DE4413968A1 - Sondenarm für Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Schalten in eine definierte Rotationsposition. Er kann für einen Arm zum Halten einer Sonde in einer Werkzeugmaschine verwendet wer­ den.

Es ist bekannt, eine Werkzeugeinstellsonde in einer Werkzeug­ maschine anzubringen. Die Sonde wird am Bett oder Tisch der Werkzeugmaschine derart angebracht, daß ein Schneidewerkzeug in einen Kontakt mit ihr bewegt werden kann. Dies ermöglicht die Feststellung der Lage der Schneidespitze des Werkzeugs, um mit dem Werkzeug verbundene Offsets zur Verwendung durch die numerische Steuerung der Maschine einzustellen.

In vielen Maschinen würde die Werkzeugeinstellsonde im Weg stehen, falls sie permanent in der erforderlichen Position angebracht wäre. Infolgedessen ist es bekannt, sie an einem bewegbaren Arm anzubringen, der seinerseits am Bett der Maschine angebracht ist. In einer kommerziell erhältlichen Anordnung ist der Arm mit einem Motor versehen und kann automatisch zwischen einer wirksamen Position und einer un­ wirksamen Position geschaltet werden. In dieser Vorrichtung treibt der Motor einfach den Arm zu einem festen Anschlag, der die wirksame Position definiert. Jedoch definiert der feste Anschlag die Position nicht sehr wiederholbar, und so kann ein entsprechender Fehler in der Wiederholbarkeit der Offsets bestehen, die durch Verwendung der Sonde gemessen werden.

Eine andere kommerziell erhältliche Anordnung ist der Hoch- Präzisions-Arm (HPA) von Renishaw, der einen Arm umfaßt, der in der wirksamen Position auf einer Basis über eine kinema­ tische Halterung angebracht werden kann. Die kinematische Halterung gewährleistet, daß der Arm (und somit die Sonde) auf eine hochgradig wiederholbare Weise positioniert wird, so daß die Offsets wiederholbar bestimmt werden können. Der Arm wird manuell angebracht, indem der Arm zur Basis ge­ bracht und positionsgemäß befestigt wird. Abgebaut wird er ebenfalls manuell. Der Arm ist daher nicht zwischen wirk­ samen und unwirksamen Positionen schaltbar.

Die kinematische Halterung, so wie sie im Hoch-Präzions-Arm von Renishaw verwendet wird, umfaßt Elemente auf dem Arm, die angeordnet sind, um mit Elementen auf der Basis zusammen­ zuwirken und somit die hochgradig wiederholbare Positionie­ rung zu ergeben. Insbesondere sind die Elemente auf der Ba­ sis so angeordnet, daß sie ein Paar von zusammenlaufenden Oberflächen an jeder von drei beabstandeten Stellen auf eine solche Weise schaffen, daß sie eine Gesamtheit von sechs Kontaktpunkten mit den Elementen auf dem Arm schaffen. Dies legt die sechs möglichen Freiheitsgrade des Arms relativ zur Basis fest. Die sechs Kontaktpunkte befinden sich alle in der gleichen Ebene, und die zusammenlaufenden Oberflächen laufen in einer Richtung senkrecht zu dieser Ebene zusammen.

Eine derartige kinematische Halterung ist gelegentlich als eine Boys-Halterung bekannt und beispielsweise beschrieben in H.J.J. Braddick, "Mechanical Design of Laboratory Apparatus", Chapman & Hall, London 1960, Seiten 11 bis 30. Braddick beschreibt auch eine funktionell äquivalente kine­ matische Halterung, die gelegentlich als eine Kelvin- Halterung bekannt ist, in der von den sechs Kontaktpunkten oder Zwangsbedingungen drei an einem ersten Ort, zwei an einem zweiten beabstandeten Ort und eine an einem dritten beabstandeten Ort vorgesehen sind. Die Bezeichnungen "kine­ matisch", "kinematisch festgelegt" und ähnliche Bezeich­ nungen, wie sie in dieser Schrift verwendet werden, schließen Boys-Halterungen, Kelvin-Halterungen und andere kinematische und semi- oder quasi-kinematische Halterungs­ typen mit ein.

Die US-Patentschrift Nr. 5,088,337 beschreibt einen Kopf zur Anbringung einer Sonde in einer Koordinatenmeßmaschine. Der Kopf ermöglicht der Sonde, manuell in irgendeine einer An­ zahl von Index-Positionen gedreht zu werden, von denen jede durch eine kinematische Halterung definiert ist. Die die kinematische Halterung bildenden Elemente werden in einen Eingriff hinein in der axialen Richtung gedrängt, der einen relativ komplexen Mechanismus zum Freigeben und Sperren der axialen Kraft vor und nach jeder Rotationsbewegung notwendig macht. Es sind ähnliche Köpfe kommerziell erhältlich, die Motoren zur automatischen Drehung der Sonde zwischen den Indexpositionen enthalten, zum Beispiel der Renishaw-PH1OM- Sondenkopf.

