DE3826581A1 - Elektronischer koordinatenmesstaster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Koordinatenmeß­ taster zum berührenden Antasten und Erfassen von Prüflings­ konturen auf Mehrkoordinaten-Meßgeräten, mit einem ein Tast­ organ aufweisenden Träger, der in einem Gehäuse in zwei Ach­ sen kardanisch gelagert, um einen Nullpunkt auslenkbar und mit einem ein Lichstrahlenbündel etwa in Tasteraxialrichtung abgebenden optischen Organ versehen ist, das einem gehäuse­ fest montierten, von Detektorlichtstrahl getroffenen, bezüg­ lich des Auftreffpunktes des Detektorlichtstrahles empfindli­ chen optoelektronischen Detektorelement gegenübersteht.

Koordinatenmeßtaster dieser Art sind aus der deutschen Pa­ tentschrift 28 35 615 bekannt. Das Lichtstrahlenbündel bei dem bekannten Meßtaster von einer auf dem kardanisch gelagerten Träger montierten Lichtquelle erzeugt und trifft auf das optoelektronische Detektorelement, welches ein ta­ stereigenes ebenes Koordinatensystem bildet, derart, daß von dem optoelektronischen Element Signale ableitbar sind, welche der Tasterauslenkung in zwei zur Tasteraxialrichtung senkrechten Richtungen entsprechen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen elektronischen Koordinatenmeßtaster der soeben kurz beschrie­ benen Art so auszugestalten, daß er auch Signale liefert, wel­ che einer Auslenkung des Tastorganes in Tasteraxialrichtung entsprechen, derart, daß ein Koordinatenmeßtaster der hier an­ gegebenen Art beispielsweise Signale entsprechend Tasteraus­ richtungen in drei Richtungen eines rechtwinkligen Koordinaten­ systems liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Tastorgan an einem in oder an dem genannten Träger in Taster­ axialrichtung verschieblich geführten Schlitten befestigt ist und daß mit dem Schlitten ein auf dessen Verschiebung in Ta­ steraxialrichtung ansprechendes Stellungsgeberelement gekup­ pelt ist, das einen am Träger oder am Gehäuse montierten De­ tektorelement gegenübersteht.

Bevorzugtermaßen ist bei einem Koordinatenmeßtaster der hier angegebenen Konstruktion an dem Schlitten ein weiteres, ein Lichtstrahlenbündel im wesentlichen senkrecht zur Tasteraxial­ richtung abgebendes optisches Organ angeordnet, das einem ge­ häusefest oder am Träger montierten, bezüglich des Auftreff­ punktes dieses Lichtstrahlenbündels empfindlichen optoelektro­ nischen Detektorelement gegenüberliegt.

Zweckmäßig befinden sich das weitere optische Organ und das zugehörige optoelektronische Detektorelement etwa auf dem Niveau der Kardanlagerung des Trägers mit Bezug auf die Ta­ steraxialrichtung.

Die optischen Organe können von Spiegelflächen gebildet sein, welche zur Erzeugung der Lichtstrahlenbündel von einer oder je einer gehäusefest montierten Lichtquelle mit einem Lichtstrahl beaufschlagt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aber sind die optischen Organe von über fle­ xible Leitungen gespeisten elektrischen Lichtquellen, insbe­ besondere lichtemittierenden Dioden, mit integrierter Optik, und vorgeschalteten Blenden gebildet, wobei unter Licht hier jede der geometrischen Optik folgende Strahlung zu verstehen ist, also beispielsweise Infrarotstrahlung.

Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen des vorliegend angegebenen elektronischen Koordinaten­ meßtasters in den anliegenden Patentansprüchen gekennzeich­ net, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.

Nachfolgend werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Koordinaten­ meßtaster der vorliegend angegebenen Konstruk­ tion,

Fig. 2 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 1 entspre­ chend einer zu der Schnittebene von Fig. 1 senkrechten Ebene und

Fig. 3 eine schematische Abbildung einer gegenüber den Fig. 1 und 2 abgewandelten Ausfüh­ rungsform.

