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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Tastköpfe
zum Erfassen der Position eines Objektes. Sie kann an einer Positionsvorrichtung
wie z. B. Werkzeugmaschinen, Koordinatenmessmaschinen, Messrobotern
und dergleichen verwendet werden.
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Es
ist bekannt, insbesondere bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen,
ein Schneidwerkzeug gegen einen Positionserfassungs-Tastkopf auszutauschen.
Der Tastkopf kann z. B. vom Touch-Trigger-Typ sein, wie der in dem
US-Patent Nr. 4 153 998 (McMurtry)
gezeigte. Solch ein Tastkopf besitzt einen mit einem Werkstück in Kontakt
tretenden Taststift und gibt ein Auslösesignal aus, wenn der Taststift
mit einem Werkstück
in Kontakt tritt. Alternativ kann der Tastkopf vom „Analog-" oder „Mess-" oder „Proportional-" Typ sein, der einen
Ausgang liefert, welcher ein Maß der
Ablenkung des Taststifts relativ zu einem Körper des Tastkopfs ist. Anstelle
eines mit einem Werkstück
in Kontakt tretenden Taststifts kann jeder dieser drei Typen von
Tastkopf das Werkstück
stattdessen unter Verwendung von optischen, kapazitiven, induktiven
(z. B. unter Verwendung von Wirbelströmen) oder anderen kontaktlosen
Verfahren erfassen. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem dieser und
mit weiteren Typen von Tastköpfen
verwendet werden.
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Da
solch ein Tastkopf zum Gebrauch in Werkzeugmaschinen mit Schneidwerkzeugen
austauschbar ist, kann es schwierig sein, Drähte oder Kabel vorzusehen,
um das Ausgangsignal des Tastkopfs mit dem Controller der Maschine
zu verbinden. Infolgedessen werden verschiedene drahtlose Signalübertragungstechniken
verwendet, die eine induktive Übertra gung,
eine optische Übertragung
und eine Funkübertragung
umfassen. Der Tastkopf muss dann batteriebetrieben sein. Um die
Batterielebensdauer zu erhalten, ist es wünschenswert, dass der Tastkopf
nur im Gebrauch eingeschaltet ist.
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Eine
bekannte Technik zum Einschalten solch eines Tastkopfs ist in dem
US-Patent Nr. 4 599 524 (McMurtry)
beschrieben. Hier wird, nachdem der Tastkopf in die Spindel einer
Werkzeugmaschine eingesetzt wurde, seine Batterie durch eine kurze
Rotation der Spindel eingeschaltet. Ein Fliehkraftschalter in dem
Tastkopf spricht auf diese Rotation an. Nach dem Gebrauch kann die
Batterie durch eine weitere solche Rotation oder durch ein Verzögerungselement in
der Schaltung des Tastkopfs, das nach einer vorbestimmten Periode
eines Nichtgebrauchs des Tastkopfs den Betrieb unterbricht, getrennt
werden.
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Tastköpfe, die
solche Fliehkraftschalter verwenden, waren kommerziell erfolgreich,
allerdings sind die verwendeten Fliehkraftschalter relativ sperrig.
Demzufolge können
solche Fliehkraftschalter nicht verwendet werden, wenn ein Tastkopf
mit einer kleinen physikalischen Größe erforderlich ist, und es war
notwendig, andere Verfahren zu verwenden, um den Tastkopf einzuschalten.
Ein weiteres Problem mit solchen Fliehkraftschaltern besteht darin,
dass sie relativ kostspielig sind.
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Das
US-Patent Nr. 4 455 755 (Fritsche
et al.) offenbart eine weitere bekannte Vorrichtung zum Detektieren
der Relativbewegung zwischen einem Sensor und einem Probestück.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Grob
umrissen wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung solch ein Fliehkraftschalter durch
einen Sensor ersetzt, der empfindlich gegenüber einer Linearbeschleunigung
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
liegt der Sensor in der Form eines Schalters vor, es können aber
auch andere Linearbeschleunigungssensoren verwendet werden. Linearbeschleunigungssensoren
sind im Handel erhältlich,
z. B. als Schalter zur Verwendung bei Automobilen, und können kleiner
und kostengünstiger sein
als die im Stand der Technik verwendeten Fliehkraftschalter. Es
können
auch Beschleunigungsmesser verwendet werden, die ein Signal liefern,
das proportional zu der Beschleunigung ist.
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Somit
sieht dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Tastkopf zum
Erfassen der Position eines Objektes an einer Positionsvorrichtung
vor, der umfasst:
eine erste elektrische Schaltung, die auf
den Tastkopf anspricht, der eine erfassende Beziehung mit dem Objekt
erreicht;
eine Energieversorgung zum Erregen der Schaltung;
einen
Sensor, der auf eine Bewegung des Tastkopfs anspricht und derart
angeordnet ist, um zu bewirken, dass die Energieversorgung mit der
Schaltung verbunden wird, wenn eine Bewegung detektiert wird;
dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensor auf eine Linearbeschleunigung anspricht.
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Vorzugsweise
ist der Sensor derart in dem Tastkopf positioniert, dass er auch
auf eine Rotation anspricht. Daher kann der Tastkopf, nachdem er
in eine rotierbare Spindel der Positionserfassungsvorrichtung eingesetzt
wurde, rotiert werden, um den Sensor zu aktivieren und somit den
Tastkopf einzuschalten.
