DE69103930T2 - Mess-Fühlerprobe. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft Tastköpfe für Positionsbestimmungsgeräte wie Werkzeugmaschinen und Koordinatenmeßgeräte.
Beschreibung des Standes der Technik
• Derartige Maschinen weisen eine Spindel, Drehstab oder Arm auf, die oder der in zwei oder drei Dimensionen beweglich ist und einen Tastkopf oder ein anderes Werkzeug tragen kann. Maßstäbe oder andere Meßgeräte messen die Position des Kopfes oder Werkzeugs in den zwei oder drei Dimensionen. Ein für den Gebrauch mit einer derartigen Maschine vorgesehener Tastkopf weist einen sich von seinem Körper erstreckenden, ablenkbaren Stift auf, um eine Oberfläche des Werkstückes zu kontaktieren.
• Tastköpfe für derartige Anwendungen, die kommerziell extrem erfolgreich waren, sind beispielsweise in dem US-Patent 4,153,998 (McMurtry) gezeigt. Innerhalb des Kopfkörpers befindet sich eine kinematische Traganordnung, in der ein Stifthalteteil axial von einer Feder beaufschlagt wird. Die kinematische Traganordnung trägt infolgedessen den Stift relativ zu dem Körper in einer Ruhelage, wobei die Ruhelage im Raum extrem reproduzierbar ist. Wenn der Stift die Oberfläche eines Werkstücks kontaktiert, wird ein Triggersignal von dem Kopf erzeugt, das verwendet wird, um die Aufnahme einer die momentanen Lage der beweglichen Spindel, Drehstab oder Arm anzeigenden Ausleseeinrichtung zu triggern. Aufgrund der Reproduzierbarkeit der Ruhelage des Stiftes stellt dies eine genaue Messung der Lage des Kontaktpunktes zwischen dem Stift und dem Werkstück im Raum dar. Der Stift ist zur Vermeidung einer Schädigung gegen die Vorspannung der Feder auslenkbar und kehrt nachfolgend in die reproduzierbare Ruhelage zurück.
• Einige verschiedene Typen von kinematischen Traganordnungen sind in dem US-Patent 4,153,998 offenbart. Eine offenbarte Anordnung weist drei Tragstellen auf, die um die Achse des Kopfes beabstandet angeordnet sind. An jeder Tragstelle befindet sich ein Tragelement (beispielsweise ein Zylinder) auf dem Halteteil des Stiftes, das in Eingriff mit einem Paar Tragelementen (beispielsweise ein Paar Kugeln) gedrängt wird, die gegeneinander konvergierende Oberflächen aufweisen. Diese Anordnung von drei sich in jeweiligen Paaren von konvergenten Oberflächen befindenden Elementen schafft sowohl eine axiale Beschränkung als auch eine seitliche Beschränkung des Stiftes, wenn dieser in der Ruhelage ist, während sie gleichzeitig eine einzigartige kinematische Ruhelage herbeiführt, die extrem reproduzierbar ist.
• Eine in US 4,153,998 beschriebene zweite alternative Anordnung weist drei Tragelemente auf einem der Teile auf, die in Axialrichtung gegen eine ebene Oberfläche drücken, um eine axiale Ruhelage zu schaffen. Eine gesonderte seitliche Beschränkung ist vorgesehen, um in Kombination mit der axialen Beschränkung eine einzigartige kinematische Ruhelage zu ergeben. Verschiedene unterschiedliche Formen der seitlichen Beschränkung sind offenbart. Ein weiteres Beispiel einer seitlichen Beschränkung, die verwendet werden kann, ist eine ebene, sich in seitlicher Richtung erstreckende Feder, die an einem Ende mit dem Stiftteil und an dem anderen Ende mit dem Gehäuse verbunden ist. Ein Beispiel ist in dem US-Patent 4,451,987 (Cusack) gezeigt.
• FR-A-2375580 zeigt einen Kopf mit zwei kinematischen Traganordnungen, die seriell Rücken an Rücken angeordnet sind. Dies ermöglicht, daß der Stift sowohl aufwärts als auch abwärts sowie seitlich abgelenkt werden kann. Für Aufwärts- oder Abwärtsablenkungen treten die Tragelemente eines kinematischen Trägers außer Eingriff, während jene des anderen kinematischen Trägers in Eingriff verbleiben. Für eine seitliche Ablenkung können die zwei kinematischen Träger in entgegengesetzten Richtungen außer Eingriff gelangen.
• Obgleich derartige Köpfe mit kinematischen Trägern häufig und mit großem Erfolg verwendet wurden, werden heutzutage die Meßerfordernisse der Industrie anspruchsvoller und es wird daher zunehmend notwendig werden, bestimmte Probleme derartiger Köpfe zu berücksichtigen, die früher von geringerer Bedeutung waren.
• Aufgrund der drei Tragstellen zeigen derartige Köpfe beispielsweise ein Phänomen, das als "Anhebung" (lobing) bekannt ist. Dies kann wie folgt erklärt werden. Wenn der Kopf sich auf eine Werkstückoberfläche zubewegt ist immer ein kleiner Abstand vorhanden, der zwischen dem Moment, in dem der Stift das Werkstück kontaktiert und dem Moment, in dem der Kopf daraufhin ein Triggersignal erzeugt, zurückgelegt wird. Dies ist als "Vorweg" (pretravel) bekannt. Für eine vorgegebene Kontaktrichtung mit dem Werkstück ist der Vorweg extrem reproduzierbar, und seine Wirkung kann daher durch Kalibrierung kompensiert werden. Aufgrund der Art der drei Tragstellen variiert der Vorweg jedoch für verschiedene Kontaktrichtungen beträchtlich, was der Antwort des Kopfes in einer zu der Achse senkrechten Ebene (bekannt als XY-Ebene) eine angehobene Charakteristik verleiht und einen unterschiedlichen Kalibrations- und Kompensationswert für jede Richtung notwendig macht. Der Anhebungseffekt ist proportional zu der axialen Kraft, die die kinematischen Lagerelemente aufeinander drückt, insbesondere in dem Fall, in dem das Triggersignal von einem elektrischen Schalter an den Lagerelementen erzeugt wird.
