DE4214640A1 - Tastkopf fuer koordinatenmesseinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für Koordinatenmeßein­ richtungen und für den Einsatz in Bearbeitungsmaschinen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solcher Tastkopf ist als dynamischer Tastkopf aus der DE 37 27 923 A1 bekannt. Der in einen Taststifthalter einge­ setzte Taststift steht unter der Wirkung eines Federpaketes aus übereinander angeordneten Scheiben, die gelenkig an den Seitenkanten miteinander verbunden sind. Dadurch ergeben sich definierte Kippachsen. Die Scheiben sind als Blattfedern aus­ gebildet, so daß eine Rückstellung des Taststiftes aus der X- und Y-Koordinatenauslenkung in die Ruhelage erfolgt. Die Rückstellkräfte für die Z-Koordinate werden durch eine zen­ tral eingesetzte Schraubendruckfeder gebildet, die auf den Kopf des Taststifthalters wirkt. Ein solcher Tastkopf hat nur eine geringe Baugröße und zeichnet sich durch eine gute Funk­ tionsweise aus. Allerdings ist ein sogenannter Überlauf nach Antastung an einen Gegenstand zur Bruchsicherung des Tast­ kopfes bzw. des Taststiftes nicht eingerichtet.

Die DE 23 65 984 C3 offenbart einen Tastkopf, bei dem der eingesetzte Taststift durch radial vom Tasterschaft wegra­ gende Stützflächen auf drei in einer Halterung angeordnete Kontaktstücke gelagert ist. Diese Kontaktstücke bilden zusam­ men mit der jeweils zugehörigen Stützfläche elektrische Schalter in einem gemeinsamen Schaltkreis. Mindestens einer dieser Schalter öffnet bei einer Tasterauslenkung aus der Null- oder Ruhelage durch Abheben einer Stützfläche vom zuge­ hörigen Kontaktstück. Um ein einwandfreies Meßsignal zu er­ halten, müssen alle drei Schalter in der Null-Lage geschlos­ sen sein, was nur über Zentrierkörper möglich ist. Außerdem ist eine Bruchsicherung bei diesem Tastkopf nicht vorgesehen.

Schließlich ist aus der WO 90/00716 noch ein Tastkopf für Meßeinrichtungen bekannt, der dem Aufbau und der Funktions­ weise des Tastkopfes aus der DE 37 27 923 A1 dem Grunde nach entspricht. Mehrere übereinanderliegende Platten sind jeweils paarweise durch außen auf die Stirnkanten aufgesetzte Federn zusammengehalten, wodurch sich ein in den X- und Y-Richtungen exakt auslenkbarer Taststift ergibt. Zwischen den Platten sind Schalterkontakte eingerichtet. Ferner sind zwischen den axial übereinander angeordneten Platten Scheibenfedern vorge­ sehen, um die Platten nach Antastung exakt in die Ruhelage zurückzuführen. Dieser Tastkopf ist relativ aufwendig aufge­ baut und gibt darüberhinaus keinen Hinweis auf eine Bruchsi­ cherung.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der Erfindung einen Tastkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, der definiert in die X- und Y-Koordinatenrich­ tungen auslenkbar ist und mit einer Bruchsicherung für den Taststift und die Bauelemente des Tastkopfes versehen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Taststifthalter bei Antastung des Taststiftes an einen Gegen­ stand aus einer ersten Ringauflage heraus gegen Rückstell­ kräfte in einer ersten Ebene bis gegen Meßkontakte auslenkbar und aus einer zweiten, nachgeordneten Ringauflage heraus ge­ gen weitere Rückstellkräfte in einer zweiten Ebene, jedoch mit gleicher Kipprichtung, zusätzlich auslenkbar ist.

Bei einer Tasterauslenkung erfolgt also eine Kontaktringbe­ rührung, wodurch einmal eine Meßwerterfassung ausgelöst wird und zum anderen ein Maschinenstop befohlen wird. Trotz dieses sofortigen Stop-Signals für die Maschine bzw. für den Meß­ schlitten mit dem Meßkopf verfährt die Meßmaschine bzw. der Meßschlitten bis zum endgültigen Halt noch einen Überlauf von einigen Millimetern. Dieser Überlauf kann zu Beschädigungen des Meßkopfes bzw. des Taststiftes führen, wenn keine Vorsor­ gemaßnahmen getroffen werden. Die Vorsorgemaßnahme bei dem erfindungsgemäßen Tastkopf liegt nun darin, daß der Tast­ stifthalter aus einer zweiten, nachgeordneten Ringauflage heraus gegen Rückstellkräfte zusätzlich zur ersten Auslenkung auslenkbar ist. Dadurch wird wirkungsvoll eine mögliche Be­ schädigung des Taststifthalters bzw. des Taststiftes vermie­ den. Aufgrund der eingesetzten Rückstellkräfte gelangt der Taststifthalter zusammen mit dem eingesetzten Taststift wie­ der in die Ruhelage zurück.