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Wenn
eine Rotation verwendet wird, um den Sensor zu betreiben, kann in
der Praxis ein weiteres Problem, wie folgt, auftreten. Der Tastkopf
kann auch Linearbeschleunigungen unterworfen sein, die den Sensor
zu unerwünschten
Zeiten aktivieren könnten. Dies
kann z. B. während
des Wechsels des Tastkopfs zwischen der Spindel der Positionsvorrichtung
und einem Werkzeugmagazin auftreten oder wenn solch ein Magazin
sich selbst bewegt, während
der Tastkopf in ihm gespeichert ist.
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Infolgedessen
kann der Linearbeschleunigungssensor mit einer Unterscheidungsschaltung zur
Unterscheidung zwischen einer Linearbeschleunigung und einer Rotation
verbunden sein, wobei die Energieversorgung mit der Erfassungsschaltung
verbunden wird, wenn eine Rotation detektiert wird.
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Der
in dem
US-Patent Nr. 4 599 524 beschriebene
Fliehkraftschalter ist zum Gebrauch in einer Werkzeugmaschine mit
einer Spindel, die um eine vertikale Achse rotiert, entworfen. Dies
bringt ein weiteres Problem mit sich: Er ist nicht immer zuverlässig, wenn
er in einer Werkzeugmaschine mit einer Spindel verwendet wird, die
um eine horizontale Achse rotiert. Dasselbe wäre der Fall, wenn ein Linearbeschleunigungssensor
in einer Maschine mit einer horizontalen Spindel verwendet würde. Dies
deshalb, da die Schwerkraft über
den Zyklus der Rotation um die horizontale Achse die Beschleunigung ändert, die der
Sensor erfährt.
Am unteren Ende der Rotation wirkt die Schwerkraft in einer radialen
Auswärtsrichtung,
während
sie am oberen Ende in einer radialen Einwärtsrichtung wirkt. Ein fliehkraft-
oder anderer beschleunigungsempfindlicher Schalter würde die Tendenz
zeigen, sich für
einen Teil des Zyklus aus- und für
einen weiteren Teil einzuschalten. Andere Arten von Beschleunigungssensor
wären in ähnlicher Weise
betroffen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen Tastkopf zum Erfassen
der Position eines Objektes an einer Positionsvorrichtung vor, der
umfasst:
eine erste elektrische Schaltung, die auf den Tastkopf anspricht,
der eine erfassende Beziehung mit dem Objekt erreicht;
eine
Energieversorgung zum Erregen der ersten Schaltung;
einen Sensor,
der auf eine Bewegung des Tastkopfs anspricht und derart angeordnet
ist, um zu bewirken, dass die Energieversorgung mit der ersten elektrischen
Schaltung verbunden wird, wenn eine Bewegung detektiert wird;
dadurch
gekennzeichnet, dass eine Bewegungsunterscheidungsschaltung mit
dem Sensor verbunden ist, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung eine
Bewegung, die angibt, dass der Tastkopf in Gebrauch steht, von anderen
Bewegungen unterscheidet.
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Die
Bewegungsunterscheidungsschaltung kann auf den Empfang eines Signals
ansprechen, das einer vorbestimmten Signatur, die einer Bewegung
des Tastkopfs zugeordnet ist, entspricht.
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Vorzugsweise
unterscheidet die Bewegungsunterscheidungsschaltung eine Rotation
des Tastkopfs von Linearbeschleunigungen, wobei die Energieversorgung
mit der ersten elektrischen Schaltung verbunden wird, wenn eine
Rotation detektiert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
detektiert ein Bewegungsunterscheidungsschaltung, ob ein Signal,
das eine Rotation angibt, von dem Sensor über eine oder mehrere Zeitperioden,
die nur einem Teil oder Teilen einer vollständigen Umdrehung des Tastkopfs
entsprechen, empfangen wird.
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Somit
verbessern bevorzugte Ausführungsformen
dieses weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit
von sowohl Fliehkraft- als auch Linearbeschleunigungssensoren, wenn
diese verwendet werden, um eine Rotation an Maschinen mit einer
horizontalen Spindel zu detektieren, bei denen der Sensor ein Signal
für nur
einen Teil einer vollständigen
Umdrehung geben kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieses weiteren Aspekts der Erfindung kann der Sensor wiederum ein
Schalter sein.
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In
jedem Aspekt der Erfindung kann der Sensor auch derart angeordnet
sein, um die Energieversorgung von der ersten elektrischen Schaltung
zu trennen, wenn eine weitere Rotation oder andere Bewegung des
Tastkopfs detektiert wird. Alternativ kann ein Zeitgeber vorgesehen
sein, der die Energieversorgung eine vorbestimmte Periode, nachdem
sie verbunden wurde, oder nach einer vorbestimmten Periode eines
Nichtgebrauchs des Tastkopfs trennt. Der Tastkopf kann beide dieser
Optionen aufweisen, um die Energieversorgung zu trennen.