• Um den Anhebungseffekt zu vermindern ist es offensichtlich wünschenswert, eine Federkraft zu haben, die so niedrig wie möglich ist. Es gibt jedoch eine praktische untere Grenze für die Federkraft, da eine bestimmte minimale Federkraft erforderlich ist, um die kinematischen Tragelemente im Falle einer Beschleunigung oder einer Vibration des Kopfes, wenn der bewegt wird, in Sitz aufeinander zu halten; andernfalls wird ständiges aus-dem-Sitz-gelangen zur Erzeugung falscher Triggersignale führen.
• Solche konvergierenden Oberflächenköpfe können sehr gelegentlich auch ein Hystereseproblem aufweisen, wenn sie in den Sitz zurückgelangen. Dies kann durch Reibung zwischen den Lagerelementen hervorgerufen werden, die bewirkt, daß ein einzelnes Element an einer Stellen nicht vollständig mit dem entsprechenden Paar konvergenter Oberflächen in Sitz gelangt. Der daraufhin auftretende vertikale Fehler in der Lage des Elementes verursacht ein Verkippen des Stiftteils und bewirkt einen entsprechenden seitlichen Fehler in der Ruhelage der Stiftspitze. Die Richtung dieses seitlichen Fehlers hängt von der Richtung ab, von der der Stift sich wieder in seinen Sitz zurückbewegt. Der seitliche Fehler wird durch eine Hebelwirkung vergrößert, die proportional zur Länge des Stiftes ist und ist wesentlicher als jeder seitliche Lagerfehler des Tragelements in seinem Paar konvergierender Oberflächen.
• Der andere oben angegebene Typus eines Kopfes mit drei auf ebenen Oberflächen lagernden Tragelementen und einer gesonderten seitlichen Beschränkung weist ebenfalls die Nachteile des Anhebens und der Hysterese auf. Obgleich das Stiftteil für eine gegebene Kontaktrichtung mit dem Werkstück in eine reproduzierbare Ruhelage zurückkehrt, neigen verschiedene Kontaktrichtungen in der XY-Ebene dazu, etwas verschiedene Ruhelagen zu ergeben. Dies ist ebenfalls auf Reibung zwischen den Tragelementen und der tragenden ebenen Oberfläche zurückzuführen, wenn sie in der XY-Richtung übereinander vergleiten. Wenn der Kopf in seinen Sitz zurückgelangt, gleiten die Tragelemente in der XY-Ebene über die ebene Oberfläche, bis der in der XY-Ebene wirkende Zug der seitlichen Beschränkung sich auf ein bestimmtes Restmaß erniedrigt, an dem es ihm nicht mehr möglich ist, die restliche Reibungskraft in der XY-Ebene an den Tragelementoberflächen zu überwinden.
• Es sind ebenfalls Köpfe mit einer axialen Beschränkung bekannt, die aus mehr als drei Tragelementen auf einer ebenen Oberfläche (z.B. US 4,763,421) oder aus einem umlaufenden ringförmigen Ring, der auf einer ebenen Oberfläche getragen oder eine ebene Oberfläche trägt (z.B. US 4,477,976) besteht, bekannt. Wenn dies auch das Problem der Anhebung vermindern kann, bleibt das Problem der Hysterese bestehen und kann sogar verschlimmert sein.
• EP-A-0110192 und DE-A-3715698 zeigen ebenfalls Köpfe mit einem derartigen umlaufenden ringförmigen Ring zur axialen Beschränkung, zusammen mit einer ebenen Feder zur seitlichen Beschränkung. In derartigen Köpfen muß die ebene Feder relativ weich sein, um die notwendige vollständige Ablenkung des Stiftes zu ermöglichen. Dies begrenzt die Kraft, mit der die ebene Feder seitlichen Verschiebungen widersteht.
Zusammenfassung der Erfindung
• Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten vorteilhafte Merkmale verschiedener Typen von vorstehenden diskutierten Köpfen aus dem Stand der Technik, wobei sie ihre jeweiligen Nachteile minimalisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die bevorzugten Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 ein vertikaler Querschnitt durch einen ersten Kopf ist,
• Fig. 2 ein horizontaler Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 ist,
• Fig. 3 eine Detektoranordnung für den Kopf aus Fig. 1 zeigt,
• Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht ist, jedoch eine Modifikation zeigt,
• Fig. 5 ein vertikaler Querschnitt durch einen zweiten Kopf ist,
• Fig. 6 ein horizontaler Querschnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5 ist,
• Fig. 7 ein vertikaler Querschnitt durch einen dritten Kopf ist,
• Fig. 8 eine Ansicht nach der Linie VIII in Fig. 1 darstellt, die eine andere Modifikation zeigt,
• Fig. 9 eine der Fig. 8 entsprechende Ansicht darstellt, die eine weitere Modifikation zeigt; und
• Fig. 10 ein Schnitt durch eine Modifikation desKopfes aus Fig. 1 ist.
• Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 umfaßt der gezeigte Kopf ein Gehäuse 10, in dem ein Stifthalter angeordnet ist. Der Stifthalter 12 trägt einen Stift 14, der durch eine Öffnung 16 in dem Gehäuse 10 hervorsteht. Der Stift weist eine Spitze 15 zur Kontaktierung eines Werkstückes auf, und ein derartiger Kontakt bewirkt eine Auslenkung des Stiftes.
• Der Stifthalter 12 ist becherförmig und weist eine herabhängende Randung 18 auf. Der untere ringförmige Rand 22 der Randung 18 liegt auf einer ebenen inneren Oberfläche 20 des Gehäuses 10 auf. Die Oberflächen 22 und 20 sind zueinander eingeschliffen hergestellt, so daß sie extrem eben sind und einander entsprechen. Dies gewährleistet, daß der Stifthalter 12 in einer präzisen axialen Ruhelage gehalten ist. Er ist in diese axiale Ruhelage über eine Feder 24 vorgespannt, die bewirkt, daß ein konisches Teil 26 in eine Ausnehmung 28 im Stifthalter drückt.
