DE4023447A1 - Tastkopf fuer koordinatenmesseinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für Koordinatenmeßein­ richtungen des messenden Systems nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Solche Tastsysteme geben einen Bezug zwischen dem Antastpunkt am Meßobjekt und dem Koordinatensystem der Meßeinrichtung oder der Meßmaschine. Sie sollen reproduzierbare, gleichblei­ bende und definierte Bedingungen bei jedem Antastpunkt sicher­ stellen.

Bei dem hier interessierenden messenden Tastsystem wird in einer Meßposition die Taststiftauslenkung durch kleine Weg­ meßsysteme erfaßt. Dabei kann die Meßwerterfassung statisch oder dynamisch erfolgen. In der Grundbauform des messenden Tastsystems wird in einer Meßposition die Taststiftauslenkung durch kleine Wegmeßsysteme erfaßt. Die Grundbauform des mes­ senden Tastsystems kann ein messendes 2- oder 3-dimensionales Tastsystem sein, bei dem die Taststiftauslenkung translatorisch und definiert erfolgt. Der Referenzpunkt ist der Nullpunkt des Wegmeßsystems im Tastkopf.

Die vorgenannte statische Meßwerterfassung bedeutet das An­ fahren an bzw. das Einfahren in ein Meßobjekt mit dem Tast­ stift, das daraufhin erfolgende Stehenbleiben der Fahrbewegung und schließlich der Meßvorgang. Außerdem wird unter der sta­ tischen Meßwerterfassung auch das Einfahren mit dem Taststift in bzw. an ein Meßobjekt, das Zurückfahren in die Koordinaten­ null-Lage und das abschließende Messen verstanden. Demgegen­ über bedeutet das dynamische Erfassen eines Meßwertes die Be­ rührung des Meßobjektes mit einem Taststift und das durch die Berührung ausgelöste Schalten mit Wirkung auf die Fahrbewegung.

Aus der DE-AS 22 42 355 ist ein messendes elektromechanisch wirkendes Tastsystem bekannt, das aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von drei spielfreien Federparallelogramm- Führungssystemen besteht. Die Geradführungen sind in den drei Achsen X, Y und Z gleichzeitig frei bewegbar, wobei für jede Bewegungsrichtung ein richtungsempfindlicher, lageempfindli­ cher, eindimensionaler Längenaufnehmer im Tastkopf eingebaut ist. Bei Antastung an einen Meßgegenstand wird das Parallelo­ gramm entgegen der Antastrichtung ausgelenkt. Der Wegaufneh­ mer der dabei entklemmten Geradführung erfaßt die Richtung und die Größe der Auslenkung und regelt über die Steuerungs­ einheit der Meßeinrichtung so lange nach, bis das Tastsystem seinen Nullpunkt erreicht hat. Das Meßergebnis ist also von der Reproduzierbarkeit des Nullpunktes abhängig. Das Signal zur Meßwertübernahme wird bei Erreichen einer vorgegebenen Auslenkung des Taststiftes erzeugt. Bei dem messenden Tast­ system wird also in der Meßposition die Taststiftauslenkung durch kleine Wegmeßsysteme erfaßt, wie dies oben in allgemei­ ner Form ausgesagt wurde.

Die DE 32 34 471 C1 offenbart einen Mehrkoordinaten-Tastkopf mit einem in mehrere Koordinatenrichtungen auslenkbaren Tast­ stift, dessen Auslenkrichtung durch elektrische Signalgeber erfaßt wird. Diese elektischen Signalgeber sind digitale Län­ genmeßeinrichtungen mit flächigen Gittern, die mit photoelek­ trischen Sensoren abgetastet werden.

Bei dem Taskopf einer Meßmaschine nach der DE 34 17 991 A1 ist zwischen zwei Basisteilen eine Geradführungseinrichtung vorgesehen. Um eine spielfreie, stabile und reproduzierbare Ruhestellung zu erreichen, ist ein Anschlagkörper in der po­ sitiven und negativen Richtung einer Koordinate gegen die Wirkung einer Feder eines Federparallelogramms verschiebbar. Dazu weist der Anschlagkörper eine Ausnehmung auf, in welche das Basisteil eingesetzt ist und jeweils bis gegen Anschlag­ flächen innerhalb der Ausnehmung des Anschlagkörpers in Gerad­ führung bewegbar ist.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der Erfindung, einen messenden Tastkopf der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, bei dem der Tastkopf bei einfachem Aufbau präzise parallel zu den Koordinatenrichtungen in ent­ sprechenden Freiheitsgraden bewegbar ist und Signale in allen Raumrichtungen liefert, die proportional zur Auslenkung des Taststiftes sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichenteiles von Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen und erfinderische Ausbildungen dieses mes­ senden Tastkopfes sind den Unteransprüchen 2 bis 12 zu ent­ nehmen.