Ein breiter Gesichtspunkt der Erfindung schafft einen Mechanismus, der in eine definierte Rotationsposition geschaltet werden kann, wobei er eine neuartige kinematische Halterung zum Definieren dieser Position aufweist. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Arm, der zwischen wirksamen und unwirksamen Positionen bewegt werden kann und kinematisch gehalten wird, wenn er sich in der wirksamen Position befindet. Nach einem weiteren Gesichts­ punkt schafft die Erfindung Mittel, um sicherzustellen, daß der Arm in die kinematische Halterung mit einer wiederhol­ baren Kraft geklemmt wird, um die Wiederholbarkeit des Positionierens zu verbessern.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines sondentragenden Arms und einer Vorrichtung, um ihn automa­ tisch zu drehen,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt auf der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt auf der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Schnitt ähnlich zu Fig. 2, wobei je­ doch eine modifizierte Vorrichtung gezeigt ist, und

Fig. 6 einen Schnitt auf der gleichen Linie wie Fig. 4, wobei jedoch ein Teil einer weiteren modifizierten Vorrichtung gezeigt ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine drehbare Nabe 10, die einen radial vorstehenden Arm 12 trägt. Eine Sonde 14 ist am freien Ende des Arms 12 angebracht und besitzt einen ablenkbaren Taster 16. Die Sonde 14 kann zum Beispiel eine Berührungsauslösersonde des in der US-Patentschrift Nr. 4,153,998 beschriebenen Typs sein. Ihr Taster 16 kann eine herkömmliche sphärische Spitze 18 wie gezeigt aufweisen, oder die Spitze 18 kann durch eine herkömmliche, beispiels­ weise würfelförmige Werkzeugeinstellspitze ersetzt werden.

Die Nabe 10 ist in einem Gehäuse 20 auf eine nachstehend beschriebene Weise angebracht, um um ihre Achse 10A drehbar zu sein. Das Gehäuse 20 ist an einer geeigneten festen Struk­ tur 22 angebracht, wie beispielsweise dem Bett einer Dreh- oder Schleifmaschine oder einer anderen Werkzeugmaschine.

Nach Fig. 2 ist innerhalb der Nabe 10 ein konzentrischer Rotor 24 vorgesehen, der auf dem Ausgangsritzel eines Schneckenantriebs 28 angebracht ist. Der Schneckenantrieb 28 besitzt einen Motor 26, und zwar ebenfalls innerhalb der Nabe 10. Falls es durch Raumknappheit notwendig ist, kann der Motor 26 innerhalb des Arms 12 angeordnet sein. Die Nabe 10 und der Rotor 24 sind relativ zueinander um die Achse 10A drehbar, und zwar mittels des durch den Schneckenantrieb 28 wirkenden Motors 26.

Der Rotor 24 trägt eine Rotorscheibe 30, die sich mit ihm dreht. Er trägt außerdem eine Zwischenscheibe 32, die rela­ tiv zum Rotor 24 auf einer Hülse 31 drehbar ist. Dies er­ laubt der Scheibe 32, ein gewisses Maß an Spiel zu besitzen, und zwar sowohl radial als auch axial. Die Scheibe 32 wird durch einen Sicherungsring 33 gehalten. Die Hülse 31 und der Sicherungsring 33 sind hauptsächlich zur Unterstützung des Zusammenbaus vorgesehen und könnten gegebenenfalls weggelas­ sen werden. Die Scheibe 32 wird dann nur durch Federn gehal­ ten, die nachstehend beschrieben sind.

Nach Fig. 3 sind die Rotorscheibe 30 und die Zwischenscheibe 32 durch ein System von vier Spannfedern 34 verbunden. Die Rotorscheibe 30 besitzt zwei herabhängende Pfosten 36, während die Zwischenscheibe 32 zwei aufrechtstehende Pfosten 38 besitzt. Jede Feder 34 verbindet einen der Pfosten 36 mit einem benachbarten Pfosten 38, wobei die Federn so eine nominell quadratische Konfiguration bilden, wenn die Rotationsposition der Scheiben derart ist, daß die Federn alle auf gleiche Weise unter Spannung stehen.

