DE3843125A1 - Tastkopf vom schaltenden typ - Google Patents

Description

Tastköpfe vom schaltenden Typ besitzen ein Lager, das die Nullage des beweglichen, das Tastelement tragenden Teils des Tastkopfes mit hoher Genauigkeit festlegt. In dieses Lager, das im allgemeinen ein isostatisches Dreipunktlager ist, wird der auslenkbare Teil des Tastkopfes durch ein Vorspannorgan, in der Regel eine Feder, mit definierter Kraft hineingedrückt bzw. hineingezogen. Tastköpfe diesen Typs sind beispielsweise in der US-PS 41 77 568 beschrieben.

Tastköpfe vom schaltenden Typ werden überwiegend in vertikaler Einbaulage eingesetzt. Hierbei wirkt die Kraft der das Lager vorspannenden Feder in Richtung der Schwerkraft und belastet die drei Lagerstellen gleichmäßig.

Es ist auch bereits bekannt, schaltende Tastköpfe an einer sogenannten Dreh-Schwenkeinrichtung zu befestigen und dann in unterschiedlicher Orientierung entsprechend den zu vermessenden Bohrungen am Werkstück auszurichten. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Vorspannkraft sehr viel größer als das Ge­ wicht des auslenkbaren Taststifts ist. Andernfalls würde dieser während der Schwenkbewegung des Tastkopfes die durch das Lager vorgegebene Nullage verlassen. Denn in horizontaler Ausrichtung wirken die Gewichtskräfte quer zum Lager und drücken den Tast­ stift bzw. dessen Träger aus dem Lager.

Andererseits ergeben sich jedoch infolge der für die waagerechte Ausrichtung nötigen, höheren Vorspannung des Lagers größere Antastkräfte und außerdem nimmt die Reibung im Lager zu. Eine erhöhte Reibung verschlechtert in nicht zu vernach­ lässigender Weise die Genauigkeit, mit der der Taststift nach einem Antastvorgang wieder in seine Nullage zurückkehrt. Hohe Antastkräfte sind außerdem generell für viele Meßaufgaben uner­ wünscht.

Während man bei Tastköpfen mit relativ kleinem Durchmesser, deren Taststift nur eine geringe Masse besitzt, das angesprochene Problem durch eine Erhöhung der Vorspannkraft in gewissen Grenzen noch ausgleichen kann, ist dies für schaltende Tastköpfe größerer Bauart nicht mehr möglich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tastkopf vom schaltenden Typ zu schaffen, der Taststifte mit relativ großer Masse tragen kann und insbesondere ohne Einbußen bezüglich der Reproduzierbarkeit seines Lagers auch in waagerechter Einbaulage verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Tastkopf eine berührungslos arbeitende Einrichtung zur Kompensation von senkrecht zur Vor­ spannrichtung wirkenden Komponenten der Gewichtskraft des beweglichen Teils enthält.

Dadurch wird erreicht, daß die Summe aller den Taststift bzw. dessen Träger in seinem Lager haltenden Kräfte ebenso wie in der bisherigen vertikalen Einbaulage allein in Richtung auf die Lagerstellen wirken. Es kann deshalb ohne Einbuße bezüglich der Wiederholgenauigkeit des Tasters mit kleinen Vorspannkräften und demzufolge kleinen Antastkräften gearbeitet werden. Da die Einrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft berührungslos arbeitet, sind außerdem zusätzliche Reibungskräfte vermieden, wie sie andernfalls auftreten würden, wenn beispielsweise die Kompensation der Gewichtskraft durch zusätzliche, am Taststiftträger angreifende Federn vorgenommen würde.

Zur berührungslosen Kompensation der Gewichtskraft kann beispielsweise ein Magnetlager oder ein Luftlager verwendet werden. In beiden Fällen läßt sich das Lager konstruktiv so auslegen, daß durch diese zusätzliche Einrichtung die Auslenkbewegung des Taststifts bzw. Taststiftträgers im Zuge des Antastvorganges nicht behindert wird.

Wenn zusätzlich die Spaltbreite des betreffenden Lagers einstellbar ist, dann kann die Kompensation der Gewichtskraft in der Ebene senkrecht zur Vorspannrichtung abhängig vom Gewicht der angesetzten Taststiftkombination oder abhängig von der Orientierung des Tastkopfes d.h. abhängig von seiner Winkellage gegen die Vertikale erfolgen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tastkopfs teils im Schnitt, teils in Seitenansicht dar;

Fig. 2 zeigt einen im Vergleich zur Fig. 1 alternatives Ausführungsbeispiel, ebenfalls teils im Schnitt und teils in Seitenansicht.