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Die
Energieversorgung ist vorzugsweise eine Batterie.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 schematisch
einen in einer Werkzeugmaschine eingebauten Tastkopf veranschaulicht;
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2 ein
vertikaler Querschnitt eines Teils des Tastkopfs von 1 ist;
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3 ein
horizontaler Schnitt an der Linie III-III in 2 ist;
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4 ein
Schaltschema eines Teils der Schaltung in dem Tastkopf ist;
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5, 6, 7 und 8 Flussdiagramme
von Teilen eines Programmes sind, das auf einem in der Schaltung
von 4 enthaltenen Prozessor laufen kann; und
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9 ein
Schaltschema eines Teils einer alternativen Ausführungsform ist.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme auf
1 weist ein Touch-Trigger-Tastkopf
10 einen
Schaft
16 zum Einsetzen in eine rotierbare Spindel
14 einer
Werkzeugmaschine im Austausch gegen ein Schneidwerkzeug auf. Die
Spindel kann dann in drei Dimensionen (in den Richtungen X, Y, Z)
relativ zu einem Werkstück (nicht
gezeigt) bewegt werden, um einen Taststift
12 des Tastkopfs
10 in
Kontakt mit verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Werkstückes zu
bringen. Eine Schaltung in dem Tastkopf, z. B. wie in dem
US-Patent Nr. 4 153 998 beschrieben,
detektiert einen Kontakt zwischen dem Taststift
12 und
dem Werkstück
und erzeugt in Ansprechen ein Auslösesignal. Das Auslösesignal
wird an eine Schnittstelle
18 übertragen, die es zu einem
CNC-Controller der Werkzeugmaschine leitet. Dieser zeichnet die
X, Y, Z-Position der Spindel
14 relativ zu dem Werkstück zum Zeitpunkt
des Kontakts auf und erlaubt dadurch, dass Größenmessungen des Werkstückes durchgeführt werden.
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Da
der Tastkopf 10 gegen Schneidwerkzeuge in der Spindel 14 der
Werkzeugmaschine austauschbar sein soll, wäre es schwierig, sein Signal über eine
festverdrahtete Verbindung zu übertragen. Der
Tastkopf ist daher batteriebetrieben und weist ein drahtloses Signalübertragungssystem
auf. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird ein
Funkübertragungssystem
verwendet und das Signal wird von einer Antenne 20 empfangen,
die mit der Schnittstelle 18 verbunden ist. Allerdings
sind auch andere drahtlose Übertragungssysteme
für solche
Tastköpfe,
die optische und induktive Übertragungssysteme
umfassen, gut bekannt, und diese können gleichermaßen verwendet
werden. Anstelle des Touch-Trigger-Tastkopfs 10 kann eine
beliebige andere Art von Tastkopf einschließlich der in der Einleitung
dieser Beschreibung erwähnten
verwendet werden.
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Die
2 und
3 zeigen
mehr Details des in
1 gezeigten Touch-Trigger-Tastkopfs
10. Der
mit einem Werkstück
in Kontakt tretende Taststift
12 ist mit einer Taststifthalterung
22 in
einem Gehäuse
24 des
Tastkopfs verbunden oder verbindbar. Die Taststifthalterung
22 weist
drei radial vorstehende Rollen
26 auf. Diese sitzen kinematisch
auf entsprechenden Paaren von Kugeln
28 unter der Vorspannkraft
einer Feder
23, wodurch der Taststift
12 eine präzise wiederholbare
Ruheposition erhält.
Wenn der Taststift
12 mit einem Werkstück in Kontakt tritt, wird er
in dieser Ruheposition gestört
und unterbricht eine elektrische Schaltung zwischen den Rollen
26 und Kugeln
28.
Für weitere
Details dieser und alternativer Anordnungen, die verwendet werden
können,
wird auf das
US-Patent Nr. 4
153 998 verwiesen.
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Eine
elektronische Schaltung zur Verarbeitung des resultierenden Signals
ist auf einer Folienplatine 30 vorgesehen. Wie gezeigt,
kann diese vorteilhafterweise zu einer Dreiecksform gewickelt sein, die
allgemein koaxial mit dem Taststift 12 und der Taststifthalterung 22 und
mit der Rotationsach se der Spindel 14 steht. Die Folienplatine 30 kann
entweder die Tastkopfhalterung 22 umgeben oder über diesem angeordnet
sein. Dies ergibt eine kompakte Anordnung, sodass der Tastkopf in
ein kleines Gehäuse 24 eingebaut
werden kann. Die elektronische Schaltung umfasst die Komponenten,
die erforderlich sind, um das von der Schaltung über die Kugeln 28 und
Rollen 26 empfangene Auslösesignal zu verarbeiten, wobei viele
davon in einer dedizierten programmierbaren Prozessor- oder Mikroprozessorschaltung
wie z. B. einer programmierbaren integrierten Schaltung (PIC) enthalten
sind. Sie umfasst auch die Komponenten, die für eine drahtlose Übertragung
des Signals an die Schnittstelle 18 erforderlich sind.
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Zum
besseren Verständnis
zeigen die 2 und 3 nur eine
der an der Folienplatine 30 angebrachten Komponenten. Diese
ist ein Linearbeschleunigungsschalter 32. Ein geeigneter
Typ ist im Handel von American Electronic Components Inc., 23590
County Road 6, Elkhart, IN 46515, USA, als Teil #DD 1284 erhältlich.
Diese Solche werden auch als G-Schalter, d. h. solche, die auf Beschleunigungskräfte reagieren,
angeboten. Der Schalter wird unter anderem wegen seiner kompakten
Größe gewählt, um
den Einbau in die kompakte Anordnung, die in den 2 und 3 gezeigt
ist, zu erleichtern. Er enthält
eine Kugel 34, die durch eine Feder 38 von einem
verstellbaren Taststift 36 weg vorgespannt ist. Wenn der
Tastkopf einer Beschleunigung ausgesetzt ist, stellt die Kugel 34 einen
elektrischen Kontakt mit dem Stift 36 gegen die Wirkung
der Feder 38 her, wodurch ein elektrischer Kreis geschlossen
wird.