Wie teilweise in Fig. 2 zu sehen ist, verbindet ein ähnli­ ches System von vier Spannfedern 40 die Zwischenscheibe 32 mit dem Boden 20A des Gehäuses 20. Die Zwischenscheibe 32 besitzt zwei herabhängende Pfosten 42, während der Boden 20A des Gehäuses zwei aufrechtstehende Pfosten 44 besitzt, und die Federn 40 verbinden diese Pfosten wieder in einer nomi­ nell quadratischen Konfiguration, wenn die Rotationsposition der Zwischenscheibe 32 derart ist, daß die Federn 40 alle auf gleiche Weise unter Spannung stehen. Zur Vereinfachung kann jeder Pfosten 42 einstückig mit einem der Pfosten 38 durch einen Stift gebildet werden, der durch die Zwischenscheibe 32 verläuft.

Nach den Fig. 2 und 4 weist die Nabe 10 einen herabhängenden Rand 46 auf, der drehbar in das Innere einer aufrechtstehen­ den Wand 20B des Gehäuses 20 paßt. Der Rand 46 trägt drei Zylinder 48, die radial sowohl nach innen als auch nach außen vorstehen und unter Winkeln von 120° um die Achse 10A herum auf gleiche Weise voneinander beabstandet sind.

Die Rotationsanbringung zwischen der Nabe 10 und dem Gehäuse 20 ist aus nachstehend erläuterten Gründen absichtlich etwas nachlässig ausgeführt. Eine Möglichkeit zur Erzielung der Rotationsanbringung besteht darin, daß das nach außen vorste­ hende Ende jedes Zylinders 48 in einer Nut 50 auf der Innen­ seite der Wand 20B des Gehäuses läuft.

An drei um die Achse 10A herum auf gleiche Weise beabstande­ ten Stellen ist die Nut 50 durch ein Paar von Kugeln 52 unterbrochen, die in der axialen Richtung voneinander beab­ standet sind. Jedes Kugelpaar definiert ein Paar von Ober­ flächen, die in der Umfangsrichtung zusammenlaufen und in der axialen Richtung einander gegenüberliegen. Wenn die Nabe 10 gedreht wird, gelangen die nach außen vorstehenden Teile der drei Zylinder 48 schließlich in Eingriff mit den drei Paaren von Kugeln 52, was eine Gesamtheit von sechs Kontakt­ punkten ergibt. Diese sechs Kontaktpunkte definieren kinema­ tisch die Lage der Nabe 10, des Arms 12 und der Sonde 14 relativ zum Gehäuse 20, wenn in dieser Position befindlich. Dies stellt die wirksame Position dar, in welcher die Sonde 14 für Werkzeugeinstell- oder Meßzwecke verwendet wird. In dieser Position ist es wichtig, daß die Rotationsanbringung zwischen der Nabe 10 und dem Gehäuse 20 nicht irgendwelche signifikanten zusätzlichen Zwangsbedingungen schafft, und dies ist der Grund für die oben erwähnte, etwas nachlässige Anbringung.

Wenn sich die Nabe nicht in dieser kinematisch definierten Lage befindet, kann die Rotationsanbringung natürlich weniger nachlässig sein, um einen ruhigen Lauf zu ergeben, indem zum Beispiel eine festere Passung zwischen dem freien Ende des Zylinders 48 und der Nut 50 geschaffen wird. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist nachstehend anhand Fig. 6 beschrieben. Andere Rotationsanbringungsanordnungen sind mög­ lich, und falls keine Nut 50 vorhanden ist, können die Ku­ geln 52 dann auf drei Vorsprüngen auf der inneren Seite der Wand 20B angebracht werden.

Die Zwischenscheibe 32 besitzt drei radial vorstehende Ab­ schnitte 54, die am deutlichsten in Fig. 4 zu sehen, jedoch aus Fig. 3 zur Vereinfachung weggelassen sind. Diese Ab­ schnitte können in Eingriff mit den nach innen vorstehenden Enden der Zylinder 48 gelangen.

Die Abschnitte 54 könnten Kugelpaare wie die Kugeln 52 tragen, um eine vollständig kinematische Lage zwischen der Zwischenscheibe 32 und der Nabe 10 zu ergeben. Jedoch ist dies im allgemeinen unnötig komplex. Es gibt ein Erfordernis für eine definierte Beziehung zwischen der Zwischenscheibe 32 und der Nabe 10, jedoch in einem geringeren Ausmaß als zwischen der Nabe 10 und dem Gehäuse 20. Demgemäß reicht eine semi- oder quasi-kinematische Halterung in diesem Fall aus. Um dies zu erzielen, besitzt jeder vorstehende Ab­ schnitt 54 eine einfache radial gerichtete V-Nut 56, deren Seiten Oberflächen bilden, die in der Umfangsrichtung zusam­ menlaufen und einander axial gegenüberliegen. Diese Ober­ flächen können mit dem nach innen vorstehenden Ende des Zylinders 48 in Eingriff gelangen. Das radiale und axiale Spiel der Zwischenscheibe 32 auf dem Rotor 24 erleichtert einen positiven Eingriff. Gegebenenfalls könnte die Anord­ nung noch einfacher sein, wobei der vorstehende Abschnitt 54 ein ebenes Widerlager oder Anschlag zum Eingriff mit dem Zylinder 48 anstelle der V-Nut 56 schafft. Im letzteren Fall sollte jedoch kein wesentliches Spiel zwischen der Scheibe 32 und dem Rotor 24 bestehen.