• Genauso, wie der Stifthalter 12 und sein abhängiger Stift 14 in einer präzisen axialen Ruhelage sitzen, befinden sie sich auch in einer sehr präzisen seitlichen Ruhelage. Dies wird wie folgt sichergestellt. Eine membranähnliche planare Feder 30 ist in ihrem zentralen Bereich an dem Stifthalter 12 angebracht, an dem Punkt, von dem der Stift 14 von dem Stifthalter 12 herabhängt.
• An ihrem äußeren Umfang ist die planare Feder 30 an einem Ring 32 befestigt. Drei Zylinder 34 stehen radial aus dem Ring 32 hervor und lagern in den konvergierenden Oberflächen, die jeweils von Kugelpaaren 36, die an dem Gehäuse 10 befestigt sind, zur Verfügung gestellt werden. Infolgedessen ist der Ring 32 in gleicher Weise, wie dies in dem US-Patent US 4,153,998 beschrieben ist, in einer sowohl axial als auch seitlich kinematisch definierten Ruhelage gelagert. In Hinblick auf den Ring 32 hält die planare Feder 30 den Stifthalter 12 in einer extrem wohldefinierten seitlichen Ruhelage. Die planare Feder 30 kann sich jedoch biegen und eine vertikale Bewegung und eine Verkippung des Stifthalters 12 bezüglich dem Ring 32 ermöglichen; derartige Bewegungen sind nur durch die von den Oberflächen 20 und 22 herbeigeführte axiale Ruhelage beschränkt.
• Infolgedessen ist der Stift 14 durch eine Kombination einer axialen Beschränkung und einer seitlichen Beschränkung in einer präzise definierten Ruhelage gehalten. Obgleich die Kugeln 36 und die Zylinder 34 sowohl eine axiale Beschränkung als auch eine seitliche Beschränkung herbeiführen, gewährleistet die axiale Flexibilität der planaren Feder 30, daß der Stifthalter 12 nicht übermäßig eingezwängt ist.
• An dem Gehäuse 10 ist ein Zapfen 38 befestigt und erstreckt sich mit einem hinreichenden Zwischenraum durch ein Loch 40 in dem Stifthalter 12, so daß er den Normalbetrieb des Kopfes nicht stört. Zweck dieses Zapfens ist es, eine Rotation des Stifthalters 12 zu verhindern, wenn ein austauschbarer Stift 14 in den Stifthalter 12 eingeschraubt wird. Der Zapfen bildet auch eine Maßnahme zur Führung, um sicherzustellen, daß sich die Zylinder 34 nach einer Auslenkung des Stiftes wieder korrekt in die Kugelpaare 36 zurücksetzen. Die planare Feder 30 ist vorgespannt und ist in ihrem relaxierten Zustand in Art einer Belleville-Unterlegscheibe nach oben gebogen. Unter der durch die Feder 24 geschaffenen Vorspannung nimmt sie jedoch die in Fig. 1 gezeigte ebene, belastete Beschaffenheit an. Betrachtet man die in der Ruhelage auf den Stifthalter 12 wirkenden Kräfte, so ist die von der Feder 24 zugeführte, nach unten gerichtete Kraft nur etwas größer als - und weitgehend ausbalanziert durch - die nach oben gerichtete Biegekraft der planaren Feder 30. Infolgedessen ist der Druck zwischen der Oberfläche 20 des Gehäuses und der Oberfläche 22 der Randung 18 sehr klein. Da die Reibung zwischen den Oberflächen 20 und 22 proportional zu diesem Druck ist, ist die Reibung ebenfalls sehr klein.
• Wenn der Stift ein Werkstück von irgendeiner Richtung her berührt, wird der Stift ausgelenkt. Wenn der Kontakt beispielsweise in Horizontalrichtung auftritt, kippt der Stift 14 um einen Kontaktpunkt zwischen den Oberflächen 20 und 22. In diesem Moment verbleiben die Zylinder 34 und die Kugeln 36 in Eingriff zueinander und die Verkippung wird durch das Biegen der planaren Feder 30 aufgenommen. Wenn die Auslenkung des Stiftes 14 weitergeht und die Vorspannung der planaren Feder 30 entlastet ist, wird die weitere Auslenkung dadurch aufgenommen, daß zumindest einer der Zylinder 34 aus seinem Sitz in den zugeordneten Kugeln 36 herausgehoben wird.
• Da die anfängliche Auslenkung ausschließlich durch die Verkippung der Randung 18 auf der Oberfläche 20 und nicht durch eine Bewegung des kinematisch befestigten Rings 32 aufgenommen wird, ist die zur Erzeugung der Auslenkung erforderliche Kraft in allen horizontalen Richtungen die gleiche. Dies ist auf die Ringbeschaffenheit der Randung 18 zurückzuführen. Dies bewirkt, daß diese anfängliche Auslenkung vollständig nicht-anhebend ist. Sie ist ebenfalls aufgrund der niedrigen Kontaktkraft zwischen den Oberflächen 20 und 22 extrem empfindlich.
• Wenn die auf den Stift 14 wirkende Auslenkungskraft aufhört (d.h. wenn der Kopf derart bewegt wird, daß der Stift 14 das Werkstück nicht länger berührt) wird das Stiftteil 12 durch die Wirkung der Feder 24 in seine axiale und seitliche Ruhelage zurückgestellt. Dabei ist es wahrscheinlich, daß die Oberflächen 20 und 22 und auch die Zylinder 34 und die Kugeln 36 etwas gegeneinander reiben. Die bei einem derartigen Reiben auftretende inhärente Reibung ist in herkömmlichen Köpfen eine Hysteresequelle, wenn die Federkraft nicht in der Lage ist, die Reibungskräfte vollständig zu überwinden, um den Stifthalter in die präzise Ruhelage zurückzustellen. In dem vorliegenden Kopf ist dies aufgrund des sehr schwachen Druckes zwischen den Oberflächen 20 und 22, was bedeutet, daß die Reibungskräfte extrem niedrig sind, vermindert. Infolgedessen tritt nur wenig Reibungskraft auf, die verhindert, daß die Randung 18 sich seitlich in die seitliche Ruhelage bewegt; und da die Oberflächen 20 und 22 eben sind, tritt kein Widerstand auf, der verhindert, daß sich die Randung 18 in die axiale Ruhelage bewegt.