Fig. 3 ist die Schnittzeichnung eines weiteren Ausführungs­ beispiels des Tastkopfes in der Ebene senkrecht zur Vorspannrichtung;

Fig. 4 ist eine vereinfachte Skizze, die den Tastkopf nach Fig. 3 in unterschiedlicher Orientierung zeigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf besitzt ein zylindrisches Gehäuse (1), das stirnseitig mit einer Aufnahme (2) versehen ist, mit der der Tastkopf am Meßarm einer hier nicht darge­ stellten Koordinatenmeßmaschine befestigt werden kann. An dem der Aufnahme (2) entgegengesetzten Ende trägt das Gehäuse (1) auf der Innenseite eines zylindrischen Bundes ein aus drei Kugelpaaren bestehendes Lager, auf dem der bewegliche Teil (11) des Tastkopfes mit seiner Lagerplatte (8) selbstzentrierend aufliegt. In der Darstellung nach Fig. 1 ist nur eine, nämlich die Kugel (12) der drei Kugelpaare des Lagers zu sehen. In jeder der drei um 120° bezüglich der eingezeichneten Längsachse des Tastkopfes versetzt angeordneten, aus den Kugelpaaren ge­ bildeten Kerben liegt jeweils einer von drei an der Unterseite der Platte (8) angebrachten Zylinderkörpern (10). Diese an sich bekannte Anordnung aus Kugelpaaren und Zylinderkörpern re­ produziert die Nullage des mit (14) bezeichneten Taststifts des Tastkopfes, der über eine Aufnahme (13) am beweglichen Taststiftträger (11) befestigt ist, mit hoher Genauigkeit.

Der Taststiftträger (11) bzw. die in dem Dreipunktlager liegende Halteplatte (8) ist durch eine Schraubenfeder (4) vorgespannt. Die Vorspannkraft (Ff) wirkt hierbei in Richtung zu der gestrichelt eingezeichneten Längsachse des Tastkopfes.

In der dargestellten waagerechten Einbaulage wird das Lager im Tastkopf zusätzlich durch Gewichtskräfte und Momente in Richtungen belastet, die nicht mit der Taststiftlängsachse zusammenfallen. So bewirkt die im Schwerpunkt S des beweglichen Teils (11) angreifende Gewichtskraft (Fg) eine Kraftkomponente (Fl) in der Ebene des Dreipunktlagers sowie ein Moment (M), das die beiden nicht dargestellten Lagerpunkte des Dreipunktlagers stärker belastet, als die dargestellte, mit (10) und (12) bezeichnete untere Lagerstelle. Diese Kraftkomponenten werden nun durch folgende Mittel kompensiert:

In das untere Ende der Halteplatte (8) des Taststiftträgers ist ein Magnet (5) eingelassen und ein entsprechender Magnet (6) befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite im Gehäuse (1) des Tastkopfes. Der Abstand dieser beiden Magnete ist so gewählt, daß die mit gleichnamigen Polen gegenüberliegenden Magnete eine abstoßende Kraft erzeugen, die gerade entgegengesetzt gleich ist der in der Lagerebene wirkenden Kraftkomponente (Fl) des Gewichtsvektors (Fg).

Außerdem ist am oberen Ende der Halteplatte (8) eine das Lager an dieser Stelle entlastende Zugfeder (3) eingehängt, deren Zugkraft entgegengesetzt gleich dem aus der Gewichtskraft (Fg) resultierenden Moment M gewählt ist. Auf diese Weise sind alle Kraftkomponenten kompensiert, die infolge der waagerechten Einbaulage aufgetreten sind, so daß die resultierende Gesamt­ kraft wiederum nur die Kraft (Ff) der Andruckfeder (4) ist, die den beweglichen Teil (11) des Taststifts in Richtung der Symmetrieachse in sein Lager drückt.

Weder die Magnete (5, 6) noch die Zugfeder (3) behindern die Auslenkbewegung des Teils (11) im Zuge eines Antastvorganges.

Der Tastkopf im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 allein dadurch, daß anstelle der abstoßenden Magnete nunmehr am oberen Ende des waagerecht ein­ gebauten Tastkopfes (101) zwei Zugmagnete (105, 106) im Gehäuse (101) bzw. in der Halteplatte (108) eingebaut sind. Die übrigen Teile des Tastkopfes besitzen die gleiche Funktion und sind mit einer um 100 höheren Bezugsziffer versehen. Sie werden an dieser Stelle nicht nochmals erklärt.

Zusätzlich ist zwischen den beiden Magneten (105) und (106) ein Abstandshalter (107) aus nichtmagnetischem Material, beispiels­ weise aus Plastik, eingesetzt. Dieser Abstandshalter (107) dient dazu, ein Aneinanderkleben der Magnete (105) und (106) aneinander zu verhindern. Er stellt somit sicher, daß nach jedem Antastvorgang der bewegliche Teil (111) des Tastkopfes wieder in sein Lager zurückkehrt.

