DE4308823A1 - Messender Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte - Google Patents
Messender Tastkopf für KoordinatenmeßgeräteInfo
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Description
Die derzeit im Einsatz an Koordinatenmeßgeräten
befindlichen messenden Tastköpfe wie sie beispielsweise in
der US-PS 3869799 beschrieben sind, bauen dann, wenn sie
ausreichend große Auslenkwege für den Taststift zulassen,
relativ groß und schwer und werden deshalb stets in einer
bevorzugten Einbaulage, in der Regel vertikal hängend
betrieben. Zur Anpassung an unterschiedliche Geometrien der
zu vermessenden Objekte werden dann die
Taststiftkonfigurationen am beweglichen Teil des Tastkopfs
teils auch automatisch aus einem Magazin heraus
eingewechselt. Für den automatischen Wechsel lassen sich
jedoch nur immer eine begrenzte Anzahl von
Tasterkonfigurationen im Magazin vorrätig halten.
Es ist auch bereits bekannt, Tastköpfe an sogenannten Dreh-
Schwenkgelenken zu betreiben. Das hat den Vorteil, daß die
Taststiftlängsachse mittels des Dreh-Schwenkgelenks in eine
Vielzahl von unterschiedlichen Raumrichtungen ausgerichtet
werden kann. In Verbindung mit solchen Dreh-Schwenkgelenken
werden jedoch hauptsächlich abhaltende Tastsysteme
eingesetzt. Denn diese eignen sich dafür vor allem wegen
ihres geringen Gewichts verbunden mit einem relativ großen
Auslenkweg. Vereinzelt sind auch spezielle, klein bauende
messende Tastköpfe z. B. der unter der Bezeichnung TP5 von
der Firma Renishaw vertriebene Tastkopf an ein Dreh-
Schwenkgelenk angebaut worden. Diese Tastköpfe besitzen
jedoch nur einen sehr geringen Meß- und Auslenkweg und sind
deshalb im Einsatz schwer beherrschbar. Insbesondere wenn
im sogenannten scannenden Betrieb der Taststift unter
dauernder Werkstückanlage verfahren wird, begrenzen die
sehr geringen Meß- und Auslenkwege für den Taststift die
möglichen Scangeschwindigkeiten.
In der Koordinatenmeßtechnik wird aber die Ermittlung der
Formgenauigkeit von Meßelementen immer wichtiger, so daß
Vielpunktmessungen im schnellen Scanningbetrieb
wünschenswert sind. Für diese Aufgaben wäre ein messender
Tastkopf prädestiniert, dessen Taststiftachse über ein
Dreh-Schwenkgelenk in jeder Raumrichtung ausgerichtet
werden kann.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen
messenden Taster zu schaffen, der für den Betrieb an einem
Dreh-Schwenkgelenk geeignet ist und ausreichend große
Meßbereiche besitzt bzw. Auslenkbewegungen des Taststifts
zuläßt.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen dadurch gelöst, daß der allseitig auslenkbare
Teil des Tastkopfs, der den Taststift trägt, über zwei
beabstandete Drehgelenke und eine Linearführung gelagert
ist.
Zwar sind bereits messende Tastköpfe bekannt, deren
allseitig auslenkbares Teil des Tastkopf es über Drehgelenke
und Linearführungen gelagert ist. Bei diesen beispielsweise
in der US-PS 4937948 und 4882848 beschriebenen Tastköpfen
sind die Drehgelenke jedoch in der Regel senkrecht
zueinander und zur Taststiftlängsachse ausgerichtet und
schneiden sich mit dieser in einem gemeinsamen Punkt.
Hingegen ist es gemäß der vorliegenden Erfindung
wesentlich, daß die beiden Drehgelenke voneinander
beabstandet sind und vorzugsweise mit ihren Drehachsen
parallel zur Taststiftlängsachse ausgerichtet sind. Denn mit
dieser Maßnahme wird es möglich, die Lageranordnung aus den
beiden Drehachsen und der Linearführung um den Aufnahmekopf
eines Dreh-Schwenkgelenkes herum anzuordnen. Hierbei wird
der meist ohnehin beschränkte Einbauraum an der bereits mit
einem Dreh-Schwenkgelenk ausgerüsteten Pinole eines
Koordinatenmeßgerätes optimal genutzt. Ein besonderer
Vorteil ist auch darin zu sehen, daß in dieser Anordnung
die Taststiftachse parallel zu sich selbst in allen drei
Koordinatenrichtungen bewegt wird und somit auch mit langen
Taststiften in tiefen Bohrungen gemessen werden kann, ohne
daß die Gefahr von Schaftantastungen besteht.