• Während dem Vorgang des Zurücksetzens ist die seitliche Ruhelage tatsächlich positiv durch die Zylinder 34 und die Kugeln 36 sowie durch die planare Feder 30 gesichert. Natürlich ist es noch möglich, daß Reibungskräfte zwischen den Zylindern 34 und den Kugeln 36 eine Wirkung zeigen. Insofern kann Reibung zwischen den Zylindern 34 und den Kugeln 36 einen oder mehrere der Zylinder 34 davon abhalten, sich vollständig in seine Ruhelage zwischen den entsprechenden Kugelpaaren 36 zurückzusetzen. Jegliche auftretende Fehlpositionierung wird jedoch viel eher in der vertikalen Richtung als in der Horizontalrichtung erfolgen. Diese wird durch das Biegen der planaren Feder 30 aufgenommen und stört deshalb nicht die axiale Ruhelage des Stifthalters 12 (da diese von dem Zurückkehren der Randung 18 in ihre axiale Ruhelage abhängt). Eine derartige Fehlpositionierung zwischen den Zylindern 34 und den Kugeln 36 besitzt eine viel weniger entscheidende Wirkung auf die seitliche Ruhelage. Weiterhin verursacht jede seitliche Fehlpositionierung, die auftreten kann, lediglich eine seitliche Verschiebung der Ruhelage des Stiftes 14; sie bewirkt keine Verkippung des Stiftes 14, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Infolgedessen ist die Größe der Fehlpositionierung der Stiftspitze 15 lediglich gleich wie die Größe der seitlichen Fehlpositionierung des Ringes 32, während bei Köpfen aus dem Stand der Technik der aufgrund der Länge des Stiftes 14 hervorgerufene Hebeleffekt die Fehlpositionierung der Stiftspitze 15 beim Verkippen des Stiftes 14 wesentlich vergrößern würde.
• Fig. 8 zeigt eine Modifikation, die jegliche seitliche Fehlpositionierung des Ringes 32 sogar weiter vermindern kann. Anstelle der Kugeln 36 ist jede Walze 34 zwischen zwei zylindrischen Walzen 36a, die eine V-Kerbe bilden, angeordnet. Die Seiten der V-Kerbe sind bewußt sehr steil gemacht, so daß jegliche Fehlpassung in der vertikalen Richtung offensichtlicher als in der seitlichen Richtung ist. Falls gewünscht, könnte ein ähnlicher Effekt mit den Kugeln 36 aus Fig. 1 erzielt werden, indem diese etwas weiter auseinander gesetzt werden, als dies herkömmlicherweise der Fall ist.
• Fig. 9 zeigt eine weitere Modifikation des in Fig. 8 gezeigten Typs. Sie umfaßt anstelle des Kugelpaares 36 zwei Zylinder 106. Die Zylinder 106 sind in Fig. 9 vom Ende her gezeigt und sind parallel zueinander und liegen bezüglich der Kopfachse radial. Zwischen ihnen ist im Gehäuse 10 eine Vertiefung. Anstelle des Zylinders 34 in Fig. 1 hängt ein konisches Element 110 von dem Ring 32 herab. In der kinematischen Ruhelage ist dieses konische Teil 110 wie in der Figur gezeigt, gegen das Zylinderpaar 106 gezwängt. Die Spitze des konischen Elementes 110 weist eine zylindrische Verlängerung 112 auf, die in der Ruhelage in der Vertiefung 108 aufgenommen ist.
• Der Kegelwinkel des konischen Elementes 110 ist sehr steil. Daher tritt jegliche Fehlpositionierung aufgrund von Reibungseffekten, wenn der Ring 32 zurück in die Ruheposition gebracht wird, eher hauptsächlich in der Vertikalrichtung als in der seitlichen Richtung auf. Die Steilheit des Kegelwinkels ist infolgedessen in der gleichen Funktion wie das steile Seiten aufweisende, von den Zylindern 36a in Fig. 8 gebildete V ausgeführt. Wenn sich der Ring 32 hebt und das konische Element 110 außer Eingriff kommt, verbleibt die Verlängerung 112 zwischen den Zylindern 106. Diese Verlängerung 112 wirkt daher als Führung, um die korrekte Zurückkehr des konischen Elementes 110 in Kontakt mit den Zylindern 106 sicherzustellen, und sie macht auch die Verwendung des Zapfens 38 überflüssig.
• Der Moment, in dem die Stiftspitze 15 zuerst ein Werkstück berührt, kann auf verschiedenen möglichen Wegen nachgewiesen werden. Beispielsweise ist es möglich, piezoelektrische Detektoren oder Dehnungsmeßstreifen auf dem Stifthalter 12 zu befestigen, um den anfänglichen Kontakt (wie beispielsweise in der Internationalen Patentbeschreibung Nr. WO86/03829 beschrieben) nachzuweisen. Alternativ kann der Kontakt nachgewiesen werden, indem vorgesehen ist, daß ein elektrischer Kreis zwischen der Stiftspitze 15 und dem Werkstück bei dem Kontakt geschlossen wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist unser gegenwärtig bevorzugtes Verfahren jedoch photoelektrisch. Eine lichtemittierende Diode 42 erzeugt ein Lichtbündel, das durch eine Öffnung 44 in dem Stifthalter 12 hindurchtritt. Dies erzeugt einen Lichtfleck 48 auf einem Lichtdetektorenpaar 46, die, wie deutlicher in Fig. 3 erkennbar, nebeneinander angeordnet sind. Die Ausgänge der Detektoren 46 werden einer Auto-Nullpunktsschaltung mit differentiellen Eingängen zugeführt. Die Funktion der Schaltung 50 ist es, einer jeglichen langfristigen Drift der Ausgänge der Detektoren 46 zu folgen, so daß der Ausgang der Schaltung 