In Ausbildung der Erfindung kann der Taststifthalter kopfsei­ tig eine Scheibe mit umlaufendem Ringsteg aufweisen, der auf einem Auflagerring aufsteht und entgegengesetzt zum Ringsteg in der Scheibe einen Kontaktring elektrisch isoliert auf­ nimmt, der zu einem zweiten Kontaktring in der Ruhelage axial beabstandet ist, welcher in einem glockenförmigen Gehäuse elektrisch isoliert eingesetzt ist, dessen umlaufender Ring­ steg auf einen zweiten Auflagerring aufsteht, der sich zum Auflagerring des Taststifthalters in einer zweiten Ebene be­ findet, wobei der Taststifthalter und das glockenförmige Ge­ häuse unter der Wirkung von Rückstellkräften in der Ruhelage stehen. Damit ruht der Taststifthalter mit einem kopfseitigen Auflagerring auf einer gehäusefesten Auflage und hat in der Ruhelage keinerlei Schaltkontakte. Erst bei Auslenken des Taststiftträgers bei Antastung des Taststiftes an einen Meß­ gegenstand gelangt der Kontaktring des Taststifthalters an einem beliebigen Punkt in Kontakt mit dem Kontaktring im glockenförmigen Gehäuse. Durch den nur sehr geringen Abstand zwischen den beiden Kontaktringen erfolgt die Kontaktschließung der beiden Kontaktringe sehr schnell und bereits bei ei­ ner sehr kleinen Auslenkung des Taststiftes. Da der mit einem Bewegungsschlitten verbundene Tastkopf trotz des durch den Schaltkontakt ausgelösten Befehls auf einen Maschinenstop nicht sofort anhalten kann und noch eine kurze Strecke in Be­ wegung bleibt, erfolgt bei gleichzeitiger Anlage des Tast­ stiftes an den Meßgegenstand eine verstärkte Auslenkung des Taststifthalters. Um nun einen Bruch zu vermeiden, kippt der umlaufende Ringsteg des glockenförmigen Gehäuses um die glei­ che Bewegungsachse und erlaubt damit dem Taststifthalter ei­ nen größeren Auslenkweg.

Um eine einwandfreie Rückführung des Taststifthalters in die Ruhelage zu ermöglichen, sind nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Rückstellkräfte aus übereinander angeordne­ ten Federpaketen gebildet, die im Tastkopfgehäuse ortsfest eingesetzt sind. Diese beiden Federpakete bestehen in vor­ teilhafter Ausbildung der Erfindung aus einem einzigen Ge­ bilde. Das obenliegende Federpaket erlaubt eine gerichtete Auslenkung des Taststifthalters bis zur Kontaktgabe über die Kontaktringe, während das darunter angeordnete Federpaket die in gleicher Richtung gerichtete Auslenkung im Überlauf ermög­ licht. Dazu sind beide Federpakete geeignet, den Taststift­ halter nach erfolgter Antastung und dem Stillstand der Ma­ schine wieder in die Ruhelage zurückzuführen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.

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

Fig. 1 einen Tastkopf mit Bruchsicherung und überein­ anderliegenden Federpaketen im Schnitt,

Fig. 2 eine Ringauflage gemäß dem Ausschnitt nach II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ringauflage nach einem Ausschnitt III in Fig. 1,

Fig. 4 das in den Tastkopf nach Fig. 1 eingesetzte einstückige Federpaket in Seitenansicht,

Fig. 5 eine Darstellung von Querschnitten durch die Lamellen des oberen Teiles des Federpaketes nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Darstellung von Querschnitten des unteren Teiles des Federpaketes nach Fig. 4.

Der Tastkopf 1 für Koordinatenmeßeinrichtungen oder für den Einsatz in Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Werkzeugma­ schinen, besteht aus einem Tastkopfgehäuse 2, welches unten durch einen topfförmigen Gehäuseboden 3 abgeschlossen ist. Zwischen dem Tastkopfgehäuse und dem Anschluß des Gehäusebo­ dens ist eine Ringdichtung 4 eingesetzt. Kopfseitig ist das Tastkopfgehäuse 2 in Form eines zylindrischen Mantels durch einen Gehäusedeckel 5 begrenzt, welcher die Verbindung zu dem hier nicht gezeigten Führungsschlitten einer Meßeinrichtung oder zu einem ebenfalls nicht gezeigten Aufnahmefutter einer Werkzeugmaschine bildet.