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Der
Linearbeschleunigungsschalter 32 ist außerhalb der Achse des Tastkopfs
(um die er durch die Spindel 14 rotierbar ist) angebracht.
Dadurch ist sichergestellt, dass er nicht nur auf Linearbeschleunigungen
sondern auch auf eine Rotation der Spindel 14 reagiert.
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Da
der Tastkopf
10 batteriebetrieben ist, ist es wünschenswert,
die Batterielebensdauer der zu erhalten, indem der Tastkopf nur
eingeschaltet wird, wenn er für
den Gebrauch benötigt
wird. Der Schalter
32 wird verwendet, um dies auf eine ähnliche
Weise wie in dem
US-Patent Nr.
4 599 524 zu erreichen. Er reagiert auf die Beschleunigung,
die er erfährt,
wenn die Spindel
14 der Werkzeugmaschine rotiert wird, und
wird verwendet, um den Tastkopfschalter von einem schlafenden oder
Ruhezustand, in dem er den Schalter
32 lediglich überwacht,
in einen vollständig „eingeschalteten" Zustand zu schalten.
Somit kann der Tastkopf, nachdem er in die Spindel
14 eingesetzt wurde,
durch eine kurze Rotation der Spindel
14 unter der Steuerung
des CNC-Controllers der Werkzeugmaschine für den normalen Gebrauch vollständig eingeschaltet
werden.
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Im
Gegensatz zu dem
US-Patent Nr.
4 599 524 reagiert der Schalter
32 jedoch nicht
nur auf Beschleunigungen, die durch eine Rotation bewirkt werden,
sondern auch auf Linearbeschleunigungen. Er könnte zum Beispiel auf Beschleunigungen
reagieren, die durch einen automatischen Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine
verursacht werden, wenn der Tastkopf in die Spindel
14 eingesetzt
oder von dieser entfernt wird; oder auf Beschleunigungen, wenn sich
die spindel normal um das Werkstück
herum bewegt; oder auf Bewegungen, wenn der Tastkopf außer Gebrauch
in einem Magazin oder Karussell des automatischen Werkzeugwechslers
aufbewahrt ist. Anordnungen zum Detektieren der Rotation und um
sie von anderen solchen Beschleunigungen zu unterscheiden, werden
nun unter Bezugnahme auf die
4,
5 und
6 beschrieben.
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4 zeigt
bei
40 die PIC oder einen anderen Prozessor, die/der derart
ausgewählt
ist, dass sie/er einen niedrigen Stromverbrauch aufweist, da sie/er
permanent mit einer Batterie
52 oder einer anderen in dem
Tastkopfgehäuse
24 angeordneten
Energieversorgung verbunden ist. Die PIC ist derart programmiert,
dass auf ihr eine Anzahl von Routinen abläuft. Diese können z.
B. digitale Filterfunktionen zum Verarbeiten des Auslösesignals
umfassen, wie in unserer gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung
Nr.
WO 03/021 182 beschrieben
ist. Sie können
auch Funktionen umfassen, die Betriebsmodi des Tastkopfs voreinstellen,
wie in der internationalen Patentanmeldung Nr.
WO 02/063 235 beschrieben ist.
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Ein
solcher Betriebsmodus, der in dem Tastkopf während der Fertigung oder beim
Einbau voreingestellt sein kann, kann bestimmen, ob der Tastkopf durch
den Schalter 32 anstatt durch ein anderes Mittel eingeschaltet
werden soll. Wenn es so ist, dann bewirkt ein Ausgang 41 der
PIC 40, dass ein elektronsicher Schalter 56 eine
Versorgungsspannung von der Tastkopfbatterie 52 an einen
Widerstand R1 anlegt. Als Alternative kann der Widerstand R1 eine Versorgungsspannung
direkt von dem Ausgang 41 der PIC 40 empfangen.
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Wie
in 4 gezeigt, ist der Beschleunigungsschalter 32 in
Serie mit einem Widerstand R1 über
die Batterie 52 verbunden. Der Schalter ist mit einer Eingangsleitung 42 der
PIC 40 verbunden, sodass dieser Eingang hoch ist, wenn
der Schalter 32 offen ist, und niedrig ist, wenn er geschlossen
ist. Ein einfaches RC-Filter, das einen Kondensator C1 und einen
Widerstand R2 umfasst, filtert transiente Spitzen, falls der Schalter 32 vorübergehend
schließt,
z. B. als Ergebnis einer Vibration, und der Widerstand R1 begrenzt
den Strom durch den Schalter 32.
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5 zeigt
schematisch eine der Programmroutinen, die auf der PIC 40 abläuft und
in regelmäßigen Intervallen
(im vorliegenden Beispiel alle 1 ms) aufgerufen wird. In einem Schritt 44 wird
der Eingang 42 von dem Schalter 32 zyklisch abgefragt (in
Intervallen von 1 ms), um festzustellen, ob der Eingang hoch oder
niedrig ist. Jedes Mal, wenn die Routine 44 den Schalter
zyklisch abfragt, speichert sie den resultierenden Wert in einem
internen Speicher.
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Ein
Schritt 45 dieser Routine analysiert dann die letzten 150
so gespeicherten Werte, um festzustellen, ob der Schalter bei mindestens
33% der vorhergehenden 150 Abfragungen geschlossen war. Er setzt
oder löscht
ein Flag in dem Speicher auf Basis dessen und gibt somit auf einer
kontinuierlichen Rollbasis an, ob der Schalter 32 für zumindest
33% der vorhergehenden 150 ms geschlossen war.