Für den Fall, daß an die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Tastköpfe andere Taststifte mit unterschiedlichem Gewicht ange­ setzt werden sollen, kann es zweckmäßig sein, den Abstand zwischen den Magneten (5) und (6) bzw. (105) und (106) ein­ stellbar vorzusehen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Magnete (6) bzw. (106) in einer Justier­ schraube aufgenommen sind.

Eine Einstellung des Abstandes ist auch für den Fall vorzusehen, daß der Tastkopf beispielsweise an einem Dreh- Schwenkgelenk befestigt ist und in unterschiedlicher Orientierung benutzt wird. Hier ist die Größe der Kraftkomponente in der Ebene senkrecht zur Vorspannrichtung, die von dem Magnetlager kompensiert werden soll, abhängig von der Winkellage des Tastkopfes gegen die Vertikale und variiert zwischen einem Maximalwert bei waagerechter Ausrichtung des Tastkopfes und dem Wert 0 bei senkrechter Ausrichtung, wie dies in Fig. 4 skizziert ist.

Ein Ausführungsbeispiel, das die Einstellung der Kompensationskraft abhängig von der Ausrichtung des Tastkopfes ermöglicht, ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel stellt außerdem sicher, daß die Kompensation auch bei beliebiger Drehlage des Tastkopfes um seine Längsachse erfolgen kann.

Dazu ist im nicht dargestellten Gehäuse des Tastkopfes ein schwimmend gelagerter Ring (201) vorgesehen, der vier um 90° versetzt angeordnete Bohrungen aufweist, in denen jeweils eine Kugel (203a-d) geführt ist. Diese Kugeln (203a-d) stützen sich nach außen gegen ebene Widerlager (204a-d) im Tastkopfgehäuse ab. Nach Innen sind die Bohrungen durch vier eingesetzte Magnete (204a-d) abgeschlossen. Diesen Magneten (204a-d) liegen vier gegenpolig angeordnete Magnete im beweglichen Taststift­ träger (208) gegenüber. In der Schnittdarstellung nach Fig. 3 ist auch das Dreipunktlager (210a-c) zu sehen, mit dem der Taststiftträger im Tastergehäuse aufliegt.

Je zwei gegenüberliegende Bohrungen im Ring (201) sind durch nicht näher dargestellte Kanäle mit Ventilen (202 a und 202 b) verbunden, mit denen sich von der Maschinensteuerung des Koordinatenmeßgerätes eine Druckdifferenz Δ P 1 und Δ P 2 in den Bohrungen einstellen läßt. Aufgrund der eingestellten Druck­ differenz verschiebt sich der Ring (201) in der gewünschten Weise gegenüber dem beweglichen Taststiftträger (208). Dadurch verändern sich die Lagerspalte der Magnetlager und die von den Magneten auf das Teil (208) ausgeübten Kräfte. Durch eine geeignete Steuerung der Druckdifferenzen Δ P 1 und Δ P 2 läßt sich somit die Kompensationskraft quer zur Vorspannrichtung des Lagers (210a-c) abhängig von der Ausrichtung des Tastkopfes nach Betrag und Richtung in der Ebene des Lagers einstellen. Hierbei wird der Betrag der Gewichtskraft durch den absoluten Betrag der beiden Differenzdrucke Δ P 1 und Δ P 2 und die Richtung der Kompensationskraft in der Lagerebene durch das Verhältnis Δ P 1/ Δ P 2 der Differenzdrucke bestimmt.

Claims (7)

1. Tastkopf vom schaltenden Typ mit einem Lager für den beweg­ lichen, das Tastelement tragenden Teil des Tastkopfes, wobei der bewegliche Teil durch ein nachgiebiges, in Richtung auf das Lager wirkendes Vorspannmittel in defi­ nierter Nullage in dem Lager gehalten ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tastkopf (1) eine berührungslos arbeitende Einrichtung (5/6) zur Kompensation von senkrecht zur Vorspannrichtung (Ff) wirkenden Komponenten (Fl) der Gewichtskraft (Fg) des beweglichen Teils (11) enthält.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Magnetlager (5, 6; 105, 106) ist, das auf den beweglichen Teil des Tastkopfes eine senkrecht zur Vor­ spannrichtung (Ff) gerichtete Kraft (Fa) ausübt.

3. Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetlager aus zwei einander abstoßenden Magneten (5, 6) besteht.

4. Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetlager ein Zugmagnet (105, 106) ist und zwischen den einander anziehenden Teilen ein unmagnetischer Abstands­ halter (107) angeordnet ist.

5. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Einrichtung (201-206) auf den beweglichen Teil (208) ausgeübte Kompensationskraft abhängig von der Aus­ richtung des Tastkopfes einstellbar ist.

6. Tastkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (201-206) Magnetlager (205/206) enthält, deren Spaltbreite einstellbar ist.

7. Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Magnetlagers (205/206) jeweils in dem beweglichen Teil (208) des Tastkopfes und in einem schwingend gelagerten Einstellring (201) im Gehäuse des Tastkopfes aufgenommen sind.