50 trotz irgendeiner derartigen langfristigen Drift ein konstanter Wert (beispielsweise Null) ist. Wenn jedoch irgendeine plötzlichere Fehlpassung zwischen den von den Detektoren 46 erhaltenen differentiellen Eingängen auftritt, spricht die Auto-Nullpunktsschaltung 50 an, ihr Ausgang steigt, und ein Triggerschaltkreis 52 erzeugt daraufhin ein Triggersignal. Infolgedessen ist der Auto-Nullpunktsschaltkreis 50 gegenüber einer Änderungsrate der differentiellen Eingänge empfindlich, die einen vorgegebenen Wert übersteigt, wie dies hervorgerufen würde, wenn der Lichtfleck 48 sich auf den einen oder den anderen der Detektoren 46 zubewegt, wenn der Stift 14 bei Kontakt mit einem Werkstück beginnt, sich auszulenken. Eine weitere Beschreibung einer derartigen Auto-Nullpunkgsschaltung kann in EP 0 242 747 gefunden werden.
• Fig. 4 zeigt eine Modifikation des Kopfes aus den Fig. 1 und 2. Die planare Feder 30, der Ring 32 und die Zylinder 34 sind durch eine im allgemeinen dreiecksförmige planare Feder 54 ersetzt. An jeder Spitze des Dreiecks ist ein radialer Schlitz 56 in die planare Feder geschnitten. Dieser definiert eine Gabel an jeder Spitze. Anstelle der drei an dem Gehäuse 10 befestigten Kugelpaare 36 sind drei einzelne Kugeln 58 vorgesehen, und jeder Schlitz 56 liegt über einer der Kugeln 58. Diese Anordnung schafft in der gleichen Weise wie in Fig. 1 eine präzise seitliche Ruhelage, ist aber in der Herstellung weniger teuer.
• Die Randung 18 in Fig. 1 kann aus einem keramischen Material hergestellt sein und kann gegen einen keramischen Ring im Gehäuse 10 drücken, der die Oberfläche 20 bildet. Die keramischen Materialien sind bevorzugt, da sie gegeneinander ein geschliffen werden können, um einen Sitz zu erzeugen, der einen hohen Grad von Ebenheit und infolgedessen Präzision aufweist.
• Wie in Fig. 10 gezeigt, kann alternativ anstelle der geschliffenen Oberflächen 20 und 22 die Randung 18 an ihrer unteren Oberfläche drei um die Achse des Kopfes gleichbeabstandete Kugeln 14 aufweisen, die gegen die Oberfläche 20 drücken. Wie in dem US-Patent 4 153 998 beschrieben, ergibt eine Anordnung mit drei Kugeln 114 auf einer Platte ohne die Notwendigkeit des Schleifens eine sehr präzise axiale Ruhelage. Aufgrund der Dreipunkthalterung ist eine derartige Halterung jedoch in einem gewissen Grad einer Anhebung ausgesetzt. Während die Anhebung schlechter als bei der Anordnung in Fig. 1 ist, ist sie aufgrund der sehr kleinen Kraft zwischen der Randung 18 und der Oberfläche 20 dennoch besser als in dem Stand der Technik. Das Maß der Anhebung ist natürlich proportional zu dieser Kraft, die überwunden werden muß, um den Stift auszulenken.
• Wenn eine derartige Anordnung aus drei Kugeln 114 verwendet wird, wird es möglich, die Auslenkung des Stiftes durch elektrisches Schalten zwischen den Kugeln 114 und der Oberfläche 20 nachzuweisen. Dies ist vollständiger in dem US-Patent 4,153,998 beschrieben. In einem derartigen Fall ist es möglich, daß die Kugeln 114 an der Randung 18 viel kleiner sind als dies im Stand der Technik nötig wäre. Die Anordnung gemäß dem Stand der Technik benötigt Kugeln eines relativ großen Radius', um die Belastungsfähigkeit zu ergeben. Bei dem Kopf aus Fig. 10 ist jedoch die Belastung zwischen der Randung 18 und der Oberfläche 20 sehr klein, so daß kleine Kugeln 114 verwendet werden können. Dies gewährleistet, daß die gleiche frequenzmäßige Belastung zwischen den Kugeln und der Oberfläche 20 wie in den Kugeln mit großem Radius gemäß dem Stand der Technik auftritt, so daß die elektrische Charakteristik der Kontakte unverändert bleibt, während weiterhin eine niedrige Belastung zwischen der Randung 18 und der Oberfläche 20 aufrechterhalten wird, um das Anheben zu minimalisieren.
• Es ist wünschenswert, sicherzustellen, daß die jeweiligen Gewichte des Stifthalters 12 und des Stiftes 14 derart gewählt sind, daß der Schwerpunktk CG der Kombination des Stiftes und des Stifthalters in etwa in der gleichen horizontalen Ebene wie die axialen und seitlichen Beschränkungen sind, die die Ruhelage definieren. Dies hilft sicherzustellen, daß trotz der relativ kleinen axialen Belastung, die die Randung 18 in ihrem Sitz auf der Oberfläche 20 festhält, trotzdem wenig Gefahr besteht, den Stift 14 beim Bewegen des Kopfes infolge einer Vibration oder von Schwerkrafteffekten versehentlich auszulenken.
• Als eine Alternative zu der Anordnung in Fig. 10 kann ein Ring aus Kugeln an der unteren Oberfläche der Randung 18 vorgesehen sein, um gegen die Oberfläche 20 zu drücken. Ein derartiger Ring aus Kugeln wird hergestellt, indem sie, jede in eine jeweilige Bohrung, in eine ringförmige Platte eingesetzt werden und in dieser Lage mit einem Kapillarkleber verbunden werden. Die ringförmige Platte wird gegen die Oberfläche 20 geklemmt, wobei die Kugeln in Kontakt mit der Oberfläche 20 sind, während der Kleber härtet. Dies gewährleistet, daß eine genaue axiale Ruhelage vorhanden ist, wobei alle Kugeln die Oberfläche 20 kontaktieren, was ein im wesentlichen anhebungsfreies Betriebsverhalten ergibt. Die Fig. 5 und 6 zeigen einen zweiten Kopf gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Gehäuse 60 befindet sich ein Stifthalter 62, von dem wie vorher ein Stift 14 herabhängt. Der Stifthalter 62 liegt innerhalb einer Zwischenkapsel 64, und ist in dieser Kapsel über eine kinematische Anordnung von Zylindern 66 und Kugelpaaren 68 festgelegt, die im allgemeinen ähnlich zu den Zylindern 34 und Kugeln 36 der Fig. 1 angeordnet sind. Die Zylinder 66 und die Kugeln 68 werden durch eine Feder 70 innerhalb der Kapsel 64 unter Spannung miteinander in Eingriff gehalten.