Auf der Längsachse 6 des Tastkopfgehäuses 2, welche gleich­ zeitig die Z-Koordinatenachse darstellt, befindet sich der Taststifthalter 7, welcher kopfseitig durch eine Scheibe 8 begrenzt ist, die an ihrem radial äußeren Rand einen Ringsteg 9 einstückig aufweist. Der Taststifthalter 7 ist ausgangssei­ tig am Gehäuseboden 3 in einem Bodenstück 10 geführt, welches zum Gehäuseboden und zum Taststifthalter 7 jeweils eine Ring­ dichtung 11 und 12 vorsieht. In den Taststifthalter 7 ist auf der Z-Koordinatenachse 6 ein Taststift 13 eingesetzt. Dieser Taststift kann ein einzelner, in Z-Koordinatenachse ausge­ richteter Stift oder aber auch ein Taststiftbaum sein.

In einem axialen Abstand über der Scheibe 8 des Taststifthal­ ters 7 befindet sich die Bodenfläche eines glockenförmigen Innengehäuses 14 mit einem radial außenliegenden Ringsteg 15, welcher radial außen am Ringsteg 9 des Taststifthalters 7 vorbeigeführt ist. Der Ringsteg 15 ruht im wesentlichen ganz­ flächig auf einer planaren, sehr präzis gearbeiteten Ringauf­ lage 16 gemäß Fig. 3, wobei die Auflageflache des Ringsteges 15 durch keilförmige Formgebung im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm sehr klein gehalten ist. Dadurch entsteht eine Ab­ stützfläche 17 des Ringsteges 15 von nahezu linienförmiger Ausdehnung. Die Ringauflage 16 wird durch ein innenliegendes Topfgehäuse 18 gebildet, welches sich axial auf dem Boden­ stück 10 und dem Gehäuseboden 3 abstützt.

Das Topfgehäuse 18 weist eine axiale Auflagefläche 19 auf, auf welcher das Federpaket 20 gemäß Fig. 4 aus einem unteren Lamellenpaket 22 und einem oberen Lamellenpaket 21 gebildet ist. Das obere Lamellenpaket 21 hat einen gegenüber dem unte­ ren Lamellenpaket 22 geringeren Durchmesser, wodurch auf dem unteren Lamellenpaket 22 eine Ringfläche 23 entsteht, auf welcher ein Stützring 24 mit einer oberen, planaren und sehr genauen Ringauflage 25 aufsitzt. Der Ringsteg 9 des Tast­ stifthalters 7 ist endseitig durch konische Formgebung mit einer sehr dünnen, nahezu linienförmigen Abstützfläche 26 ge­ mäß Fig. 2 versehen, welche auf der Ringauflage 25 ringför­ mig aufsteht.

In der kopfseitig angeordneten Scheibe 8 des Taststifthalters 7 befindet sich in einer Ringnut 27 innerhalb einer elektri­ schen Isolierung 28 ein Kontaktring 29. In einem geringen axialen Abstand von etwa 0,1-0,2 mm befindet sich in Zuord­ nung zu diesem ersten Kontaktring 29 ein zweiter Kontaktring 30 innerhalb einer elektrischen Isolierung 31 in einer Ring­ nut 32 des glockenförmigen Gehäuses 14.

Auf die Oberseite des glockenförmigen Gehäuses 14 liegt eine in der Z-Koordinatenachse 6 ausgerichtete Druckfeder 33, die sich am Gehäusedeckel 5 abstützt.

In einer zentralen Bohrung 34 des Taststifthalters 7 ist ebenfalls eine Druckfeder 35 eingesetzt, die in eine zentrale Bohrung 36 des glockenförmigen Gehäuses 14 hineinragt und ge­ gen eine Scheibe 37 ansteht, die innerhalb der Bohrung 36 des Gehäuses 14 beispielsweise durch eine Gewindeverbindung axial verschieblich ist und dadurch eine Einstellung der Druckkräf­ te erlaubt. Durch diese Druckfeder 35 kann somit der axiale Abstand zwischen den beiden Kontaktringen 29 und 30 einge­ stellt werden.

