DE69125597T2 - Tastköpfe - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Tastköpfe, wie sie mit Koordinatenmeßgeräten und ähnlichen verwendet werden, um eine Berührung eines Objekts anzuzeigen.
• Bei Koordinatenmeßgeräten und ähnlichen wird ein Objekt vermessen, indem Tastkopf und Objekt auf kontrollierte Weise, gewöhnlich ausgehend von Dater, relativ bewegt werden, bis von der Probe eine "Berührung" auf dem Objekt angezeigt wird. Die Koordinaten der Berührungspositionen werden aufgezeichnet. Durch wiederholte derartige Aktionen können die Abmessungen des Objekts bestimmt werden.
• Das Ziel solcher Messungen ist, eine Genauigkeit von besser als einem Mikrometer bei einer Wiederholgenauigkeit von einem halben Mikrometer oder weniger zu erreichen. Folglich ist klar, daß der "Berührungsvorgang" sehr empfindlich und fehlerfrei sein muß. Tastköpfe, die einen derartigen Berührungsvorgang erreichen, verwenden gewöhnlich einen leichten, dünnen Taststift mit einem kugelförmigen Ende aus hartem Material zur Berührung des Objekts. Der Berührungsvorgang lenkt den Taststift in einer Befestigung im Tastkopf aus und das Auftreten der Auslenkung des Taststifts wird aufgenommen und bewirkt die Aufzeichnung der Koordinaten.
• Bekannte Tastköpfe liefern bei vielen Messungen gute Ergebnisse, bei manchen Messungen können jedoch Fehler entstehen, die nicht durch Korrekturen der aufgezeichneten Koordinaten kompensiert werden können. Ein Grund für solche Fehler kann sein, daß Auslenkungen des Taststifts in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich große Auslenkungen erfordern, bevor die Aufnahme erfolgt. Ein weiterer Grund kann sein, daß für den Aufnahmevorgang ein durch den Taststift betriebener elektromechanischer Schalter verwendet wird und das Schließen oder Öffner des Schalters wegen Lichtbogenbildung oder Korrosion an den Schalterkontakten nicht konsistent ist. Bisher verwendete Tastköpfe besitzen elektrische oder mechanische Verbindungen mit dem Taststift.
• Die Patentanmeldung 8915303.5, Vereinigtes Königreich, beschreibt einen Tastkopf mit einer externen Zwangseinrichtung und einer Aufnahmeanordnung, die aus einem Spiegel auf dem Taststift besteht, um bei Auslenkung des Taststifts Licht von einem Detektor wegzulenken.
• EP-A-0332575 beschreibt einem Tastkopf für Geräte zur Positionsbestimmung, bei dem der Taststift des Tastkopfs eine teils sphärische Position aufweist, die von einer Vielzahl von Kugeln getragen wird und geneigt werden kann, um eine Verbindung mit einer Zwangseinrichtung entlang einer Bohrung axial zu verschieben.
• GB-A-2134656 beschreibt einen Tastkopf für Geräte zur Positionsbestimmung, bei dem sich der Taststift des Tastkopfs bei einer Auslenkung als Gauzes bewegt, indem er sich auf einem Punkt auf einem im Tastkopfgehäuse geformten Drehpunktring dreht.
• Gemäß der Erfindung wird ein Tastkopf für Geräte zur Positionsbestimmung und ähnliche bereitgestellt, der aufweist: ein Gehäuse und in dem Gehäuse einen Aufnahmeraum und eine Öffnung zu dem Aufnahmeraum, einen durch die Öffnung aus dem Aufnahmeraum verlaufenden Taststift, eine Trägereinrichtung für den Taststift an der Öffnung und eine Einrichtung, um den Taststift zum Ineinandergreifen mit einem Lager in der Trägereinrichtung und allgemein in Richtung einer neutralen Achse zu zwingen, während sie eine Positionsbestimmungs-Verschiebung auf der Trägereinrichtung zuläßt, und bei dem der Taststift mit der Zwangseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung über eine Hebelanordnung erfolgt, die beinhaltet: ein erstes Hebelelement, das seitlich von dem und um den Taststift herum verläuft, und einen zweiten neigbaren Hebel, der von dem ersten Hebel aus neigbar verläuft, um eine Auslenkung des Taststifts auf die Zwangseinrichtung und Zwang von der Zwangseinrichtung auf den Taststift zu übertragen, wobei das Gehäuse ein Widerlager enthält, mit dem der zweite Hebel bei Neigung ineinandergreifen kann.
• Der Taststift des Tastkopfs kann eine sphärische Oberfläche in der Trägereinrichtung aufweisen und das Lager der Trägereinrichtung kann durch um die Öffnung herum untergebrachte Kugeln nur stellenweisen Kontakt zu der sphärischen Oberfläche bereitstellen.