Für die Erzielung möglichst symmetrischer Auslenkwege ist
es zweckmäßig, wenn die Taststiftlängsachse etwa den
gleichen Abstand zu den beiden Drehachsen der beiden
Drehgelenke besitzt und die Durchstoßpunkte der Drehachsen
und der Taststiftlängsachse durch eine senkrecht zu den
Achsen angeordnete Ebene einen rechten Winkel bilden.
Die Drehachsen können als Wälzlager oder auch als
Kreuzfedergelenke ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn eines der beiden Drehgelenke als kombiniertes
Drehlager und Linearführung ausgebildet ist. Denn auf diese
Weise läßt sich relativ hohe Genauigkeit bei gleichzeitig
geringer Masse erzielen. Für diesen Zweck ist
beispielsweise eine sogenannte Kugelführung geeignet. Es
ist jedoch auch möglich, die Linearführung als
Federparallelogrammführung auszubilden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Fig. 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei
ist
Fig. 1 eine vereinfachte Prinzipskizze, die einen an ein
Dreh-Schwenkgelenk angebauten messenden Tastkopf
teils in Ansicht teils im Schnitt in der Ebene
der Taststiftlängsachse zeigt;
Fig. 2 zeigt die Rückseite des Tastkopfs aus Fig. 1
teils in Ansicht teils im Schnitt in der Ebene
der Taststiftlängsachse;
Fig. 3 zeigt den Tastkopf aus Fig. 1 in Aufsicht in
Richtung der Linie III/III in Fig. 1;
Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für
den an ein Dreh-Schwenkgelenk angebauten
Tastkopf;
Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur
Lagerung des Taststiftträgers des Tastkopfes nach
Fig. 1 bis 3 in vergrößertem Maßstabe, teils in
Seitenansicht teils im Schnitt entlang der
Taststiftlängsachse.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist mit (1) das
Dreh-Schwenkgelenk bezeichnet, an das der erfindungsgemäße
Tastkopf angesetzt ist. Das Dreh-Schwenkgelenk besitzt ein
feststehendes, an den Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes
anzubauendes zylindrisches Teil (2). In diesem ist entweder
kontinuierlich oder in festen Schritten wie durch den
Pfeil (5) verdeutlicht drehbar das Kopfteil (3) des Dreh-
Schwenkgelenkes gelagert. Letzteres enthält ein zweites
Drehlager, mit dem die Aufnahme für den mit (4)
bezeichneten Wechselteller um die zweite, senkrecht zur
ersten Drehachse ausgerichtete Schwenkachse wie durch den
Pfeil (6) verdeutlicht verschwenkt werden kann. Solche
Dreh-Schwenkgelenke sind an sich bekannt und beispielsweise
in der US-PS 4888877 und in der Firmenschrift der
Anmelderin Nr. 60-20-052-d Druckvermerk IMS-X/87-poo mit
dem Titel "DSE 05 Dreh-Schwenk-Einrichtung" beschrieben.
Der an dieses Dreh-Schwenkgelenk angesetzte messende
Tastkopf ist folgendermaßen aufgebaut: auf dem von der
elektromagnetischen Wechselvorrichtung des Dreh-
Schwenkgelenks gehaltenen Wechselteller (4) ist über ein
Drehgelenk (11) ein Winkelstück (12) auslenkbar gelagert,
welches der Form des Kopfes (3) des Dreh-Schwenkgelenk
folgend so um dieses herum gelegt ist, daß der eine
Schenkel (12a) des Winkels parallel zum Wechselteller (4)
liegt und der zweite Schenkel (12b) des Winkels (12)
entlang der Seite des Kopfes (3) in Richtung auf dessen
Rückseite vorspringt. Die Drehachse des Drehgelenks (11)
ist mit (7) bezeichnet. Zwei Federn (14) und (15) stellen
in Verbindung mit Anschlagflächen (13) am Winkel (12)
sicher, daß dieser aus der gezeichneten Stellung (Fig. 3)
nach beiden Seiten um die Achse (7) ausgelenkt werden kann.
Am Schenkel (12b) des Winkels (12) ist ein zweites
Drehgelenk (16) befestigt, mit dessen Hilfe ein
Aufnahmehebel (17) um die Achse (8) des Drehgelenks (16)
verschwenkt werden kann. Der Aufnahmehebel (17) erstreckt
sich unterhalb des Kopfteils (3) des Dreh-Schwenkgelenks
vom Schenkel (12b) parallel zum Schenkel (12a) des
Winkelteils (12) bis zu der durch den Pfeil (5)
symbolisierten Drehachse des Dreh-Schwenkgelenks (1). An
dem Hebel (17) ist der Taststift des Tastkopfes wie noch
beschrieben wird befestigt. Der Aufnahmehebel (17) ist
ebenfalls mit Hilfe von Federn (19) und (20) und
Anschlägen (18a) und (18b) in begrenztem Maße beidseitig
aus der in Fig. 3 gezeichneten Stellung auslenkbar. Die
beiden Schenkel (12a) und (12b) des Winkels (12) und der
Aufnahmehebel (17) umschließen den Aufnahmekopf (13) des
Dreh-Schwenkgelenks halbseitig nach Art einer Würfelecke.