Der Betrieb der Vorrichtung wird nun erläutert.

Wenn sich der Arm 12 in der unwirksamen Position befindet, ist die Rotationsposition der Nabe 10 derart, daß sich die Zylinder 48 in der durch gestrichelte Linien gezeigten Posi­ tion bei 48′ in Fig. 4 befinden. Der Motor 26 wird nun be­ trieben, wobei er auf den Rotor 24 durch den Schneckenantrieb 28 wirkt. Da der Rotor 24 mit dem Gehäuse 20 verbunden ist (über die Scheiben 30, 32 und Federn 34, 40), bleibt der Ro­ tor 24 zunächst stationär und der Betrieb des Motors 26 ver­ anlaßt die Nabe 10 und den Arm 12, sich in die Richtung eines Pfeils 60 in Fig. 4 zu drehen. Dies bewegt die Zylin­ der 48 auf die jeweiligen Paare von Kugeln 52 zu.

Wenn sich die Zylinder 48 und Kugeln 52 in Eingriff befin­ den, befinden sich dadurch die Nabe 10 und der Arm 12 kine­ matisch in der wirksamen Position und können sich augen­ scheinlich nicht weiter drehen. Eine fortgesetzte Wirkung des Motors 26 verursacht daher eine Drehung des Rotors 24 und der Rotorscheibe 30 im entgegengesetzten Sinn. Die Zwi­ schenscheibe 32 dreht sich auch mit der Rotorscheibe 30, wie durch den Pfeil 62 in Fig. 4 angedeutet, obwohl in einem ge­ ringeren Ausmaß. Während sich die Zwischenscheibe 32 dreht, wird ein gegenüberliegendes Paar der Federn 40 gedehnt, was ihre Spannung erhöht, während die anderen zwei Federn 40 entspannt werden, was ihre Spannung reduziert. Das Ergebnis ist ein zwischen der Zwischenscheibe 32 und dem Gehäuse 20 angewendetes Drehmoment. Auf ähnliche Weise werden die Spannungen der Federn 34 jeweils erhöht und vermindert, was ein ähnliches Drehmoment zwischen den Scheiben 30 und 32 ergibt.

Nach einem gewissen Rotationsbetrag der Zwischenscheibe 32 befinden sich die V-Nuten 56 in den Vorsprüngen 54 in Ein­ griff mit den inneren Enden der Zylinder 48. Sie werden in Eingriff gehalten durch das durch die Federn 34 geschaffene Drehmoment. Dieses Drehmoment nimmt weiter zu, da sich die Rotorscheibe 30 weiter relativ zur Zwischenscheibe 32 dreht (welche nun stationär ist). Schließlich veranlaßt die fortgesetzte Drehung der Scheibe 30 einen Rotorarm 64 (der an der Scheibe 30 befestigt ist), einen Lichtstrahl in einem am Gehäuse befestigten opto-elektronischen Schalter 46 zu unterbrechen. Dies stoppt den Motor 26 und bringt den Rotor 24 und die Rotorscheibe 30 zum Stillstand. Ein elektro-mecha­ nischer Mikroschalter kann gegebenenfalls anstelle des Schal­ ters 66 verwendet werden.

Der Arm 12 wird nun geklemmt in der kinematisch definierten wirksamen Position wie folgt gehalten. Das durch die Federn 34 geschaffene Drehmoment übersteigt dasjenige, das durch die Federn 40 geschaffen wird, wodurch die V-Nuten 56 der Zwischenscheibe 30 in Kontakt mit den inneren Enden der Zylinder 48 gehalten werden. Jedoch wirkt das Drehmoment von den Federn 34 durch eine geschlossene Schleife, die den Ro­ tor 24 und die Nabe 10 einschließt, jedoch die kinematische Lage zwischen den Zylindern 48 und den Kugeln 52 aus­ schließt. Infolgedessen beeinträchtigt das (ein wenig unvorhersagbare) durch die Federn 34 geschaffene Drehmoment nicht die kinematische Lage.