• Die Kapsel 64 weist eine herabhängende, ringförmige Randung 72 auf, die mit einer Oberfläche 74 des Gehäuses 60 in der gleichen Weise in Eingriff steht, wie die Randung 18 mit der Oberfläche 20 des Gehäuses 10 in Fig. 1 in Eingriff steht. Wie in Fig. 1 kann die Randung 72 und die Oberfläche 74 aus Keramik sein und wird durch gegenseitiges Einschleifen hergestellt, um eine gute axiale Ruhelage für die Kapsel zu ergeben. Die Kapsel 64 wird durch eine Feder 76 unter Vorspannung in ihrer Ruhelage gehalten. Die durch die Feder 76 auf die Kapsel ausgeübte Kraft ist relativ klein, und viel kleiner als die durch die Feder 70 auf den Stifthalter 62 ausgeübte Kraft, so daß die axiale Belastung zwischen der Randung 72 und der Oberfläche 74 sehr klein ist. Dies ergibt eine sehr kleine Reibung zwischen der Randung 72 und der Oberfläche 74, was gute Anhebe- und Hysteresecharakteristiken in der gleichen Weise, wie bei dem Kopf aus Fig. 1 ergibt.
• Die Kapsel 64 ist durch eine planare Federanordnung seitlich in eine Ruhelage festgelegt. Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, ist diese Anordnung direkt zwischen der Kapsel 64 und dem Gehäuse 10 eingesetzt und ist anders als in Fig. 1 nicht direkt an dem Stifthalter 62 befestigt. Wie in der Fig. 6 deutlicher erkennbar, bildet eine Anordnung drei längliche planare Federn 78, die in einer Dreiecksanordnung um die Achse des Kopfesgruppiert sind. Ein Ende jeder Feder 78 ist an der Kapsel 64 befestigt, während das andere Ende jeder Feder 78 an dem Gehäuse 60 befestigt ist. Diese Federn 78 sind nicht vorgespannt, sondern sind in einem entspannten Zustand eben und tragen infolgedessen nicht zu der Belastung zwischen der Randung 72 und der Oberfläche 74 bei.
• Infolgedessen ist der Stifthalter 62 in einer vollständig kinematischen Weise in der Kapsel 64 durch die Zylinder 66 und die Kugeln 68 gehalten und wird durch die Feder 70 in diese Halterung gedrängt; alle diese Elemente in der Kapsel 64 umfassen ein geschlossenes System, das körperlich im Hinblick auf das Gehäuse 60 beweglich ist. Die Kapsel 64 weist ihrerseits eine gute axiale Beschränkung auf, die durch die Randung 72 und die Oberfläche 74 gebildet wird; und eine gute seitliche Beschränkung, die durch die planaren Federn 78 gebildet ist.
• Wenn im Betrieb der Stift 14 durch Kontakt mit einem Werkstück ausgelenkt wird, wird zuerst die Randung 72 und die Kapsel 64 körperlich von der Oberfläche 74 angehoben oder verkippt. Durch drei permanentmagnete 80 (nur einer davon ist in der Figur erkennbar), die die Zylinder 66 in Eingriff mit den Kugeln 68 halten, wird verhindert, daß der Stifthalter 62 sich innerhalb der Kapsel 64 hebt. Diesem körperlichen Anheben und Verkippen der Kapsel 64 wird lediglich durch die kleine Kraft der Feder 76 entgegengewirkt, die die niedrige Belastung zwischen dem Rand 72 und der Oberfläche 74 ergibt, so daß die anfängliche Bewegung des Kopfes aus demselben Grund wie der Kopf aus Fig. 1 eine nicht-anhebende Charakteristik aufweist. Wenn schließlich der Stift in seine Ruhelage zurückkehrt, tritt ebenfalls aus dem gleichen Grund wenig oder gar keine Hysterese in seiner Ruhelage auf.
• Das vorstehend beschriebene körperliche Anheben oder Verkippen der Kapsel 64 bei Auslenkung des Stiftes hält jedoch nur für einen sehr kleinen Betrag der Auslenkung des Stiftes an. Es besteht nur ein sehr kleiner Zwischenraum 82 (beispielsweise 10 Mikrometer) zwischen dem oberen Rand der Randung 72 und einer Schulter 84, die sich um die Innenseite des Gehäuses 60 erstreckt. Nach einer zur Aufnahme des Zwischenraumes 82 hinreichenden Auslenkung bewirkt eine weitere Auslenkung des Stiftes 14, daß ein oder mehrere Zylinder 66 entgegen der Wirkung der Feder 70 und des Magnets 80 außer Eingriff mit den jeweiligen Kugeln 68 gelangen.
• In dieser Ausführungsform der Fig. 5 und 6 können die ringförmigen geschliffenen Kontaktbereiche zwischen der Randung 72 und der Oberfläche 74, falls gewünscht, durch drei Kugeln, die in Eingriff mit einer Platte stehen oder durch einen Ring von Kugeln, die in Eingriff mit einer Platte stehen, ersetzt werden, wie dies im Zusammenhang mit der in Fig. 10 gezeigten Modifikation von Fig. 1 vorstehend beschrieben ist.
• Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform. Eine Kapsel 86 ist innerhalb eines Gehäuses 88 vorgesehen. Die Kapsel 86 ist kinematisch auf Kugeln 90 und Walzen 92 ähnlich zu den in Fig. 1 mit den Nummern 34 und 36 versehenen Teilen festgelegt. Eine Feder 94 hält die Kapsel 86 auf diesen Zylindern und Kugeln in einer kinematisch definierten Ruhelage.