An den Aufnahmehebel (17) ist eine zylindrische Hülse (24)
angesetzt, in der ein gegen zwei Federn (25) und (26)
längsverschieblicher Träger (27) für einen Taststift (9)
geführt ist. Der Taststift (9) ist an dem Träger (27) über
eine klemmbare Aufnahme (30) befestigt. Zur Begrenzung der
Linearbewegung dient ein zylindrischer Bund (29) im
Träger (27) in Verbindung mit Anschlagflächen in der
Hülse (24).
Die beschriebenen zwei Drehgelenke (11) und (16) mit ihren
Achsen (7) und (8) und die Linearführung des Trägers (27)
gewährleisten, daß sich der Taststift (9) mit der
Tastkugel (10) in allen drei Raumrichtungen auslenken läßt.
Damit im Zuge dieser Auslenkbewegungen der Tasterschaft (9)
nicht verkippt, sind die Achsen (7) und (8) der
Drehgelenke (11) und (16) parallel zueinander und zur
Taststiftlängsachse ausgerichtet. Die Lage der
Achsen (7) und (8) in Bezug auf die Taststiftlängsachse ist
außerdem so gewählt, daß die diesbezüglichen
Abstände x0 und y0 (Fig. 3) gleich groß sind und die
Durchstoßpunkte in einer zu den Achsen (7) und (8)
senkrechten Ebene mit der Taststiftlängsachse einen rechten
Winkel bilden. Auf diese Weise ist in erster Näherung die
Zuordnung der Drehbewegungen des Tasters um die
Achsen (7) und (8) zu einem rechtwinkligen
Koordinatensystem gewährleistet.
Für die Messung der Taststiftauslenkung senkrecht zur
Taststiftlängsachse ist ein zweidimensionales
photoelektrisches Sensorarray (22) auf einem am
Wechselteller (4) befestigten und von dort nach hinten bis
über den Hebel (17) vorspringenden Bügel (21) vorgesehen.
Das Sensorarry (22) wird von einem Lichtbündel punktförmig
beleuchtet, das von einer Projektionsoptik (23) im
Aufnahmehebel (17) abgestrahlt wird.
Zur Messung der Verschiebung des Taststifts (9) in Richtung
seiner Achse ist in der Hülse (24) ein
Induktivmeßsystem (31) vorgesehen.
Es ist klar, daß anstelle der beschriebenen Meßsysteme auch
andere verwendet werden können. Beispielsweise können
anstelle des Sensorarrys (22) den Drehgelenken (11) und
(16) Drehgeber oder Induktivmeßsysteme zugeordnet werden,
die dann die Schwenkbewegung des Winkels (12) bzw. des
Aufnahmehebels (17) erfassen. Um aus den Meßwerten solcher
Geber dann die exakte Position der Tastkugel (10) zu
bestimmen, müssen dann allerdings die Drehbewegungen dieser
Teile entsprechend der Hebellänge in kartesische
Koordinaten umgerechnet werden. Das Sensorarray hingegen
hat den Vorteil, daß die Position des Taststifts direkt in
kartesischen Koordinaten erfaßt werden kann.
Der in den Fig. 1 bis 3 bezeichnete Tastkopf ist stark
vereinfacht dargestellt. Da er über das Dreh-
Schwenkgelenk (1) in verschiedene Raumrichtungen
ausgerichtet werden kann, sind zusätzliche Einrichtungen
vorzusehen, mit denen die dann wechselnden Drehmomente des
Aufnahmehebels (17) und des Winkels (12) ausgeglichen
werden. Solche Einrichtungen sind an sich bekannt und
ebenfalls in der eingangs genannten US-PS 4937948
beschrieben. Gleiches gilt für Federsysteme, mit denen sich
die Meßkraft über einen bestimmten Bereich der Auslenkung
konstant halten lassen kann. Solche Federsysteme sind in
der eingangs genannten US-PS 4882848 beschrieben.
Die Drehgelenke (11) und (16) können beispielsweise als
Wälzlager oder auch als Kreuzfedergelenke weitgehend
reibungsfrei aufgebaut werden.