In Fig. 1 ist eine Halterung eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes mit 1 bzeichnet. An ihr ist mittels einer Überwurfmutter 2 ein hülsenförmiges, zweiteiliges Gehäuse 3 befestigt, das an seinem oberen Ende einen Bund trägt, der mittels der Überwurf­ mutter 2 gegen die Halterung 1 festgespannt ist. Der obere Teil 3 a des Gehäuses ist etwa im Bereich der axialen Gehäusemitte des Gehäuses 3 mit in Fig. 2 dargestellten Lageraugen 4 ver­ sehen, welche nach innen weisen, und ist in diesem Bereich mittels radial gerichteter Schrauben 5 mit einem unteren Ge­ häuseteil 3 b verbunden, das nahe seinem unteren Ende eine Um­ fangsnut 6 aufweist, in die ein Wulst eines Balges 7 eingreift, der zu einem Verankerungspunkt 8 eines Tastorganes 9 reicht, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Die Lageraugen 4 des oberen Gehäuseteiles 3 a dienen zur Lagerung von Kardanachsen 10 eines Kardanringes 11, der, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, abgeschrägte Außenkonturen in den gegenüber den Lagerachsen 10 um 90 Grad umfangsmäßig versetzten Bereichen und abgeschrägte Innenkonturen in den den Lagerachsen 10 benachbarten Umfangsbereichen aufweist, wobei festzustellen ist, daß der Kardanring 11 vergleichsweise geringen Radialab­ stand von dem hülsenförmigen Gehäuse 3 hat.

Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß in einem gegenüber den Lager­ achsen 10 um 90 Grad umfangmäßig versetzten Bereich der Kardan­ ring 11 weitere Kardanachsen 12 aufnimmt, welche in radialer Richtung nach einwärts in einen Träger 13 eingreifen, der sich in axialer Richtung etwa koaxial zu dem hülsenförmigen Gehäuse 13 durch dessen Innenraum erstreckt, derart, daß der Träger 13 relativ zu der Halterung 1 und dem daran festgespannten hülsen­ förmigen Gehäuse 3 über die Kardanachsen 10, den Kardanring und die Kardanachsen 12 kardanisch gelagert ist. Im Bereich der Kardanachsen vorgesehene Kreuzfederelemente sorgen dafür, daß der Träger 13 gegenüber der Halterung 1 und dem hülsen­ förmigen Gehäuse 3 eine in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Nullstellung einnimmt und aus dieser Nullstellung unter Über­ windung einer durch die Kreuzfederelemente vorgegebenen Vor­ spannung in zwei Koordinatenrichtungen auslenkbar ist, wie in den Fig. 1 und 2 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist.

Am oberen Ende des Trägers 13 ist eine Infrarotlicht emittierende Diode 14 befestigt, welche über eine integrierte Optik und eine in einer Kapselung vorgesehene Blende ein Lichtstrahlenbündel mit Bezug auf die Nullstellung des Trägers 13 in Axialrichtung abzugeben vermag. Dieses Lichtstrahlenbündel trifft auf ein Detektorelement 15, welches so ausgebildet ist, daß es als tastereigenes ebenes Koordinatensystem entsprechend der je­ weiligen Stellung des Trägers 13 Signale abgibt, welche der Tasterauslenkung in zwei zur Tasteraxialrichtung senkrechten Richtungen entsprechen. Diese Signale werden von dem Detektor­ element 15 durch in Fig. 1 dargestellte Leitungen abgeleitet. Das Detektorelement ist an einer am hülsenförmigen Gehäuse 3 im Bereich von dessen oberem Ende befestigten Platte 16 ge­ halten. Diese Platte besitzt Ausschnitte, über die zu dem elektronischen Koordinatenmeßtaster führende flexible Leitungen zur Speisung der auf dem Träger 13 montierten Lichtquellen sowie der darauf befindlichen Detektorelemente geführt sind. Diese Leitungen sind in Fig. 1 bei 17 angedeutet.

Das Tastorgan 9 ist mit dem Träger 13 über einen an diesem oder in diesem im wesentlichen in Tasteraxialrichtung geführten Schlitten 18 gekuppelt. Der Schlitten 18 weist ein in einer Nische des Trägers 13 befindliches Mittelstück 19 auf, an dem mittels Stellschrauben 20 und 21 nach abwärts bzw. nach auf­ wärts in Bohrungen des Trägers 13 hineinreichende Zylinder­ stifte 21 bzw. 22 befestigt sind. Diese Zylinderstifte sind in innerhalb der Bohrungen des Trägers 13 vorgesehenen, in den Fig. 1 und 2 schematisch angegebenen Kugelführungsbuchsen in Axialrichtung geführt.

Es versteht sich, daß für die Axialführung des Schlittens 18 bzw. seines Mittelstückes 19 vom Fachmann auch eine Anzahl weiterer Führungskonstruktionen vorgesehen werden kann.

Der untere Führungsstift 21 reicht in einen Block 23 des Tast­ organes 9 hinein und ist von einer Druck-Schraubenfeder 24 umschlungen, welche sich einerseits gegen den Träger 13 und andererseits gegen ein Feder-Widerlager 24 abstützt, das gegen­ über dem Block 23 des Tastorganes 9 mittels einer Einstell­ schraube 25 zur Einstellung der Federvorspannung in Axial­ richtung verschiebbar ist. Die Federvorspannung der Schrauben- Druckfeder 24 zwischen dem Träger 13 und dem Feder-Widerlager 24 a bewirkt, daß das Tastorgan 9 relativ zu den Trägern 13 gegen einen Anschlag vorgespannt wird, der durch das Anlaufen des Mittelstückes 19 des Schlittens 18 gegen eine Wand der Nische des Trägers 13 vorgegeben ist, wie der Fachmann aus den Fig. 1 und 2 ohne weiteres erkennt.