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Dies
definiert ein erstes Zeitintervall mit einer Dauer von 150 ms, die
gewählt
wird, da sie annähernd
der Zeit entspricht, die eine Umdrehung des Tastkopfs bei einer
Drehzahl von 400 Umdrehungen pro Minute benötigt. Somit bleibt das Flag
gesetzt, wenn der Schalter 32 für mindestens ein Drittel einer jeden
Umdrehung des Tastkopfs geschlossen ist. Dies hat zwei Effekte.
Erstens filtert es jegliches Kontaktgrellen von dem Schalter 32.
Zweitens stellt es sicher, dass das Flag gesetzt bleibt, auch wenn
der Tastkopf um eine horizontale Achse (in einer Maschine, in der
die Spindel 14 horizontal ist) rotiert wird. Im letzteren
Fall kann der Schalter 32 infolge der Schwerkraft bis zur
Hälfte
einer jeden Umdrehung geöffnet
sein, aber das Flag bleibt gesetzt.
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Selbstverständlich könnte die
Länge dieses ersten
Zeitintervalls geändert
sein, z. B. wenn der Tastkopf bei einer anderen Drehzahl rotiert
werden soll, wenn er eingeschaltet werden soll. Wenn er z. B. bei
1000 Umdrehungen pro Minute rotiert werden soll, kann das erste
Zeitintervall 60 ms anstelle von 150 ms betragen. Der Anteil
dieses Zeitintervalls, in dem der Schalter geschlossen sein muss,
um das Flag zu setzen, kann ebenfalls geändert sein, er könnte z.
B. einer viertel oder einer halben Umdrehung entsprechen.
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6 zeigt
schematisch eine separate Routine 46, die ebenfalls in
regelmäßigen Intervallen
(z. B. alle 1 ms) aufgerufen wird, um dieses Flag zyklisch abzufragen.
Sie führt
eine Analyse aus, um festzustellen, ob das Flag für die vorhergehenden
500 ms kontinuierlich gesetzt (hoch) war und definiert ein zweites
Zeitintervall, das länger
als das erste ist. Wenn dies der Fall ist, liefert sie einen Ausgang
auf einer Leitung 48 der PIC (siehe 4).
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Die
Dauer von 500 ms des zweiten Zeitintervalls wird gewählt, um
zwischen einer absichtlichen Rotation des Tastkopfs 10 und
Linearbeschleunigungen der oben erläuterten Arten zu unterscheiden.
Die Linearbeschleunigungen dauern typischerweise weniger als 500
ms, während
es einfach ist, es so einzurichten, dass der Tastkopf für eine Zeitspanne
von mehr als 500 ms rotiert wird. Die Dauer dieses zweiten Zeitintervalls
könnte
in der Praxis abhängig
von der Dauer der erfahrenen Linearbeschleunigungen selbstverständlich auch
mehr oder weniger als 500 ms betragen.
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Die
ersten und zweiten Zeitintervalle entsprechen daher einer vorbestimmten
Signatur, die mit einer spezifischen Bewegung des Tastkopfs (und zwar
eine absichtliche Rotation der Spindel) in Beziehung steht. Die
Routinen der 5 und 6 stellen sicher,
das die PIC-Schaltung 40 auf Signale von dem Schalter 32,
die durch diese Rotation bewirkt werden, anspricht.
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Das
Vorliegen des Ausgangs auf der Leitung 48 gibt somit an,
dass der Schalter 32 durch die absichtliche Rotation der
Spindel 14 und nicht durch irgendeine andere Form von Beschleunigung
betätigt wurde.
Wie in
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4 ersichtlich,
betätigt
er einen elektronischen Schalter 50, um Energie von der
Batterie 52 an die viel Energie verbrauchenden Schaltungen 54 des Tastkopfs
anzulegen. Diese umfassen die Schaltung über die Kugeln 28 und
Rollen 26 und die drahtlose Signalübertragungsschaltung, die das
Tastkopfsignal über
eine Antenne 58 in dem Tastkopf überträgt.
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7 zeigt
eine Programmroutine, die auf dem Prozessor 40 als eine
Alternative zu den Routinen der 5 und 6 laufen
kann. Wie bei den 5 und 6 wird diese
Routine in regelmäßigen Intervallen,
z. B. alle 1 ms einmal, aufgerufen.
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Der
erste Schritt 73 dieser Routine fragt den Schalter 32 (in
den 1 ms-Intervallen)
zyklisch ab. Ein Schritt 74 stellt dann fest, ob der Eingang
von dem Schalter hoch oder niedrig ist, was angibt, ob der Schalter 32 offen
oder geschlossen ist. Wenn er geschlossen ist, inkrementiert ein
Schritt 76 ein in dem Speicher des Prozessors 40 gehaltenes
internes Softwareregister.
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Unabhängig davon,
ob der Eingang von dem Schalter 32 hoch oder niedrig war,
wird in Schritt 78 ein Softwarezähler inkrementiert. Ein Schritt 80 prüft dann,
ob der Softwarezähler
einen Zählwert
von 150 erreicht hat. Die Routine schreitet nur dann zu den nächsten in 7 gezeigten
Schritten weiter, wenn er 150 erreicht hat. Wenn der Zählwert kleiner
ist als 150, endet die Routine (Schritt 81) und setzt keine weitere
Aktion, bis sie das nächste
Mal, 1 ms später, aufgerufen
wird.