Die Kraft, welche die Zylinder 48 in die Kugel 52 klemmt, wird nur durch das Drehmoment der zwischen der Zwischenschei­ be 32 und dem Gehäuse 20 wirkenden Federn 40 geschaffen. Die­ ses Drehmoment wird durch einen definierten Rotationsbetrag der Scheibe 32 relativ zum Gehäuse 20 verursacht, der durch die Position des Eingriffs der V-Nuten 56 mit den Zylindern 48 bestimmt wird. Dies dehnt und entspannt die Federn 40 um einen vorbestimmten Betrag, der lediglich durch die Geome­ trie des Systems gesteuert wird. Daraus folgt, daß die Klemm­ kraft zwischen den Zylindern 48 und Kugeln 52 recht wieder­ holbar ist. Das heißt, die gleiche Klemmkraft wird, jedesmal wenn die Vorrichtung betrieben wird, angewendet. Dies ist wichtig, weil, falls die Kraft unvorhersagbar wäre, sie die durch die kinematische Halterung oder Anbringung geschaffene präzise Lage beeinträchtigen könnte.

Somit stellt die Wiederholbarkeit der Klemmkraft die Wieder­ holbarkeit der kinematischen Lage sicher. Dies stellt seiner­ seits die wiederholbare Positionierung der Sonde 14 sicher, wenn sie sich in der wirksamen Position befindet, und somit die Wiederholbarkeit der Werkzeugeinstelloffsets, die mit der Sonde gemessen werden, oder irgendwelcher anderer Messungen, die sie gewöhnlich ausführt.

In der obigen Beschreibung ist angenommen worden, daß sich der Rotor 24 und die Rotorscheibe 30 zusammen als eine Ein­ heit drehen. In der Tat ist das normalerweise der Fall. Je­ doch ist vorzugsweise eine Kupplung zwischen den beiden vor­ gesehen. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann diese einen Ring aus Reibungsmaterial 68 umfassen, der zwischen zwei Flanschen auf dem Rotor 24 und der Scheibe 30 eingeschlossen ist, die durch eine Federunterlegscheibe 70 aufeinander zu gedrängt werden. Diese Kupplung wirkt als eine Sicherheitsvorrichtung für den Fall, daß der opto-elektronische Schalter 66 aus ir­ gendeinem Grund dabei versagt, den Motor 26 zu stoppen. Anschläge (nicht gezeigt) können zwischen der Rotorscheibe 30 und der Nabe 10 vorgesehen sein, und sobald die Anschläge in Eingriff gelangen, beginnt die Kupplung 68 damit, durchzurutschen. Dies verhindert ein Überdehnen der Federn 34 und ein Abwürgen des Motors 26.

Natürlich kann diese Sicherheitsanordnung modifiziert wer­ den. In einer Modifikation sind keine Anschläge zwischen der Scheibe 30 und der Nabe 10 vorhanden, wobei die Kupplung 68 einfach durchrutscht, wenn das durch die Federn 34 geschaf­ fene Drehmoment eine gewisse Schwelle übersteigt. In einer weiteren Modifikation können der opto-elektronische Schalter 66 und Rotorarm 64 weggelassen werden, wobei der Motor 26 durch eine Stromüberwachungsvorrichtung ausgeschaltet wird, die wirksam ist, wenn der Motorstrom einen gewissen Wert übersteigt, während das Drehmoment der Federn 34 ansteigt oder während die Anschläge zwischen der Scheibe 30 und der Nabe 10 in Eingriff gelangen. Falls der Motor 26 ausreichend robust ist, kann alternativ einfach sein Abwürgen erlaubt werden. In jeder der obigen Modifikationen kann die Kupplung 68 weggelassen werden.

Die beschriebene Vorrichtung kann gegebenenfalls durch das Weglassen der Federn 34 vereinfacht werden. Eine die Vor­ sprünge 54 aufweisende einzelne Scheibe ist nun vorgesehen, um sich mit dem Rotor 24 zu drehen, und zwar anstelle der zwei Scheiben 30, 32. Wenn die Vorsprünge 54 mit den inneren Enden des Zylinders 48 in Eingriff gelangen, werden sie durch fortgesetzte Wirkung des Motors 26 in Eingriff gehal­ ten, wobei die Kupplung 68 in diesem Zustand kontinuierlich durchrutscht. Alternativ kann die Kupplung 68 weggelassen werden, wobei ein Abwürgen des Motors 26 erlaubt ist oder er durch eine Stromüberwachungsvorrichtung ausgeschaltet werden kann. Das Drehmoment auf der Scheibe wird nun durch die Klem­ mung des Schneckenantriebs 28 aufrechtgehalten, um die Vor­ sprünge 54 in Eingriff mit dem Zylinder 48 zu halten. Keine dieser Anordnungen wird jedoch bevorzugt.