Von dem Block 23 ragt ein zur Verdrehsicherung dienender Führungsstift 26 in eine achsparallele Bohrung 27 des Trägers 13 hinein und ist in dieser Bohrung mittels einer Kugelführungs­ buchse oder einer anderen Schiebeführung 28 geführt, derart, daß eine Verdrehung des Schlittens 18 relativ zu dem Träger 13 um die Achse der Führungsstifte 22 und 21 verhindert ist.

Das Mittelstück 19 des Schlittens 18 ist mit einer mit Bezug auf die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Stellung horizontal gerichtete Ausnehmung 29 versehen, in welche eine weitere Lichtquelle 30 ähnlich der Lichtquelle 14 eingesetzt ist. Diese Lichtquelle wird wiederum von einer Infrarotlicht emittierenden Diode gebildet und sendet über eine integrierte Optik und eine in dem Träger 13 gebildete Blende ein Lichstrahlenbündel in Richtung auf ein Detektorelement 31 aus, das an der Seitenwand der Nische des Trägers 13 montiert ist. Dieses Detektorelement erzeugt in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt des Lichtstrahlen­ bündels der Lichtquelle 30 elektrische Signale, welche der axialen Stellung der Blendenöffnung an dem Mittelstück 19 des Schlittens 18 und damit der axialen Stellung des Tastorganes 9 relativ zu dem Träger 13 entsprechen. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß sich mit Bezug auf die in Fig. 1 gezeigte Null­ stellung des Schlittens 18 relativ zu dem Träger 13 und auch mit Bezug auf mögliche Auslenkstellungen in Richtung einer Ver­ schiebung des Schlittens 18 relativ zu dem Träger 13 nach auf­ wärts das Niveau des von der Lichtquelle 30 erzeugten Licht­ strahlenbündels etwa in der Höhe der Kardanachsen 10 und 12 be­ findet. Von den Detektorelementen 15 und 31 abnehmbare elektri­ sche Signale repräsentieren daher bei vergleichweise geringer gegenseitiger Unabhängigkeit die Auslenkstellung der Tastspitze 32 eines Tastfingers 33 des Tastorganes 9 in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen in einer Radialebene zur Tasterlängsachse sowie in Richtung dieser Tasterlängsachse.

Kommt es auf eine quantitative Bestimmung der axialen Ver­ schiebung der Tastorganspitze 32 nicht an und soll in erster Linie ein qualitatives Signal eine Verschiebung der Tastorgan­ spitze melden, so kann gemäß Fig. 3 der Schlitten 18 vereinfacht ausgebildet und zusätzlich zur oder anstelle der Wirkung der Schraubenfeder 24 mittels einer Blattfeder 35 gegen einen An­ schlagabsatz des Trägers 13 vorgespannt werden, welche einen Spiegel 36 trägt. Die Blattfeder 35 ist zwischen Federlager 37 am oberen Ende der Nische des Trägers 13 und einem Federlager 38 auf der Oberseite des Schlittens 18 eingesetzt. Im übrigen ist die Konstruktion des Schlittens 18 bezüglich des unteren Führungsstiftes 21, des damit verbundenen Blockes 23 des Tast­ organes 9 und bezüglich des als Verdrehsicherung dienenden Führungsstiftes 26 derselben Art, wie für das Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 und 2 angegeben.

Eine Lichtquelle 39 ist an der Seitenwand der Nische des Trägers 13 montiert und sendet ein Lichtstrahlenbündel auf den Spiegel 36 der Blattfeder 35. Dieser Lichtstrahl wird von dem Spiegel 36 auf ein Detektorelement 40 reflektiert, welches wiederum an der Seitenwand der Nische des Trägers 13 in der aus Fig. 3 er­ sichtlichen Weise befestigt ist. Sobald die Tastspitze 32 des Tastfingers 33 gegen eine Prüflingsoberfläche in der Weise an­ tastet, daß das Tastorgan 9 mit dem Block 23 in Tasteraxial­ richtung nach aufwärts verschoben wird, erfährt die Blattfeder 35 eine verstärkte Abbiegung gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Stellung, so daß das von der Lichtquelle 39 auf den Spiegel 36 gerichtete Lichtstrahlenbündel nunmehr auf einen anderen Auf­ treffpunkt des Detektorelementes 40 reflektiert wird. Das Detektorelement 40 gibt dann ein der Axialverschiebung des Tastorganes entsprechendes Signal ab, das über flexible Lei­ tungen von dem Träger zu der Halterung 1 des betreffenden Koordinatenmeßgerätes geführt wird.