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Da
der Zähler
alle 1 ms inkrementiert wird, gibt er in den Schritten 78 und 80
an, ob ein erstes Zeitintervall von 150 ms verstrichen ist. Wenn
ja, dann überprüft die Routine
in einem Schritt 82 den Zählwert, der von dem Register
erreicht wurde, das in Schritt 76 inkrementiert wurde.
Sie stellt fest, ob der Zählwert
in diesem Register gleich oder größer als 50 ist. Wenn ja, gibt
dies an, dass der Schalter 32 für mindestens 33% des ersten
150 ms-Zeitintervalls geschlossen war, und ein internes Flag in
dem Speicher des Prozessors 40 wird gesetzt (Schritt 84).
Wenn der Zählwert
des Registers hingegen kleiner als 50 ist, wird das Flag gelöscht (Schritt 86).
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Es
ist verständlich,
dass die Schritte 74–82, wie
bisher beschrieben, als eine Möglichkeit
der Implementierung des in 5 angezeigten
Prozesses 45 verwendet werden könnten. In der vorliegenden Routine
unterscheiden sich jedoch die in den Schritten 84 und 86 gesetzten
Flagsetz- und -löschaktionen
von jenen in 5.
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Im
Speziellen sieht die Routine von 7 nicht
ein, sondern drei solcher Flags in dem Speicher des Prozessors 40 vor.
Eines dieser drei Flags wird wiederum jedes Mal gesetzt, wenn Schritt 84 erreicht ist.
Auf diesen folgt ein Schritt 88, der feststellt, ob alle
drei Flags bei den letzten drei aufeinanderfolgenden Durchgängen des
Schrittes 84 nacheinander gesetzt wurden. Wenn nicht, endet
die Routine lediglich bei Schritt 92 und setzt keine weitere
Aktion, bis sie 1 ms später
wieder aufgerufen wird.
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Wenn
drei Flags nacheinander vorhanden waren, gibt Schritt 90 ein
Signal auf der Leitung 48 des Prozessors 40 aus,
um die Tastkopfschaltungen 54 einzuschalten (siehe 4)
Dann endet die Routine über
Schritt 92. Somit ist das Ergebnis ähnlich jenem der Routine von 6,
außer
dass anstelle einer einzigen Zeitperiode von 500 ms festgestellt
wird, ob Flags für
drei aufeinanderfolgende Perioden von 150 ms (insgesamt 450 ms)
gesetzt worden sind. Wie in 6 sieht
dies ein zweites Zeitintervall vor, das länger ist als das erste und
zwischen einer absichtlichen Rotation des Tastkopfs 10 und
Linearbeschleunigungen unterscheidet.
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Wenn
in Schritt 82 festgestellt wird, dass das Register einen
Zählwert
von 50 während
des ersten 150 ms-Zeitintervalls nicht überschritten hat, dann löscht der
Schritt 86 alle drei Flags. Dies gibt an, dass das zweite
450-ms-Zeitintervall nicht erreicht worden ist und daher keine weitere
Aktion erforderlich ist. Wiederum endet die Routine über Schritt 92.
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Wann
immer die Routine über
Schritt 92 endet, ist es notwendig, das Register und den
Zähler auf
null zu setzen, bereit für
ein zukünftiges
Inkrementieren in den Schritten 76 und 78. Dies
startet ein neues erstes 150 ms-Zeitintervall das nächste Mal, wenn
der Schalter 32 in Schritt 44 zyklisch abgefragt wird.
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Wiederum
ist einzusehen, dass die verschiedenen Zeitintervalle einer vorbestimmten
Signatur entsprechen, die mit einer speziellen Bewegung des Tastkopfs,
d. h. einer absichtlichen Rotation der Spindel, in Beziehung steht.
Wiederum stellt die Routine von 7 sicher,
dass die PIC-Schaltung 40 auf
Signale von dem Schalter 32, die durch diese Rotation bewirkt
werden, anspricht.
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Nachdem
die viel Energie verbrauchenden Schaltungen
54 eingeschaltet
worden sind, ist es auch wünschenswert,
sie auszuschalten, wenn der Gebrauch des Tastkopfs beendet ist.
Das Verfahren, mit dem dies zu erfolgen hat, kann einer der Betriebsmodi
sein, die in den Tastkopf vorprogrammiert und in dem Speicher der
PIC
40 gespeichert sind, wie in der oben erwähnten internationalen
Patentanmeldung Nr.
WO 02/063
235 beschrieben ist. Ein solches Verfahren besteht im Detektieren
einer weiteren absichtlichen Rotation des Tastkopfs in der Spindel
14.
Eine Alternative besteht, darin dass der Tastkopf nach einer vorbestimmten
Periode eines Nichtgebrauchs seinen Betrieb unterbricht.
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8 zeigt
eine Routine, die zu diesem Zweck in regelmäßigen Intervallen auf der PIC 40 abläuft. Diese
Routine läuft
nur dann ab, wenn die Tastkopfschaltungen 54 eingeschaltet
worden sind (d. h. die Leitung 48 ist hoch). Dieser Zustand
wird in einem anfänglichen
Schritt 60 festgestellt und wenn er falsch ist, kehrt die
Routine einfach zurück,
ohne irgendeinen der nächsten
Schritte auszuführen.