In Fig. 4 ist ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel
für den am Dreh-Schwenkgelenk befestigten Tastkopf
dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 bis 3 ist hier jetzt aber der Taststift (49) mit der
Tastkugel (50) starr am Aufnahmehebel (47) befestigt, der
mittels des Drehgelenks (48) um die Drehachse (8)
rotatorisch ausgelenkt werden kann. Die Achsialbewegung des
Taststifts (49) wird durch eine mit dem Drehgelenk (48)
kombinierte Linearführung (45) gewährleistet. Das kann
beispielsweise mit einer sogenannten Kugelführungsbuchse
geschehen, in der die mit dem Aufnahmehebel (47) verbundene
Welle (45) gelagert ist. Die Kugelführungsbuchse (46) ist
an dem hier mit (42) bezeichneten Winkelteil des Tastkopfs
befestigt, der das Drehgelenk (48) mit dem anderen, hier
nicht sichtbaren Drehgelenk am Wechselteller des Dreh-
Schwenkgelenks verbindet.
Die gleichzeitige Erfassung der Linear- und Schwenkbewegung
des Hebels (47) erfolgt meßtechnisch durch ein außen auf
die Buchse (46) der Kugelführung aufgebrachtes Kreuzgitter,
welches in beiden Bewegungsrichtungen durch einen am
Aufnahmehebel (47) befestigten Lesekopf (43) abgetastet
wird.
Eine weitere Ausführungsform für die Längsführung des
Taststifts ist in Fig. 5 skizziert. Dort ist der am zweiten
Drehgelenk über die Welle (56) drehbar gelagerte
Aufnahmehebel (57) für den Taststift in zwei
Teile (57a) und (57b) geteilt, die übereinander liegen.
Zwischen diesen beiden Teilen ist ein Federparallelogramm
für die Linearführung des Taststifts (59) angeordnet.
Dieses Federparallelogramm ist mit den beiden
Blattfedern (52a) und (52b) auf einer Seite in den
Steg (58) eingespannt, der die beiden
Hebelteile (57a) und (57b) verbindet. Die beiden
Blattfedern (52c) und (52d) am anderen Ende des
Federparallelogramms sind in den Träger (60) für den
Taststift eingespannt. Damit ist die Linearführung in
Richtung der Taststiftlängsachse gewährleistet. Für den
Gewichtsausgleich der am Trägerteil (60) für den
Taststift (59) befestigten Taststiftkombination sorgen zwei
Federn (55a) und (55b). Von diesen beiden Federn ist
eine (55a) über einen Motor (53) und ein Getriebe (54)
bezüglich ihrer Federkraft verstellbar. Zur Messung der
Linearbewegung dient ein Induktivsensor in Form eines
ferromagnetischen Kerns (61) am Träger (60) und einer
Tauchspule (62) am Hebelteil (57a).
Claims (9)
1. Messender Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte, wobei das
allseitig auslenkbare Teil (27, 47, 60) des Tastkopfs,
das den Taststift (9, 49, 59) trägt, über zwei
beabstandete Drehgelenke (11, 16) und eine
Linearführung gelagert ist.
2. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die beiden
Drehgelenke (11, 16) mit ihren Drehachsen (7, 8)
parallel zur Taststiftlängsachse ausgerichtet sind und
von dieser beabstandet sind und die
Verschiebungsrichtung der Linearführung ebenfalls
parallel zur Taststiftlängsachse ausgerichtet ist.
3. Tastkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Lageranordnung aus den beiden Drehachsen und der
Linearführung um den Aufnahmekopf (3) eines Dreh-
Schwenkgelenks herum angeordnet ist und einen
Wechselteller (4) zur lösbaren Verbindung mit dem
Dreh-Schwenkgelenk besitzt.
4. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
beiden Drehgelenke (11, 16) durch ein
Winkelprofil (12) miteinander verbunden sind.
5. Tastkopf nach Anspruch 2, wobei die Taststiftlängsachse
etwa den gleichen Abstand zu den Drehachsen (7, 8) der
beiden Drehgelenke (11, 16) besitzt und die
Durchstoßpunkte der Drehachsen und der
Taststiftlängsachse durch eine senkrecht zu den Achsen
angeordnete Ebene einen rechten Winkel bilden.
6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der
Taststift (9, 49) an einem rechtwinklig zu den
Drehachsen (7, 8) abstehenden Aufnahmehebel (17, 47)
befestigt ist.
7. Tastkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das
Winkelprofil (12) und der Aufnahmehebel (17) für den
Taststift nach Art einer Würfelecke angeordnet sind,
die den Aufnahmekopf (3) des Dreh-Schwenkgelenks
halbseitig umschließt.
8. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eines
der Drehgelenke (48) als kombiniertes Drehlager und
Linearführung ausgebildet ist.
9. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Linearführung als Federparallelogrammführung
ausgebildet ist.
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Ipc: G01B 21/04 |
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Owner name: CARL ZEISS INDUSTRIELLE MESSTECHNIK GMBH, 73447 OB |
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