Während der Mehrkoordinatentaster nach der genannten deutschen Auslegeschrift 22 42 355 wegen der dort gewählten Parallelo­ grammanordnung sehr hoch baut, erlaubt der erfindungsgemäße Einsatz der Schiebeelemente bzw. der Schiebetische in Form von Scheiben oder Platten eine sehr kleine Bauhöhe, ohne dabei an Präzision einzubüßen. Die in rechteckförmigen Ausnehmungen be­ grenzt bewegbaren rechteckförmigen Schiebetische gewährleisten eine exakte Bewegung des Taststiftes und somit auch der Tast­ stiftaufnahme in die definierten Koordinatenrichtungen X und Y. Die hochgenauen Wegaufnehmer, welche als Auflichtmeßsysteme ausgebildet sind, werden entsprechend den erfindungsgemäßen Merkmalen kompakt oberhalb der Taststiftaufnahme montiert. Die besonderen Vorteile dieses messenden Tastkopfes liegen also da­ rin, daß der Taststift parallel zu den drei Koordinatenrichtun­ gen in sechs Freiheitsgraden bewegt werden kann und in allen Raumrichtungen Signale liefert und schalten kann. Die Signale sind jeweils proportional zur Auslenkung des Taststiftes. Da­ bei sorgen die kleinen Schiebeelemente bzw. die Schiebetische für ein nur geringes Bauvolumen und damit auch für ein relativ geringes Gewicht des Tastkopfes. Über die mechanischen oder pneumatischen Lageranordnungen sind die axial übereinander an­ geordneten Scheiben in jeweils definierten Richtungen zueinan­ der bewegbar. Die Koordinaten-Nullage des Taststiftes wird durch ein System aus Schiebern und Zug- oder Druckelementen gewährleistet, die in Form von Federn oder einem Magnetsystem ausgebildet sein können. Ein weiterer Vorteil dieses Tastkop­ fes ist die Schaltmöglichkeit bei Antastung an ein Meßobjekt.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Tastkopf der erfindungsgemäßen Bauart mit Auslenkmechanik und Wegaufnehmern im Schnitt,

Fig. 2 eine Ansicht auf ein erstes Schiebeelement gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht auf das zweite Schiebeelement gemäß der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Maßstäbe von Wegauf­ nehmern gemäß der Linie IV-IV in Fig. 5,

Fig. 5 den Tastkopf gemäß Fig. 1 um 90° gedreht im Schnitt, mit einer Auslenkmechanik und dem Einbau der Wegaufnehmer,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Wegaufnehmers gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung auf die Leseköpfe der Wegaufnehmer in den Koordinatenrichtungen X und Y gemäß der Linie VII-VII in Fig. 5,

Fig. 8 Lageranordnungen für die definiert zueinander bewegbaren Scheiben in Fig. 1 im Schnitt.

In Fig. 1 ist ein Tastkopf 1 im Schnitt dargestellt. Diese Schnittdarstellung zeigt die erfindungswesentlichen Merkmale des Tastkopfes 1 in vereinfachter Darstellung, um so das We­ sentliche dieses neuartigen Tastkopfes 1 deutlich herauszu­ stellen.

In dem Gehäuse 2 des messenden Tastkopfes 1 befindet sich im unteren Teil eine Kombination von Schiebeelementen oder Schie­ betischen, die entsprechend der Taststiftauslenkung in den Ko­ ordinaten X und Y zueinander bewegbar sind. Das in Z-Richtung obere Schiebeelement ist als Scheibe 3 ausgebildet und dient gleichzeitig als Aufnahme für die Auslenkmechanik der Tast­ stiftaufnahme 18 in Z-Richtung.