Wie sich aus Fig. 4 zeigt besteht das Federpaket 20 aus ei­ nem unteren Lamellenpaket 22 und einem einstückig mit diesem verbundenen oberen Lamellenpaket 21. Dabei ist das obere La­ mellenpaket im Durchmesser kleiner, wodurch eine Ringfläche 23 gebildet wird. Das obere wie auch das untere Lamellenpaket ist jeweils gebildet durch eine obere und untere Endscheibe, von denen die beiden Endscheiben 39 und 40 miteinander ver­ bunden bzw. einstückig miteinander ausgebildet sind. Jeweils zwischen den Endscheiben 38 und 39 sowie zwischen den End­ scheiben 40 und 41 des oberen Lamellenpaketes 21 befinden sich scheibenförmige Lamellen 42 und 43, die alle untereinan­ der verbunden sind. Alle Lamellen 42 und 43 sind in einem ge­ ringen Abstand übereinander angeordnet. Wie aus den Fig. 5 und 6 zu ersehen ist, sind die Verbindungen der scheibenför­ migen Lamellen 42 und 43 untereinander durch jeweils um 72° zueinander versetzte Segmentstücke vorgenommen worden. Die axialen Abstände der scheibenförmigen Lamellen 42 und 43 zu­ einander können durch Einstiche beispielsweise im Funkenero­ sionsverfahren gebildet sein. Die Bauweise dieses Lamellenpa­ ketes 20 erlaubt unabhängige Bewegungsabläufe des oberen und unteren Lamellenpaketes. Die Lamellen 42 und 43 wirken mit ihren jeweiligen Verbindungen 44 und 45 als einseitig ange­ lenkte Federn mit dem Bestreben, immer die in Fig. 4 darge­ stellte Ruhelage einzunehmen.

Der jeweilige Versatz der Segmentstücke 44 und 45 um 72° ist aus den Schnittlinien A-A bis M-M erkenntlich.

Die Wirkungsweise dieses Tastkopfes ist wie folgt:

Bei Antastung des Taststiftes 13 mit der Tastkugel 48 an ein Werkstück 46, welches sich auf einer Meßtischplatte 47 befin­ det, wird der Taststift 13 in der Koordinatenrichtung X in der Fig. 1 nach rechts ausgelenkt. Durch diese Auslenkung erfolgt ein Kippen des Taststifthalters 7 über die Ringauf­ lage 25, wodurch es zu einem sofortigen Kontakt zwischen den beiden Kontaktringen 29 und 30 kommt. Durch diesen Kontakt der beiden Kontaktringe 29 und 30 wird äquivalent einem ge­ schlossenen Schalter ein Signal erzeugt, welches in einer Si­ gnalauswerteschaltung als Meßsignal aufgenommen wird und gleichzeitig umgesetzt wird in ein Signal für den Stop des Tastkopfes 1 in der entsprechenden Verfahrrichtung. Wie in schematischer Darstellung aus Fig. 1 hervorgeht, sind die beiden Kontaktringe 29 und 30 durch Signalleitungen 49 mit der Signalauswertung 50 verbunden, die ihrerseits über eine weitere Leitung 51 mit einer Maschinensteuerung 52 verbunden ist.

Durch die Kontaktberührung zwischen den beiden Kontaktringen 29 und 30 kommt es zu einem axialen Druck des glockenförmigen Gehäuses 14, welcher von der Druckfeder 33 aufgefangen wird. Gleichzeitig öffnen die scheibenförmigen Lamellen 42 des obe­ ren Lamellenpaketes 21 in der entsprechenden Verfahrrichtung des Tastkopfes (X-Koordinate). Durch dieses Öffnen der Schei­ ben 42 über Segmentstücke 44 entstehen Rückstellkräfte im oberen Lamellenpaket 21. Trotz des sofort eingeleiteten Ma­ schinenstops kommt es natürlich nicht zu einem sofortigen Stillstand des Tastkopfes in der Verfahrrichtung, sondern zu einem gewissen Überlauf von etwa 1 mm-5 mm. Erst dann kann die dynamische Bewegung des Tastkopfes 1 in der Verfahrrich­ tung zum Stillstand gebracht werden. Dieser Überlauf würde nun bei einem starren Gebilde zum Bruch, zumindest aber zu Beschädigungen im Tastkopf bzw. am Taststifthalter 7 führen. Bei diesem Überlauf bis zum endgültigen Maschinenstop wird das glockenförmige Gehäuse 14 durch die weitere Schräglage des Taststifthalters 7 axial angehoben. Dieses einseitige axiale Anheben ist möglich durch ein Kippen des Ringstegs 15 über die Ringauflage 16. Dieses axiale Anheben und Kippen ge­ schieht gegen die Federwirkung der scheibenförmigen Lamellen 43 im unteren Lamellenpaket 22. Sobald die Maschine zum Stillstand gekommen ist und aus der Überlaufanlage am Werk­ stück zurückfährt, nimmt der Taststifthalter 7 sofort wieder seine in Fig. 1 gezeigte Ruhelage aufgrund der Rückstell­ kräfte der Druckfeder 33 sowie der Lamellen 42 und 43 des oberen und unteren Lamellenpaketes 21 und 22 ein.

