DE3843125A1 - Tastkopf vom schaltenden typ - Google Patents
Tastkopf vom schaltenden typInfo
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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.
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