Im axialen Abstand unterhalb der Scheibe 3 ist das Schiebeele­ ment eingebaut, welches aus einer Scheibe 4 mit einer zentral im Koordinatenachsenkreuz X, Y eingebrachten rechteckförmigen Ausnehmung 10 gebildet ist. In dieser rechteckförmigen Ausneh­ mung 10 ist das eigentliche Schiebeelement oder der Schiebe­ tisch 11 eingesetzt, der eine rechteckförmige Flächenausdeh­ nung hat. Dabei ist die Längenausdehnung des Schiebetisches 11 in der X-Richtung geringer als die Längenausdehnung der Ausneh­ mung 10 in der gleichen X-Koordinate. In der Y-Koordinate liegt der Schiebetisch 11 mit seinen Außenflächen gleitend an den Be­ grenzungsflächen der Ausnehmung 10 an. Durch diese Bauweise kann der Schiebetisch in der X-Koordinate innerhalb der Ausneh­ mung 10 begrenzt hin- und herbewegt werden, wobei die Bewegung in einer Führung verläuft.

Der Schiebetisch 11 besitzt nun seinerseits ebenfalls eine rechteckförmige Ausnehmung 12, deren Längenausdehnung in der X-Koordinate wiederum größer ist als die Ausdehnung in der Y-Koordinate.

Im axialen Abstand unterhalb der Scheibe 4 befindet sich das untere Schiebeelement, welches wiederum aus einer Scheibe 5 mit einer zentral im Koordinatenachsenkreuz X, Y eingebrach­ ten rechteckförmigen Ausnehmung 13 besteht. In dieser Scheibe 5 ist die größere Längenausdehnung der Ausnehmung jedoch in der Y-Koordinate vorgesehen. In die Ausnehmung 13 ist das ei­ gentliche Schiebeelement oder der Schiebetisch 14 eingesetzt, der ebenfalls eine rechteckförmige Flächenausdehnung hat. Da­ bei ist die Längenausdehnung des Schiebetisches 14 in der Y- Koordinate kürzer als die Längenausdehnung der Ausnehmung in der Y-Koordinate. In X-Richtung liegt der Schiebetisch 14 mit seinen Außenflächen in den Begrenzungsflächen der Ausnehmung 13 gleitend an. Dieser Schiebetisch 14 kann somit eine begrenz­ te und linear geführte Bewegung in der Y-Koordinate durchfüh­ ren.

Der Schiebetisch 14 besitzt seinerseits eine rechteckförmige Ausnehmung 15, deren Längenausdehnung in der Y-Richtung grö­ ßer ist als die Ausdehnung in der X-Richtung.

Zwischen der oberen Scheibe 3 und der mittleren Scheibe 4 so­ wie zwischen der mittleren Scheibe 4 und der unteren Endschei­ be 5 sind entsprechend der Darstellungen in den Fig. 1 und 9 Lageranordnungen vorgesehen. Um eine definierte Bewegungs­ richtung zu erlauben sind auf den Scheiben 4 und 5 jeweils drei Kugeln 16 so angeordnet, daß immer zwei von ihnen je Scheibe auf einer gemeinsamen Achse liegen. Diese Achse ist im Falle der Scheibe 4 parallel zur X-Koordinate und im Falle der Scheibe 5 parallel zur Y-Koordinate eingezeichnet. Die Kugeln 16 greifen in Längsnuten oder Längsrillen 17 der Scheiben 4 und 5 ein. Die Längsrillen 17 verlaufen einmal in der Unter­ seite der Scheibe 3 in der X-Koordinatenrichtung und zum ande­ ren in der Unterseite der Scheibe 4 in der Y-Koordinatenrich­ tung.

Statt solcher Kugelführungen für eine exakte Bewegung der Schiebeelemente in X- und Y-Richtung können auch Wälzführungen oder Luftlager vorgesehen werden.

In der Ruhelage des Tastkopfes 1 befindet sich auf der durch den Koordinatennullpunkt gehenden Z-Koordinate die Taststift­ aufnahme 18, die aus einem oberen Block 19 und dem Unterteil 20 besteht. Den oberen Block 19 und das Unterteil 20 verbindet ein Hohlzylinder 21, der zentral durch die Scheiben 3, 4 und 5 geführt ist. Im Bereich der Scheiben 4 und 5 besitzt der Hohl­ zylinder 21 Führungsplatten 6 und 7, die in die Ausnehmungen 12 und 15 eingreifen und in der Scheibe 4 in X-Richtung und in der Scheibe 5 in Y-Richtung begrenzt bewegbar sind. Eine Tast­ stiftauslenkung in X- oder Y-Richtung ist somit immer exakt in den Koordinatenrichtungen für eine begrenzte Weglänge möglich.