Claims (8)

1. Tastkopf für Koordinatenmeßeinrichtungen und für den Einsatz in Bearbeitungsmaschinen, mit einem Taststifte auf­ nehmenden Taststifthalter, der um eine von der zentralen Z- Achse immer gleich weit entfernte Kippachse auslenkbar ausge­ bildet ist und mit einem Federpaket mit gleichlangen Hebelar­ men in Verbindung steht, sowie mit einer elektromechanischen, induktiven oder optischen Signalübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststifthalter (7) bei Antastung des Taststiftes (13) an einen Gegenstand (46) aus einer ersten Ringauflage (25) heraus gegen Rückstellkräfte (33, 42) in einer ersten Ebene bis gegen Meßkontakte (29, 30) auslenkbar und aus einer zweiten, nachgeordneten Ringauflage (16) heraus gegen weitere Rückstellkräfte (43) in einer zweiten Ebene, jedoch mit glei­ cher Kipprichtung, zusätzlich auslenkbar ist.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststifthalter (7) kopfseitig eine Scheibe (8) mit umlaufendem Ringsteg (9) aufweist, der auf einem Auflagerring (24) aufsteht, und entgegengesetzt zum Ringsteg (9) in der Scheibe (8) einen Kontaktring (30) elektrisch isoliert auf­ nimmt, der zu einem zweiten Kontaktring (30) in der Ruhelage axial beabstandet ist, welcher in einem glockenförmigen Ge­ häuse (14) elektrisch isoliert eingesetzt ist, dessen umlau­ fender Ringsteg (15) auf einem zweiten Auflagerring (18) auf­ steht, der sich zum Auflagerring (24) des Taststifthalters (7) in einer zweiten Ebene befindet, wobei der Taststifthal­ ter (7) und das glockenförmige Gehäuse (14) unter der Wirkung von Rückstellkräften (33, 42, 43) in der Ruhelage stehen.

3. Tastkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkräfte (42, 43) für die Rückführung des Taststifthalters (7) in die Ruhelage aus den X- und Y-Koordi­ natenrichtungen aus übereinander angeordneten Lamellenpaketen (21, 22) gebildet sind, die im Tastkopfgehäuse (2) ortsfest eingesetzt sind.

4. Tastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kopfseitige Scheibe (8) des Taststifthalters (7) in Abstimmung mit der ersten Ringauflage (25) auf dem ersten La­ mellenpaket (21) aufliegt, während der erste Auflagerring (24) axial auf dem zweiten Lammellenpaket (22) ruht, das sei­ nerseits axial auf einer Auflagefläche (19) des gehäuseseitig ortsfesten zweiten Auflagerringes (18) aufliegt.

5. Tastkopf nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Lamellenpaket (21, 22) einstückig miteinander ausgebildet sind.

6. Tastkopf nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Lamellenpakete (21, 22) aus sechs im axialen Abstand übereinander angeordneten Platten, Scheiben, Lamellen (42, 43) oder dergleichen gebildet ist, die jeweils über ei­ nen Randabschnitt (44, 45) zu einem einstückigen Block zusam­ mengefaßt sind, wobei die Randabschnitte (44, 45) im Uhrzei­ gersinn jeweils um 72° zueinander versetzt sind.

7. Tastkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lamellenpaket (21) einen geringeren Außendurch­ messer aufweist als das darunterliegende zweite Lamellenpaket (22), und daß der erste Auflagerring (24) auf dem so gebilde­ ten überstehenden Flanschring (23) des zweiten Lamellenpake­ tes (22) aufliegt.

8. Tastkopf nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringsteg (9) des Taststiftes (7) und der Ringsteg (15) des glockenförmigen Gehäuses (14) stirnseitig keilförmig mit nahezu linienförmiger Auflagefläche (16, 25) ausgebildet sind.