Fig. 5 zeigt eine noch einfachere Anordnung, wobei an geeig­ neter Stelle die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 verwen­ det werden. Die Scheiben 30, 32 sind durch eine einzelne Scheibe 75 ersetzt, die am Ausgangsritzel des Schneckenan­ triebs 28 befestigt ist. Wie oben sind die Federn 34 wegge­ lassen, und die Scheibe 75 ist mit dem Boden 20A des Gehäu­ ses durch die Pfosten 42, 44 und die vier Spannfedern 40 ver­ bunden. In dieser vorliegenden Anordnung sind die Vorsprünge 54 und V-Nuten 56 ebenfalls weggelassen, und die Zylinder 48 stehen nicht nach innen vom Rand 46 vor.

Wenn der Motor 26 wirksam ist, dreht sich zunächst die Nabe 10 im Gehäuse 20 wie zuvor, bis die Zylinder 48 kinematisch mit den Paaren von Kugeln 52 in Eingriff gelangen. Als näch­ stes dreht sich die Scheibe 75 im entgegengesetzten Sinn re­ lativ zur Nabe 10, was ein durch die Federn 40 anzuwendendes ansteigendes Drehmoment verursacht. Dies setzt sich fort, bis der Arm 64 auf den opto-elektronischen Schalter 66 trifft, der den Motor ausschaltet. Wie zuvor kann der Schal­ ter 66 gegebenenfalls durch einen elektro-mechanischen Mikroschalter ersetzt werden.

Die Zylinder 48 werden nun in die Paare von Kugeln 52 durch eine Kraft geklemmt, die durch das Drehmoment in den Federn 40 eingestellt ist, wenn die Scheibe 75 zur Ruhe kommt. Die­ ses Drehmoment hängt von den Charakteristiken des Schalters 66, des Motors 26 und des Schneckenantriebs 28 sowie von der Trägheit des Systems ab. Jedoch kann es nach wie vor geeig­ net wiederholbar sein, um sicherzustellen, daß das kinemati­ sche Positionieren des Arms 12 für viele Zwecke ausreichend wiederholbar ist.

Fig. 6 zeigt eine weitere Modifikation der Vorrichtung der Fig. 2-4, in der jeder Zylinder 48 durch ein Paar von Zylindern 48A, 48B ersetzt ist. Diese sind beide im Rand 46 der Nabe 10 angebracht, und eine Plastikeinheit 80 wird zwi­ schen ihnen gehalten. Der Zylinder 48A befindet sich wie zuvor in Eingriff mit den Kugeln 52. Sowohl dieser Zylinder als auch die Kugeln können zur verläßlichen kinematischen Lage aus Wolframkarbid bestehen. Lediglich der Zylinder 48B steht nach innen vor, um mit der V-Nut 56 im Vorsprung 54 in Eingriff zu gelangen, und dieser Zylinder kann aus Stahl be­ stehen, da seine Rolle geringere Anforderungen stellt. Die äußere Kante 82 der Plastikeinheit 80 ist wie gezeigt ge­ krümmt und besitzt lediglich einen sehr kleinen Abstand vom Boden 50A der Nut 50, was für eine ruhige Drehung der Nabe 10 im Gehäuse 20 sorgt. Auf ähnliche Weise können die Oberteil- und Bodenflächen der Einheit 80 gekrümmt sein und lediglich sehr kleine Abstände von den gegenüberliegenden Seiten der Nut 50 aufweisen. Die Einheit 80 kann aus einem Material geringer Reibung bestehen, wie beispielsweise PTFE. Um übermäßige Zwangsbedingungen zu vermeiden, wenn sich die Zylinder 48A und die Kugeln 52 kinematisch in Eingriff befin­ den, kann der Boden 50A der Nut 50 leicht im Bereich der Kugeln 52 ausgespart sein, wie durch die gestrichelte Linie 84 angedeutet, und die Seiten der Nut 50 können ebenso in diesem Bereich ausgespart sein.

Verschiedene Modifikationen für die durch die Zylinder 48 und Kugeln 52 gebildete kinematische Halterung sind für den Fachmann ersichtlich.

In einer möglichen Modifikation können die drei Zylinder 48 durch drei Kugeln ersetzt werden, die auf einem radialen Vor­ sprung vom Rand 46 angebracht sind, um in die Umfangsrich­ tung zu weisen. Diese wirken dann jeweils mit drei radial ge­ richteten V-Nuten zusammen, die in Umfangsrichtung gerichtet zusammenlaufende Oberflächen ähnlich den V-Nuten 56 besitzen, die jedoch im Gehäuse 20 anstelle der Kugelpaare 52 gebildet sind. Jede dieser V-Nuten kann durch ein Paar von parallelen Zylindern ersetzt werden, die sich radial erstrecken und axial voneinander beabstandet sind.