• Innerhalb der Kapsel 86 ist ein Stifthalter 96, von dem wie bisher ein Stift 14 herabhängt. Der Stifthalter 96 wird über eine Feder 98 mit einer kleineren Kraft als diejenige, die die Kapsel 86 in ihre Ruhelage vorspannt, unter Spannung in einer Ruhelage innerhalb der Kapsel 86 gehalten. Die Ruhelage des Stifthalters 96 innerhalb der Kapsel 86 ist seitlich durch eine membranähnliche planare Feder 100 definiert, die in ihrem Zentralbereich in der gleichen Weise wie die planare Feder 30 in Fig. 1 mit dem Stifthalter verbunden ist. Die planare Feder 100 ist jedoch nicht vorgespannt, sondern ist, wenn sie wie in Fig. 7 gezeigt eben ist, in einem entspannten Zustand. Die Ruhelage des Stifthalters is axial definiert durch die ebenen Oberflächen an dem Stifthalter 96 und der Kapsel 86 bei 102. Diese Oberflächen sind miteinander verschliffen, so daß sich, wie vorher, eine gute axiale Positionierung ergibt. Um dies zu erleichtern, können die jeweiligen Komponenten, wie vorher aus einem keramischen Material sein.
• Wenn im Betrieb der Stift 14 durch Kontakt mit einem Werkstück ausgelenkt wird, bleibt die Kapsel 86 anfänglich stationär in ihrer durch die Kugeln und Zylinder 90, 92 definierten Ruhelage. Die anfängliche Auslenkung wird durch eine Bewegung des Stifthalters 96 innerhalb der Kapsel 86 entgegen der Wirkung der Feder 98 aufgenommen, wobei eine derartige Bewegung durch das Verbiegen der planaren Feder 100 ermöglicht wird. Die axiale Belastung zwischen dem Stifthalter 96 und der Kapsel 86 an den Oberflächen 102 ist, wie vorher, aufgrund der leichten Feder 98 sehr gering. Daher ist aus den gleichen Gründen wie vorher die Auslenkung des Stiftes nicht-anhebend und im wesentlichen hysteresefrei.
• Es ist nur ein relativ kleiner Bewegungsbetrag des Stifthalters 96 innerhalb der Kapsel 86 erlaubt, bevor der Stifthalter 96 mit einer Schulter 104 innerhalb der Kapsel in Eingriff tritt. Wie bei der Schulter 84 in Fig. 5 besteht lediglich ein schmaler Zwischenraum, bevor dies eintritt. Eine weitere Auslenkung des Stiftes 14 wird durch eine körperliche Bewegung der Kapsel 86, gegen die Wirkung der Feder 94 aus ihren kinematischen Sitzelementen 90, 92 heraus, aufgenommen.
• In einer ähnlichen Weise wie bei der oben diskutierten Modifikation der Fig. 5 und 6 kann die geschliffene ebene Oberfläche 102 in Fig. 7 durch drei Kugeln, die auf eine Platte drücken, oder einen Ring von Kugeln, der auf eine Platte drückt, ersetzt werden.
• Alle Ausführungsformen der Fig. 4 bis 10 können jede Anordnung zum Nachweis des Kontaktmoments zwischen der Stiftspitze und einem Werkstück aufweisen, wie dies oben in Bezug auf die Ausführungsform nach Fig. 1 diskutiert wurde. Der Schwerpunkt des Stiftes und stifthalters kann ebenfalls so liegen, wie dies in Fig. 1 diskutiert wurde.
• Es ist ein Merkmal aller beschriebenen Ausführungsformen, daß die planare Feder 30, 78 oder 100 sich nicht um große Längen biegen muß. Im Fall der Köpfe aus Fig. 5 bis 7 ist dies so, weil vor dem Eingriff mit der Schulter 84 oder 104 der kleine Zwischenraum jegliche weitere Biegung der planaren Feder verhindert. Eine weitere übermäßige Bewegung des Stiftes 14 wird in jedem Fall durch das außer-Eingriff-Treten der Zylinder und Kugeln 66, 68 und 92, 90 ohne ein weiteres Biegen der planaren Feder aufgenommen. Im Fall des Kopfes aus Fig. 1 kann die übermäßige Bewegung des Stiftes aufgenommen werden, indem die Zylinder und Kugeln 34, 36 ohne Biegen der planaren Feder 30 außer Eingriff kommen, obgleich keine Schulter vorhanden ist, die das Biegen verhindert. Dies steht im Gegensatz zu Köpfen nach dem stand der Technik, in denen eine seitliche Beschränkung durch eine planare Feder (US 4,451,987 bezieht sich hierauf) geschaffen ist, die auch eine übermäßige Bewegung zulassen muß. Derartige Köpfe nach dem Stand der Technik erfordern eine relativ weiche planare Feder, um derartige übermäßige Stiftbewegungen zuzulassen. Bei den oben beschriebenen Köpfen ist dies nicht notwendig, und die planare Feder kann in jedem der Fälle wesentlich steifer ausgeführt sein. Dies verbessert beträchtlich die Kraft, mit der die planare Feder jeglichen restlichen seitlichen Versetzungen der Randung 18 in Fig. 1, der Randung 72 in Fig. 5 oder des Stifthalters 96 in Fig. 7 widersteht. Der größere seitliche Widerstand ergibt weitere Verminderungen der Hysterese des reibungsbehafteten Kontaktes zwischen den Oberflächen 20, 22 (Fig. 1); zwischen der Randung 72 und Oberfläche 74 (Fig. 5); und zwischen den Oberflächen 102 (Fig. 7).
• Ein weiteres Merkmal aller beschriebenen Köpfe besteht darin, daß, obgleich die Kräfte, die für die anfängliche Auslenkung des Stiftes absichtlich sehr klein gehalten wurde, um die Anhebungs- und Hystereseprobleme zu vermindern oder zu beseitigen, dennoch die Kraft, die bewirkt, daß die Zylinder 34, 66, 92 in den Kugelpaaren 36, 68, 90 lagern, weiterhin sehr hoch ist, so daß ein gutes Zurücksetzen gewährleistet ist. Tatsächlich kann die Kraft, mit der die Zylinder in Eingriff mit den jeweiligen Kugeln gebracht werden, höher sein, als dies normalerweise bei den Köpfen mit derartigen kinematischen Sitzanordnungen der Fall sein würde, da die Steigerung dieser Kraft nicht das Anhebungs- und Hystereseverhalten des Kopfes beeinträchtigt.

