Hart­ metallstifte (12 a, 12 b und 12 c) im Winkel von 120° versetzt radial abstehend am Außenumfang der Hülse (4) eingesetzt und verklebt sind. Mit diesen Stiften (12 a-c) liegt das Teil (4) auf drei ebenfalls um 120° versetzt angeordneten Kugelpaaren (13 a-f) am unteren Bund des an der Pinole (2) befestigten Teils (3) des Kollisionsschutzes auf. Die drei Kugelpaare sind über Leitungen elektrisch miteinander verbunden, so daß sich bei aufliegenden Stiften (12 a-c) eine elektrische Reihenschaltung ergibt. Um Kurzschlüsse zu vermeiden sind die Stifte (12) und die Kugelpaare (13) isoliert an den Teilen (4) bzw. (3) be­ festigt. Die Kugeln (13) und die Stifte (12) bilden ein Drei­ punktlager, das die Position des am Teil (4) befestigten Tast­ kopfes hochgenau reproduzierbar festlegt.

Das feste Teil (3) des Kollisionsschutzes besitzt einen quadratischen Querschnitt und an den vier Ecken des Quadrats sind im unteren Bund des Teils (3) vier Bohrungen eingelassen, in die vier Pneumatikzylinder (6 a-6 d) eingesetzt sind. Die vier Bohrungen, in denen die Pneumatikzylinder (6) geführt sind, sind durch einen Ringkanal (7) miteinander verbunden und werden von einer Druckluftleitung (8) am Oberteil des Teiles (3) durch die hohle Pinole (2) der Meßmaschine hindurch mit Druckluft versorgt.

Auf der Oberseite der vier Pneumatikzylinder (6 a-d) liegt das bewegliche Teil (4) über vier radial abstehende Halterungen (9 a-9 d) auf. Der Kontakt zwischen den Halterungen (9 a-d) und den Pneumatikzylindern (6 a-d) wird über in die Halterungen (9 a-d) beweglich eingesetzte Kugeln (29 a-d) bewirkt. Der auf die Pneumatikzylinder (6 a) wirkende Druck ist so eingestellt, daß er das Gewicht des Teils (4) und des angesetzten Tastkopfes (1) gerade kompensiert.

An der Innenseite des oberen Deckels (33) des Kollisions­ schutzes (3) ist eine ringförmige Membran (10) mit zwei Klemmringen (34) und (35) luftdicht befestigt. Der Innenraum der Membran (10) ist über einen Druckluftanschluß (11) mit einem geringen Überdruck beaufschlagt. Die Membran (10) liegt dabei auf der Oberseite des beweglichen Teils (4) auf und drückt dieses mit definierter Kraft in das Dreipunktlager (12/13). Die Ringform der Membran (10) läßt Raum für ein durch die Öffnung (36) im Deckel (33) durchgeführtes Kabel, mit dem der Tastkopf (1) an das Koordinatenmeßgerät angeschlossen ist.

In Fig. 4 ist der elektropneumatische Regelkreis des Kollisionsschutzes dargestellt. Darin ist mit (15) eine Luft­ filtereinheit bezeichnet, die ohnehin für die Versorgung der Luftlager in den Führungen des Koordinatenmeßgerätes bereits vorhanden ist. An dessen Ausgang ist der Anschluß (8) am oberen Teil des Kollisionsschutzes (3/4) über ein Druckregelventil (16) angeschlossen. Mit Hilfe dieses Ventils läßt sich die Kraft der Pneumatikzylinder (6 a-d) zur Kompensation des Tast­ kopfgewichtes genau einstellen.

Ebenfalls an den Ausgang der Luftfiltereinheit (15) ist ein zweites Regelventil (18) angeschlossen. Hierbei handelt es sich jedoch um ein Niederdruckregelventil, da aufgrund der relativ großen Fläche der Membran (10) bereits geringe Drucke ausreichen, um das Teil (4) in das Dreipunktlager (12/13) zu drücken. Das Niederdruckregelventil (18) ist über ein zwischengeschaltetes elektromagnetisches Steuerventil (19) mit dem Druckluftanschluß (11) für die Membran (10) im Kollisionsschutz (3) verbunden.

Bei dem Steuerventil (19) handelt es sich um ein 3/2-Wegeventil mit integrierter Schnellentlüftung. Der Betätigungsmagnet (23) dieses Ventils ist an eine Steuerelektronik (2 i) angeschlossen, die mit den in Fig. 4 vereinfacht als Schalter (22) dargestellten Lagerkugeln (13) des Dreipunktlagers (12/13) verbunden ist.

Die Steuerelektronik (21) ist außerdem mit dem Notaus-Schalter im Steuerschrank (24) des Koordinatenmeßgerätes verbunden.