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Im
nächsten
Schritt 62 überprüft die Routine den
in dem Speicher der PIC 40 gespeicherten vorprogrammierten
Betriebsmodus. Sie stellt fest, ob ein „Ausdreh"-Modus vorprogrammiert wurde, d. h.,
ob die Schaltungen 54 durch eine weitere Rotation des Tastkopfs
ausgeschaltet werden sollen. Wenn die Antwort ja lautet, schreitet
sie zu einem Schritt 64 weiter. In Schritt 64 wartet
sie auf eine weitere Rotation des Tastkopfs, wie in den 5 und 6 oder 7 festgelegt.
Unterdessen wird ein Normalbetrieb des Tastkopfs fortgesetzt. Wenn
solch eine weitere Rotation detektiert wird, werden die Schaltungen 54 ausgeschaltet,
indem die Leitung 48 der PIC niedrig genommen wird (Schritt 66).
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Wenn
in Schritt
62 festgestellt wird, dass sich der Tastkopf
nicht in dem „Ausdreh"-Modus befindet, dann
werden die Schaltungen
54 stattdessen durch einen „Time-Out" (= Unterbrechungs)-Modus
ausgeschaltet. Hier stellt ein Schritt
68 die vorprogrammierte
Dauer des Time-Out (= Unterbrechungs)-Intervalls, z. B. 12 s, 33
s und 124 s, fest. Dies ist ein vorwählbarer Wert, wie zuvor in
dem Speicher der PIC
40 in Übereinstimmung mit der internationalen
Patentanmeldung Nr.
WO 02/063
235 gespeichert.
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Als
Nächstes
wartet die Routine in Schritt 70 auf das festgelegte Time-Out-Intervall. Unterdessen wird
ein Normalbetrieb des Tastkopfs fortgesetzt, wie in Schritt 64.
Das Time-Out-Intervall beginnt, wenn die Tast kopfschaltungen 54 eingeschaltet
wurden. In vorteilhafter Weise kann das Time-Out-Intervall jedoch
jedes Mal neu gestartet werden, wenn der Tastkopf ein Auslösesignal
erzeugt. Dies stellt sicher, dass die Tastkopfschaltungen 54 nicht
während
einer lang andauernden Gebrauchsperiode des Tastkopfs ausgeschaltet
werden. Wenn das Time-Out-Intervall abläuft, werden die Schaltungen 54 ausgeschaltet, indem
die Leitung 48 der PIC niedrig genommen wird (Schritt 72).
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Auch
wenn in 8 nicht gezeigt, kann es selbst
im „Ausdreh"-Modus wünschenswert
sein, ein langes Time-Out-Intervall, z. B. 90 Minuten, vorzusehen,
um sicherzustellen, dass die Tastkopfschaltungen 54 letztendlich
ausgeschaltet werden, selbst wenn in Schritt 64 keine weitere
Rotation des Tastkopfs detektiert wird.
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Anstelle
des in den 2 und 3 gezeigten
Schalters 32 können
andere beschleunigungsempfindliche Schalter oder Sensoren verwendet
werden.
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Zum
Beispiel kann ein Quecksilberschalter verwendet werden. Er kann
normalerweise geschlossen sein und sich öffnen, wenn eine Beschleunigung erfolgt
(im Gegensatz zu dem normalerweise offenen Schalter 32).
Schritt 45 von 5 sollte dann eine Prüfung vornehmen,
um zu sehen, ob der Schalter geöffnet
anstatt geschlossen worden ist. Technisch funktioniert solch eine
Anordnung gut, Quecksilberschalter besitzen jedoch ökologische
Nachteile.
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Alternativ
können
Linearbeschleunigungsschalter, die aus mikrobearbeitetem Silizium
(MEMS) gebildet sind, verwendet werden. Wie zuvor erwähnt, besteht
eine weitere Alternative darin, einen Beschleunigungsmesser zu verwenden,
der ein Signal liefert, das zu der Beschleunigung proportional ist, wobei
eine geeignete Verarbeitung des Signals entweder elektronisch oder
durch die Software in der PIC 40 vorgesehen ist. Piezo-
oder Dehnungsmesssensoren können
verwendet werden.
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9 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Der Tastkopf ist mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren 132 versehen.
Vorzugsweise sind zumindest zwei vorhanden, die unter rechten Winkeln
in dem Tastkopf angeordnet sind, sodass sie auf Bewegungen auf zwei
orthogonalen Achsen X und Y ansprechen. Optional kann ein dritter
solcher Sensor 132 vorhanden sein, der unter rechten Winkeln
zu den beiden anderen angeordnet ist, sodass er auf Bewegungen in
der Z-Richtung (d.
h. der Rotationsachse der Spindel) anspricht.
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Der/die
Sensor/en 132 kann/können
der/dieselben sein wie der beschleunigungsempfindliche Schalter 32 in
den 2 und 3 oder kann/können eine
andere Art von beschleunigungsempfindlichen Sensor sein, wie oben
erläutert.
Besonders im letzteren Fall können
Signalverarbeitungsschaltungen 100 erforderlich sein, um
die Signale in eine Form zu verarbeiten, in der sie einem/r programmierbaren
Mikroprozessor oder PIC 140, die der PIC 40 in 4 entspricht,
zugeführt
werden können.
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Der/die
Sensor/en 132 liefert/n (optional über die Signalverarbeitungsschaltungen 100)
ein Signal oder Signale 102, das/die mit den Bewegungen
und Beschleunigungen, die der Tastkopf erfährt, in Beziehung steht/stehen.