Claims (13)

1. Tastkopf zur Messung eines Werkstückes auf einem Positionsbestimmungsgerät, der umfaßt:

ein feststehendes Teil (10, 60, 88);

ein erstes bewegliches Teil (12, 62, 96), das einen werkstückkontaktierenden Stift trägt;

erste Tragmittel, die zumindest ein Paar erste gegenseitig in Eingriff bringbare Elemente (20, 22, 72, 74, 102, 114) umfassen; und zweite Tragmittel, die unabhängig von den ersten Tragmitteln sind und zumindest ein Paar zweiter gegenseitig in Eingriff bringbare Elemente (34, 36, 56, 58, 66, 68, 90, 92) umfassen; wobei die zwei Tragmittel miteinander zusammenarbeiten, wenn alle Elemente in Eingriff stehen, um das erste bewegliche Teil in einer Ruhelage relativ zu dem feststehenden Teil zu halten; wobei das erste bewegliche Teil durch Kontakt zwischen dem Stift und einem Werkstück während eines normalen Meßablaufes aus der Ruhelage heraus verschoben wird;

erste und zweite Vorspannmittel (24, 30, 54, 70, 76, 94, 98), die alle Elemente unter Spannung in Eingriff halten, wobei beide Paare von Elementen gegen die Tätigkeit der Vorspannmittel in der gleichen Richtung außer Eingriff geraten, wenn das erste bewegliche Teil während des normalen Meßablaufes aus der Ruhelage heraus verschoben wird;

wobei das Paar der ersten Elemente mit einer geringeren Kraft als das Paar der zweiten Elemente unter Vorspannung in Eingriff gehalten ist, wobei bei einer während des normalen Meßablaufs erfolgenden Verschiebung des ersten beweglichen Teils das Paar der ersten Elemente gegen die niedrigere Kraft der Vorspannung außer Eingriff gelangt und dann nachfolgend das Paar der zweiten Elemente außer Eingriff gelangt.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, in dem die zweiten Elemente (34, 36, 56, 58, 66, 68, 90, 92) einen kinematischen Träger bilden und das zweite Tragmittel zumindest eine seitliche Beschränkung herbei führt.

3. Tastkopf nach Anspruch 2, in dem das zweite Tragmittel ferner Mittel (30, 54) umfaßt, die eine axiale Verschiebung des ersten beweglichen Teils ermöglichen während sie gleichzeitig die seitliche Beschränkung schaffen.

4. Tastkopf nach Anspruch 3, in dem das Mittel, das eine axiale Verschiebung gestattet, eine ebene Feder (30, 54) umfaßt.

5. Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das erste Tragmittel eine axiale Beschränkung für das erste bewegliche Teil schafft, wobei die ersten Elemente (22, 20) jeweils auf dem ersten beweglichen Teil und auf dem feststehenden Teil angeordnet sind.

6. Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Paar der ersten Elemente einen Ring (22, 72, 102) auf einem der Teile und eine ebene Oberfläche (20, 74, 102) auf dem anderen der Teile umfaßt.

7. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das erste Tragmittel auf einem der Teile drei erste Elemente (114) umfaßt, die mit drei Stellen an dem anderen der Teile in Eingriff bringbar sind.

8. Tastkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der ein zweites bewegliches Teil (64, 86) enthält, wobei eines der Tragmittel (66, 68, 100, 102) zwischen den ersten und zweiten beweglichen Teilen vorgesehen ist und das andere Tragmittel (72, 74, 78, 90, 92) zwischen dem zweiten beweglichen Teil und dem feststehenden Teil vorgesehen ist.

9. Tastkopf nach Anspruch 8, in dem das erste Tragmittel (72, 74, 78) zwischen dem zweiten beweglichen Teil und dem feststehenden Teil vorgesehen ist, und das zweite Tragmittel (66, 68) zwischen den ersten und zweiten beweglichen Teilen vorgesehen ist.

10. Tastkopf nach Anspruch 8, in dem das erste Tragmittel (100, 102) zwischen den ersten und zweiten beweglichen Teilen vorgesehen ist und das zweite Tragmittel (90, 92) zwischen dem zweiten beweglichen Teil und dem feststehenden Teil vorgesehen ist.

11. Tastkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem die ersten Elemente (72, 74, 102) eine axiale Beschränkung schaffen, und das erste Tragmittel ferner Mittel (78, 100) umfaßt, um eine seitliche Beschränkung zu schaffen und gleichzeitig eine axiale Verschiebung des ersten beweglichen Teils zu gestatten, wenn die ersten Elemente außer Eingriff gelangen.

12. Tastkopf nach Anspruch 11, in dem das Mittel, das eine seitliche Beschränkung herbeiführt, eine ebene Feder (78, 100) umfaßt.

13. Tastkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 12, in dem das erste Tragmittel Anschlagmittel (84, 104) enthält, um die voneinander weggerichtete Bewegung der ersten Elemente zu begrenzen, wenn diese außer Eingriff gelangen.