An den Pneumatikkreis für die Membran (10) ist weiterhin ein Drosselrückschlagventil (20) über den Anschluß (21) angeschlossen. Das Drosselrückschlagventil stellt eine Abluftdrosselung dar, die den Druck im Druckraum konstant hält.

Der beschriebene Kollisionsschutz arbeitet nun folgendermaßen: Bei der Montage werden über die Druckregelventile (16) und (18) die Drücke in den Pneumatikzylindern (6) und im Druckraum der Membran (10) so eingestellt, daß

• a) ohne den Druck in der Membran (10) der Tastkopf (1) mit dem beweglichen Aufnahmeteil (4) gewichtsentlastet ist,
• b) der Druck der Membran (10) das bewegliche Teile (4) mit definierter Betriebskraft in das Dreipunktlager (12/13) drückt.

Beim Normalbetrieb stehen deshalb sowohl die Pneumatikzylinder (6 a-d) als auch die Membran (10) unter Druck. Wenn eine Kollision erfolgt, bei der der Tastkopf ausgelenkt wird, so hebt sich mindestens einer der drei Stifte (12) von seinem Lagerkugelpaar ab, d.h. der in Fig. 4 mit (22) bezeichnete, vereinfacht als Schalter dargestellte Kontakt öffnet sich. Dadurch wird das 3/2-Wegeventil (19) in die in Fig. 4 ge­ zeichnete Stellung "Schnellentlüftung" zurückgesetzt und die Membran (10) innerhalb weniger Millisekunden entlüftet. Die Kraft, die den Tastkopf in sein Lager (12/13) drückt, ver­ schwindet deshalb und der von den Pneumatikzylindern (6 a-d) gewichtsentlastete Tastkopf kann kräftefrei wegschwenken. Dabei bleibt die Gewichtsentlastung über den ganzen Auslenkbereich erhalten, da die Pneumatikzylinder der Bewegung der Auflagen (9) folgen. Gleichzeitig betätigt die Schaltung (21) den Not- Aus-Kreis (24) des Koordinatenmeßgerätes, das dann innerhalb weniger Zentimeter Fahrstrecke zum Stillstand kommt.

Der beschriebene Kollisionsschutz erlaubt in Höhe der Mitte des Tastkopfes (1) eine Auslenkung von ca. 30 mm, was bedeutend mehr als der bei gängigen Koordinatenmeßgeräten benötigte Bremsweg ist. Hierbei können mehrere der Stifte (12) aus den Lagerkugeln ausheben. Damit diese nach dem Ende des Kollisions­ falles wieder sicher in ihr Lager zurückfinden, sind um die Lagerkugeln (13) abgeschrägte Kunststoffteile (14 a-c) einge­ setzt, die als Führung für die Stifte (12) dienen.

Durch Belüften des Druckraums in der Membran (10) kann der ursprüngliche Betriebszustand nach dem Wegfall der Kollisions­ bedingung querkraftfrei wieder hergestellt werden. Hierbei nimmt der Tastkopf die über das Lager (12/13) definierte Nullposition mit hoher Reproduziergenauigkeit wieder ein.

Claims (6)

1. Kollisionsschutz für den Tastkopf eines Koordinatenmeßge­ rätes in Form einer nachgiebigen Halterung, in die der Tastkopf ausrückbar eingehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmittelorgan (10) vorgesehen ist, das das Lager für den Tastkopf (1) in der Halterung (3) belastet, und das Druckmittelorgan (10) mit einem Ventil (19) verbunden ist, das den Druck im Kollisionsfalle reduziert.

2. Kollisionsschutz für den Tastkopf eines Koordinatenmeßge­ rätes in Form einer nachgiebigen Halterung, in die der Tastkopf ausrückbar eingehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmittelorgan (10) vorgesehen ist, das das Lager (12/13) für den Tastkopf (1) in seiner Halterung (3) be­ lastet, und daß eine Einrichtung zur Gewichtsentlastung des Tastkopfes (1) vorgesehen ist.

3. Kollisionsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (19) ein elektromagnetisches Steuerventil ist und die Halterung (3) mit einem Schalter (22) versehen ist, der mit dem Ventil (19) und der Steuerung (24) des Koordinatenmeßgerätes verbunden ist.

4. Kollisionsschutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem oder mehreren Druckzylindern (6 a-d) besteht.

5. Kollisionsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittelorgan ein druckluftgefüllter Balg bzw. eine Membran (10) ist.

6. Kollisionsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (12, 13) ein isostatisches Dreipunktlager ist und die Lagerstellen als elektrische Schalter ausgebildet sind.