Diese umfassen die Bewegungen und Beschleunigungen, die der Tastkopf
während
eines Werkzeugwechselvorgangs erfährt, wenn er aus einem Werkzeugkarussell
der Werkzeugmaschine entnommen und in die Werkzeugmaschinenspindel eingesetzt
wird. Da diese Bewegungen und Beschleunigungen für eine gegebene Werkzeugmaschine
dieselben sind, bildet/en das Signal oder die Signale 102 eine
Signatur, die für
den Werkzeugwechselvorgang eindeutig ist.
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Die
PIC 140 lernt daher den Vorgang eines Werkzeugwechsels
(Einsetzen des Tastkopfs in die Spindel vor dem Gebrauch), indem
sie das/die entsprechende/n Signatursignal oder -signale 102 von dem
Sensor oder den Sensoren 132 in einem Flash-Speicher 104 speichert.
Dies geschieht durch Ausführen
eines oder mehrerer solcher Werkzeugwechsel in einem Lernschritt,
wenn der Tastkopf in der Werkzeugmaschine eingebaut wird.
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Während eines
nachfolgenden Gebrauchs überwacht
die PIC 140 das/die von dem/den Sensor/en 132 empfangene/n
Signal/e. Wenn sie mit dem/den gespeicherten Signatursignal/en bis
zu einer geeigneten Toleranz übereinstimmen,
wird auf einer Leitung 148, die der Leitung 48 in 4 entspricht,
ein Ausgang geliefert. Dadurch wird die Batterieenergieversorgung
mit den übrigen
Schaltungen des Tastkopfs verbunden. Es wird zu erkennen sein, dass
somit zwischen der Bewegung des Tastkopfs während des Werkzeugwechselvorgangs
und anderen Bewegungen des Tastkopfs unterschieden wird.
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Das/die
Signatursignal/e 102 ist/sind in 9 in rechteckiger
Form gezeigt, sodass es/sie in dem Speicher 104 im Hinblick
auf die Dauer der hohen und niedrigen Teile der Wellenform gespeichert werden
kann/können.
Wenn jedoch ein Sensor oder Sensoren 132 verwendet wird/werden,
der/die Ausgänge
liefert/n, die zu der Beschleunigung proportional sind, können diese
durch einen A/D-Wandler digitalisiert werden, der anstelle der Signalverarbeitungsschaltung 100 vorgesehen
ist. Die Signatur kann dann in dem Speicher 104 als eine
digitale Darstellung gespeichert werden.
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Alternativ
kann/können
der eine oder die mehreren Sensor/en 132 (ein) Schwingungssenor/en sein,
der/die (einen) Ausgang/Ausgänge
liefert/n, die auf Vibrationen anspricht/ansprechen, der/die während der
Bewe gungen des Tastkopfs bei einem Werkzeugwechselvorgang und insbesondere,
wenn der Schaft 16 des Tastkopfs in Kontakt mit den passenden
Teilen der Spindel 14 gebracht wird, auftreten. Wiederum
wird dies für
eine gegebene Werkzeugmaschine eindeutig sein und die Vibrationssignatur
kann somit auf dieselbe Weise gelernt und verwendet werden wie oben.
Es ist verständlich,
dass diese Anordnung die Bewegungen indirekt, als ein Ergebnis der
verursachten Vibrationen, unterscheidet.
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Welche
Form von solch einer Signaturerkennung auch verwendet wird, die
Tastkopfschaltung kann von der Batterie auf jede beliebige der oben
für die
verschiedenen Ausführungsformen
erläuterten Arten,
z. B. eine Unterbrechung nach einer Periode von Inaktivität, getrennt
werden. Wenn es erwünscht ist,
eine Bewegungs- oder Vibrationsdetektion zu verwenden, um die Batterie
zu trennen, dann muss ein zweites Signatursignal (oder ein Satz
von Signatursignalen von jedem Sensor 132) gelernt und
in dem Speicher 104 gespeichert werden, das der Bewegung
des Tastkopfs entspricht, wenn er aus der Spindel entnommen und
in das Werkzeugkarussell zurückgegeben
wird.
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Anstelle
von Sensoren
32,
132, die speziell vorgesehen
sind, um auf eine Bewegung oder Vibration zu reagieren, ist es in
jeder der oben stehenden Ausführungsformen
möglich,
die Sensoren zu verwenden, die normalerweise bereits in einem Tastkopf vorgesehen
sind, um das Werkstück
zu erfassen. Zum Beispiel kann im Fall eines Tastkopfs gemäß dem
US-Patent 4 153 998 eine Vibration
oder Bewegung während
eines Werkzeugwechselvorgangs bewirken, dass sich die elektrischen
Kontakte lösen,
die normalerweise einen Kontakt des Taststifts des Tastkopfs mit
einer Werkstückoberfläche anzeigen.
Alternativ können
in einem Analog- oder Mess- oder Proportionaltastkopf die Sensoren
für die
X-, Y-, Z-Bewegung des Taststifts als Beschleunigungsmesser dienen.
In jedem Fall können diese
Sensoren, wenn sie permanent mit der Batterie verbunden sind, verwendet
werden, um Signatursignale zu liefern, die die PIC
140 in
9 lernen
und detektieren kann. Der Ausgang auf der Leitung
148 kann
dann verwendet werden, um die Signalübertragungsschaltungen des Tastkopfs,
die normalerweise die größten Energieverbraucher
sind, einzuschalten.