Der Fachmann erkennt, daß für die Anregung der Detektorelemente 15 und 31 bzw. 40 eine gemeinsame Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtstrahlenbündeln in dem Koordinatenmeßtaster vorgesehen werden kann, wobei geeignete Reflektormittel und Durchtritts­ kanäle in dem Träger vorzusehen sind. Auch können anstelle der auf dem Träger 13 montierten, über flexible Leitungen gespeisten Lichtquellen an entsprechender Stelle Reflektoren vorgesehen sein, welche von einer gehäusefesten Lichtquelle oder jeweils einer gehäusefesten Lichtquelle beaufschlagt werden und ihr reflektiertes Lichtstrahlenbündel abhängig von der Position des Trägers in drei Koordinatenrichtungen auf zugehörige De­ tektorelemente lenken.

Claims (10)

1. Elektronischer Koordinatenmeßtaster zum berührenden Anta­ sten und Erfassen von Prüflingskonturen auf Mehrkoordinaten- Meßgeräten, mit einem ein Tastorgan (9) aufweisenden Träger (13) der in einem Gehäuse (3) in zwei Achsen kardanisch gelagert, um einen Nullpunkt auslenkbar und mit einem ein Lichtstrahlen bündel etwa in Tasteraxialrichtung abgebenden optischen Organ (14) versehen ist, das einem gehäusefest montierten, vom Licht­ strahlenbündel getroffenen, bezüglich des Auftreffpunktes des Lichtstrahlenbündels empfindlichen optoelektronischen Detektor­ element (15) gegenübersteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastorgan (9) an einem in oder am Träger (13) in Tasteraxial­ richtung verschieblich geführten Schlitten (18) befestigt ist und daß mit dem Schlitten (18) ein auf dessen Verschiebung in Tasteraxialrichtung ansprechendes Stellungsgeberelement (30) gekuppelt ist, das einem am Träger oder am Gehäuse montierten Detektorelement (31) gegenübersteht.

2. Koordinatenmeßtaster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem Schlitten (18) ein weiteres, ein Licht­ strahlenbündel im wesentlichen senkrecht zur Tasteraxial­ richtung abgebendes optisches Organ (30) angeordnet ist, das einem gehäusefest oder am Träger (13) montierten, bezüglich des Auftreffpunktes dieses Lichtstrahlenbündels empfindli­ chen Detektorelement (31) gegenübersteht.

3. Koordinatenmeßtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich das weitere optische Organ (30) und das zugehörige Detektorelement (31) etwa auf dem Niveau der Kardan­ lagerung (10, 12) des Trägers (13) mit Bezug auf die Tasteraxial­ richtung befindet.

4. Koordinatenmeßtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Organe von Spie­ geln (36) gebildet sind, welche zur Erzeugung der Lichtstrahlen­ bündel von einer oder je einer gehäusefest montierten Licht­ quelle mit einem Lichtstrahl beaufschlagt werden.

5. Koordinatenmeßtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die optischen Organe (14, 30) von über flexible Leitungen (17) gespeisten elektrischen Lichtquellen, insbesondere lichtemittierenden Dioden, mit integrierter Optik und vorgeschalteter Blende, gebildet sind.

6. Koordinatenmeßtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlitten (18) mit parallel zur Tasteraxialrichtung orientierten Zylinderstiften (21, 22) ver­ sehen ist, die in Kugelführungsbuchsen des Trägers (13) geführt sind.

7. Koordinatenmeßtaster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schlitten (18) als Verdrehsicherung mindestens einen zusätzlichen, in den Träger (13) hineinreichenden Führungsstift (26) aufweist.

8. Koordinatenmeßtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (18) von Federmitteln (24) in Tasteraxialrichtung gegen einen Anschlag gegenüber dem Träger (13) vorgespannt ist.

9. Koordinatenmeßtaster nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Widerlager (24 a) der Federmittel (24) auf der Seite des Schlittens (18) bzw. des Tastorgans (9) oder auf der Seite des Trägers (13) mittels einer Einstellschraube (25) in Tasteraxialrichtung verstellbar ist.

10. Koordinatenmeßtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (13) als hülsenförmiger Körper ausgebildet ist, der an seinem vom Tastorgan (9) abge­ wandten Ende das optische Organ (14) trägt, etwa in seiner axia­ len Mitte von einem Kardanring (11) oder einer Kardangabel der Kardanlagerung umgeben ist und einen seitlichen Ausschnitt aufweist, über den hinweg das weitere optische Organ (30) des Schlittens (18) und das zugehörige optoelektronische Detektor­ element (31) einander gegenüberstehen.