Alternativ wirkt anstelle von drei solchen V-Nuten eine der Kugeln auf dem Rand 46 mit einer ebenen Oberfläche auf dem Gehäuse 20 zusammen, eine mit einer radialen V-Nut oder einem Paar von Zylindern und eine mit einem dreiflächigen oder konischen Loch oder mit einem Nest von drei Kugeln auf dem Gehäuse 20. Diese Elemente weisen jeweils in geeignete Richtungen, um einen richtigen kinematischen Zwang sicherzustellen. Diese Anordnung kann als eine modifizierte Kelvin-Halterung betrachtet werden, wohingegen die Zylinder 48 und Kugeln 52 als eine modifizierte Boys-Halterung betrachtet werden können.

Es ist auch möglich, eine inverse Anordnung für die Zylinder 48 und Kugeln 52 zu schaffen, in der die Zylinder 48 sich auf dem Gehäuse 20 und die Kugeln 52 auf dem Rand 46 befin­ den. Ähnliche inverse Anordnungen können für die gerade dis­ kutierten, verschiedenen modifizierten kinematischen Halte­ rungen vorgesehen werden.

In den obigen Ausführungsformen sind Spannfedern verwendet worden, um die Elemente der kinematischen Halterung in der Umfangsrichtung in Eingriff miteinander vorzuspannen. Natür­ lich können andere Vorspannmittel wie beispielsweise Tor­ sionsfedern oder sogar eine geeignete Anordnung von Magneten verwendet werden.

Wie oben erwähnt, kann die Vorrichtung auf einer festen Struktur einer Werkzeugmaschine wie dem Bett einer Dreh- oder Schleifmaschine angebracht sein, so daß die Sonde 14 als eine Werkzeugeinstellsonde wirkt. Alternativ jedoch ist es möglich, die Vorrichtung auf der sich bewegenden Struktur einer Werkzeugmaschine anzubringen, zum Beispiel der Spindel eines Bearbeitungszentrums, dem Drehkopf einer Drehbank oder dem Gestell, das die Schleifscheibe in einer Schleifmaschine hält. Die Sonde kann dann in die wirksame Position ge­ schwenkt werden, um die Messungen an einem Werkstück durchzu­ führen, das an der Werkzeugmaschine angebracht ist. In einer Schleifmaschine beispielsweise kann dies die Lokalisierung von zu schleifenden Merkmalen des Werkstücks einschließen, wonach der Arm 12 in die unwirksame Position geschwenkt wird, um ein genaues Schleifen dieser Merkmale zu gestatten. An einer Drehbank kann der Arm 12, wenn er sich in der wirksamen Position befindet, wirksam eine Erweiterung für den Drehkopf schaffen, wobei ein Sondieren der Blindseite eines Werkstücks, die der Drehkopf normalerweise nicht erreichen kann, ermöglicht wird. Dies kann beispielsweise die Messung des Durchmessers eines Werkstücks, das stationär dem Futter der Drehbank gehalten wird, ermöglichen, um fest­ zustellen, ob irgendeine thermische Drift zwischen der Zen­ trumslinie des Drehbankfutters und des Drehkopf s stattgefun­ den hat. Eine derartige thermische Drift würde bei Durch­ messern deren maschinelles Bearbeiten mit Übermaß oder Untermaß verursachen.

Claims (16)

1. Rotationsmechanismus mit:

einem festen Bauteil (20),
einem drehbaren Bauteil (10, 32), das relativ zum festen Bauteil drehbar ist,
einem Anschlag (48, 52, 56) zwischen den festen und dreh­ baren Bauteilen, der eine Indexposition in der Drehung des drehbaren Bauteils definiert und dessen weitere Dre­ hung über die Indexposition hinaus verhindert, Mitteln (34, 40) zur Vorspannung des drehbaren Bauteils hinein in einen Eingriff mit dem festen Bauteil in der Umfangsrichtung am Anschlag, wenn sich das drehbare Bauteil in der Indexposition befindet, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag Elemente (48, 56) an drei in Umfangs­ richtung beabstandeten Stellen auf dem drehbaren Bauteil und Elemente (52, 48) an drei entsprechenden, in Umfangs­ richtung beabstandeten Stellen auf dem festen Bauteil umfaßt,
die Elemente (48, 52, 56) auf den festen und drehbaren Bauteilen an jeder Stelle in der Umfangsrichtung durch die Vorspannmittel (34, 40) zusammengedrängt werden, und die Elemente zusammenwirken, um die Freiheitsgrade des drehbaren Bauteils kinematisch festzulegen, wodurch die Indexposition des drehbaren Bauteils präzise definiert wird.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, worin das Element oder die Elemente (52, 56) an einer der Stellen auf dem einen der festen und drehbaren Bau­ teile Oberflächen definieren, die in der Umfangsrichtung zusammenlaufen.