In oder an das Unterteil 20 der Taststiftaufnahme 18, welches aus der Bodengruppe 8 des Gehäuses 2 nach unten austritt, ist der Taststift 9 auswechselbar eingesetzt. Statt eines einzelnen Taststiftes 9 kann auch eine Taststiftkombination mit mehreren in verschiedenen Koordinatenrichtungen weisenden Armen oder auch ein Taststiftwechselsystem vorgesehen sein.

Zwischen den Scheiben 4, 5 und den Schiebetischen 11, 14 sowie zwischen den Schiebetischen 11, 14 und den Führungsplatten 6, 7 der Taststiftaufnahme 18 sind Druckfedern 22, 23 eingesetzt, die den Taststift 9 in den Koordinaten-Nullpunkt zurückdrängen und die Antastkraft für den Taststift 9 darstellen.

Weitere Federn 24 sind in Z-Richtung zwischen den Scheiben 3, 4 und 5 vorgesehen, um zwischen diesen Scheiben eine spielfreie Lagerung zu erhalten. Dabei sind die Federn 24 in der oberen und unteren Scheibe 3 und 5 befestigt, um die gewünschte Feder­ wirkung zuzulassen.

Die obere Scheibe 3 der Schiebeelemente ist gleichzeitig auch Aufnahme für die Auslenkmechanik des Taststiftes in Z-Richtung. Die Auslenkmechanik befindet sich in einem Gehäuse 25, das fest mit der Scheibe 3 verbunden und oberhalb der Scheibe 3 in Z- Richtung ausgedehnt ist. Die Auslenkmechanik besteht aus der dreifachen Kugelführung 26 und 27 der Taststiftaufnahme sowohl zentral um den Hohlzylinder 21 als auch um zwei zueinander be­ abstandete Führungsstäbe 28, die mit der oberen Scheibe 3 be­ festigt sind und eine Adapterplatte 29 tragen, auf welcher die Glasmaßstäbe 30, 31 der Wegaufnehmer für die X- und Y-Richtung aufgebracht sind. Die Kugelführungen 26, 27 sind als vorge­ spannte Kugelführungen ausgeführt.

Über den Glasmaßstäben 30, 31 ist auf einem Gehäuseabsatz 32 eine Platte 33 fest eingebaut, welche die Leseköpfe 34, 35 für die Glasmaßstäbe 30, 31 trägt und ortsfest in Position hält.

Der Wegaufnehmer für die Z-Koordinate ist aus den Fig. 5 und 6 erkenntlich. An dem oberen Block 19 der Taststiftaufnah­ me 18 ist der in Z-Richtung ausgedehnte Glasmaßstab 36 vorge­ sehen. In ortsfester Position ist dem Glasmaßstab 36 gegenüber­ liegend im Gehäuse 25 für die Auslenkmechanik der Lesekopf 37 eingebaut. Bei einer Bewegung des Taststiftes 9 in Z-Richtung erfolgt eine gleichsinnige Bewegung der Taststiftaufnahme mit dem Glasmaßstab 36. Diese Z-Achsen-Bewegung wird durch den Le­ sekopf erfaßt und an die Maschinensteuerung weitergeleitet. Die gleiche Funktion erfolgt bei Bewegungen des Taststiftes 9 in die X- oder Y-Richtungen. Die Bewegungsrichtungen des Taststif­ tes 9 zusammen mit der Taststiftaufnahme und die Größe dieser Bewegungen wird also aufgenommen und ausgewertet. Bei der Aus­ lenkung des Taststiftes 9 bei Antastung an ein Werkstück in den X- und Y-Richtungen findet jeweils eine geradlinige Bewegung der Führungsplatten 7 und 6 sowie eine ebenfalls begrenzte ge­ radlinige Bewegung gegen die Kraft von Federn durch die Schie­ betische 11 und 14 statt.

Aus Fig. 5 ist weiterhin erkenntlich, daß auch der Block 19 der Taststiftaufnahme 18 unter der Wirkung von Federn 38, bei­ spielsweise Druckfedern, steht. Diese Druckfedern 38 sorgen für einen gewissen Gewichtsausgleich und halten die Taststiftauf­ nahme in Z-Richtung in vorbestimmter Position.

Aus dem oberen Block 19 der Taststiftaufnahme 18 ragt ferner eine Feder 39 hervor, die über eine Mutter 40 und eine Spindel 41 in Zusammenwirken mit einem Motor 42 fur einen automati­ schen Gewichtsausgleich sorgt.

Anstelle der jeweils genannten Federn für die Beschaffung von Rückstellkräften können auch magnetische Rückstellkräfte ein­ gesetzt sein.

Claims (12)

1. Tastkopf für Koordinatenmeßeinrichtungen mit einem in den Koordinatenrichtungen in Geradführungen gleichzeitig frei bewegbaren, auswechselbaren Taststift, der mit Wegaufneh­ mern zur Erfassung der Richtung und der Größe der Auslen­ kung bei Antastung an ein Meßobjekt in Verbindung steht und durch Rückstellkräfte für die Einnahme der Koordinaten­ nullage beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführungen in die X- und Y-Koordinate durch Schiebeelemente (3, 4, 5, 11, 14) gebildet sind, die in entsprechenden Ausnehmungen (10, 13) in Scheiben, Platten oder dergleichen (4, 5) um 90° zueinander bewegbar angeord­ net sind, die in der Z-Koordinate übereinander liegen, wo­ bei die Schiebeelemente (3, 4, 5, 11, 14) mit der Tast­ stiftaufnahme (18) in Wirkverbindung stehen, und ferner eine Auslenkmechanik für die Z-Koordinate vorgesehen ist.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der ersten Scheibe oder Platte (4) eine rechteck­ förmige Ausnehmung (10) in der X-Koordinate und in der zweiten Scheibe oder Platte (5) eine rechteckförmige Aus­ nehmung (13) in der Y-Koordinate vorgesehen ist,
daß die Schiebeelemente (11, 14) einen im wesentlichen rechteck­ förmigen Ringquerschnitt aufweisen, dessen Längenausdeh­ nung in der X- bzw. der Y-Koordinate kürzer als die ent­ sprechende Ausnehmung (10, 13) in der entsprechenden Scheibe oder Platte (4, 5) ist, und
daß die innere Längenausdehnung des freien Querschnitts der Schiebeelemente (11, 14) in der X- bzw. der Y-Koordi­ nate größer ist als die alle Schiebeelemente (11, 14) in der Z-Koordinate durchdringende Taststiftaufnahme (18, 21).

3. Taststift nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taststiftaufnahme (18) aus einer Endscheibe gebil­ det ist, an die in Z-Richtung zentral ein Stab zur Aufnah­ me des Taststiftes (9) vorgesehen ist und die Taststiftauf­ nahme (18) unter der Wirkung einer in Z-Richtung wirkenden Rückstellkraft steht.

4. Taststift nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taststiftaufnahme (18) einen oberen Block, Scheibe oder dergleichen (19) aufweist, der über einen zentralen Hohlzylinder (21) mit der unteren Taststiftaufnahme (20) verbunden ist und in Z-Richtung durch Kugelführungen beweg­ bar ist.

5. Tastkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Scheibe (3) der Schiebeelemente die Auslenk­ mechanik (26, 28, 27) innerhalb eines Gehäuses (25) trägt, welches kopfseitig die Glasmaßstäbe (30, 31) für die Weg­ aufnehmer in X- und Y-Richtung aufnimmt.

6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Endscheibe (3) der Taststiftaufnahme und der axial darunter angeordneten mittleren Scheibe oder Platte (4) sowie zwischen der mittleren und der unteren Scheibe oder Platte (4, 5) jeweils Lageranordnungen für eine definierte Bewegung in die X- bzw. Y-Koordinate vor­ gesehen sind.

7. Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnungen aus in Nuten oder Rillen (17) der Endscheibe (3) und den mittleren und unteren Schei­ ben (4, 5) eingesetzte mechanische Elemente (16) gebildet sind.

8. Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnungen wahlweise als Wälzlagerungen oder als Luftlager ausgebildet sind.

9. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheibe (3) die Auslenkmechanik für die Bewe­ gung des Taststiftes (9) in die Z-Koordinate trägt.

10. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegaufnehmer Auflichtmeßsysteme sind, welche aus Maßstäben (30, 31, 36) in den Koordinatenrichtungen gebil­ det sind, die mit Leseköpfen (34, 35, 37) in Wirkverbin­ dung stehen.

11. Tastkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßstäbe (30, 31, 36) für die Bewegung des Tast­ stiftes in die X-, Y- und Z-Koordinaten mit der Taststift­ aufnahme (18) verbunden sind, während die jeweils zugeord­ neten Leseköpfe (34, 35, 37) fest im Gehäuse (2) des Tast­ kopfes (1) eingesetzt sind.

12. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (2) des Tastkopfes (1) ein motorisch ge­ steuerter Gewichtsausgleich für den Einsatz von verschiede­ nen Taststiften bzw. Taststift-Kombinationen vorgesehen ist.