3. Mechanismus nach Anspruch 2, worin die zusammenlaufenden Oberflächen (52, 56) einander in der axialen Richtung gegenüberliegen.

4. Mechanismus nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin das Element oder die Elemente, die zusammenlau­ fende Oberfläche definieren, ein Paar von Kugeln (52), eine V-Nut (56) oder ein Paar von Zylindern umfassen.

5. Mechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Vorspannmittel (34, 40) eine wiederholbare Vorspannkraft schafft, wenn sich das drehbare Bauteil in der Indexposition befindet.

6. Mechanismus nach Anspruch 5, worin das Vorspannmittel wenigstens eine Feder (34, 40) umfaßt, die um einen wiederholbaren Betrag gedehnt ist, wenn sich das drehbare Bauteil in der Indexposition befindet.

7. Mechanismus nach Anspruch 6, mit einem weiteren Anschlag (48, 56), der, wenn er sich in Eingriff befindet, die wiederholbare Dehnung der wenigstens einen Feder definiert.

8. Mechanismus nach Anspruch 5, 6 oder 7, worin das Vorspannmittel an einem weiteren drehbaren Bauteil (32) befestigt ist, das sich um einen wiederhol­ baren Betrag dreht, nachdem das zuerst erwähnte drehbare Bauteil (10) die Indexposition erreicht hat, wobei die wiederholbare Drehung des weiteren drehbaren Bauteils die wiederholbare Vorspannkraft schafft.

9. Mechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Motor (26) zur Drehung des drehbaren Bauteils oder der drehbaren Bauteile (10, 32) relativ zum festen Bauteil.

10. Mechanismus nach Anspruch 9, mit einem Schalter (66) zum Abschalten des Motors, wenn das drehbare Bauteil die Indexposition erreicht.

11. Sondenarm für eine Werkzeugmaschine, mit einem Mechanismus nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, in welchem das drehbare Bauteil (10) des Mecha­ nismus ein Armbauteil (12) zum Tragen einer Sonde (14) umfaßt.

12. Sondenarm für eine Werkzeugmaschine mit: einem festen Basisbauteil (20) zur Befestigung an der Werkzeugmaschine,
einem bewegbaren Armbauteil (10, 12) zum Tragen einer Sonde (14),
einem Anschlag (48, 52, 56) zwischen den festen und be­ wegbaren Bauteilen, welcher eine wirksame Position in der Bewegung des bewegbaren Bauteils definiert und des­ sen weitere Bewegung über die wirksame Position hinaus verhindert, und
einem Mittel (34, 40) zur Vorspannung des bewegbaren Bauteils hinein in einen Eingriff mit dem festen Bauteil am Anschlag, wenn sich das bewegbare Bauteil in der wirksamen Position befindet,
worin der Anschlag Elemente (48, 52, 56) auf dem beweg­ baren Bauteil und auf dem festen Bauteil umfaßt, die durch das Vorspannmittel zusammengedrängt werden,
die Elemente zusammenwirken, um die Freiheitsgrade des bewegbaren Bauteils kinematisch festzulegen, wodurch die wirksame Position des bewegbaren Bauteils präzise definiert wird, und
das Vorspannmittel eine wiederholbare Vorspannkraft schafft, wenn sich das bewegbare Bauteil in der wirksamen Position befindet.

13. Sondenarm nach Anspruch 12, worin das Vorspannmittel wenigstens eine Feder (34, 40) umfaßt, die um einen wiederholbaren Betrag gedehnt ist, wenn sich das bewegbare Bauteil in der wirksamen Posi­ tion befindet.

14. Sondenarm nach Anspruch 13, mit einem weiteren Anschlag (48, 56), der, wenn er sich in Eingriff befindet, die wiederholbare Dehnung der wenigstens einen Feder definiert.

15. Sondenarm nach Anspruch 12, 13 oder 14, worin das Vorspannmittel an einem weiteren bewegbaren Bauteil (32) befestigt ist, welches sich um einen wieder­ holbaren Betrag bewegt, nachdem das zuerst erwähnte be­ wegbare Bauteil (10, 12) die wirksame Position erreicht hat, wobei die wiederholbare Bewegung des weiteren beweg­ baren Bauteils die wiederholbare Vorspannkraft schafft.