• Der Taststift kann eine einheitlich verlaufende Manschette als ersten Hebel aufweisen. Die Zwangseinrichtung kann sich innerhalb des Gehäuses befinden und über einen zweiten Folgerhebel, der mit dem in dem Gehäuse gehaltenen Widerlager ineinandergreifen kann, den ersten Taststift- Manschettenhebel betätigen. Die Zwangseinrichtung ist bevorzugt so angeordnet, daß sie den zweiten Hebel gegen den Widerstand des ersten Hebels auf das Widerlager drängt, um das reibungsarme Ineinandergreifen mit dem Taststift auf der neutralen Achse aufrechtzuerhalten. Dies erzeugt geeignet Vorspannung. Das Widerlager liegt geeignet um das Innere des Gehäuses, das kreisförmig ist, herum und der zweite Hebel ist kreisförmig, damit er auf das Widerlager paßt, und der erste Hebel ist kreisförmig und befindet sich innerhalb des Widerlagers und, wenn er in der natürlichen Position ist, auf der Höhe oder gerade über der Höhe von Widerlager und zweitem Hebel.
• Die Teile des Tastkopfs können so angeordnet sein, daß sie ihr Verhältnis zueinander beibehalten und nicht relativ um die neutrale Achse rotieren. Der Aufnahmeraum kann eine Einrichtung zum Aussenden von Strahlung einer Aufnehmereinrichtung und eine Einrichtung zum Sammeln von Strahlung für eine Aufnehmereinrichtung zusammen mit einer Reflektoreinrichtung auf dem Taststift, um ausgesandte Strahlung auf die Sammeleinrichtung zu reflektieren bis der Reflektor bei sphärischer Bewegung des Taststifts durch eine Positionsbestimmungs-Verschiebung entgegen der Zwangseinrichtung verschoben wird, beinhalten.
• Mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung, die einen schematischen Querschnitt eines die Eifindung verkörpernden Tastkopfs darstellt, werden nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
• Die einzige Figur der Zeichming zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse, das einen Hauptteil 11 mit einem Befestigungsschaft 12 und ein mit einem Gewinde versehenes Ende zur Aufnahme einer Endabdeckung 13 enthält.
• Zwischen dem Hauptteil 11 und der Endabdeckung 13 ist ein Taststiftträger 14 in das Gehäuse geklemmt. Ein Taststift 40 wird in einer Öffnung 16 in dem Träger 14 von drei Kugeln in gleichem Abstand, von denen eine bei 50 gezeigt ist, gestützt.
• Der Teil des Taststifts 43, der mit den stützenden Kugeln tatsächlich in Kontakt ist, ist selbst sphärisch und wird geeigneterweise durch spanabhebende Bearbeitung aus einem großen Kugellager hergestel]t. Zusammengenommen wird dadurch ein reibungsarmer Träger für den Taststift gebildet. Der Taststift wird durch eine Feder 20 innerhalb des Hauptteils 11 in eine definierte Ruheposition auf dem reibungsarmen Träger gedrängt. Die Feder 20 wirkt über eine Manschette 21 und einen Folger 22 und einen Becher 23, die wie in der Zeichnung gezeigt angeordnet sind. Die Manschette 21 bildet einen ersten Hebel und der Folger 22 einen zweiten Hebel. Das Ende 15 des Trägers 14 stellt ein Widerlager für den zweiten Hebel 22 bereit. Die Manschette 21 kann Bestandteil des Taststifts 40 oder einer Schiebepassung sein. Die Manschette 21 besitzt an der Außenkante bevorzugt einen Radius, der den nachteiligen Effekt einer auf den Folger wirkenden scharfen Kante beseitigt und das kleine Maß an nötigem Schlupf erlaubt.
• In einer Anordnung ragt die Manschette 21 etwas über das Widerlager 15 hinaus (etwa einen Mikrometer), so daß die Feder 20 so angeordnet wird, daß sie den Folger 22 auf das Widerlager 15 zwingt und die Manschette 21 etwas verformt, so daß etwas Vorspannung vorhanden ist. In anderen Formen kann eine Lücke gelassen werden, so daß keine Vorspannung vorhanden ist. In einer weiteren Anordnung werden die auf den Folger 22 gerichteten Oberflächen von Widerlager 15 und Manschette 21 beide geläppt, um in Richtung des Folgers 22 eine gemeinsame bündige Oberfläche zu bilden, während die jeweilige Oberfläche des Folgers 22, die in Kontakt mit dieser gemeinsamen Oberfläche ist, selbst geläppt wird. Somit wird nach Auslenkung eine genauere Rückkehr des Taststifts in die ursprüngliche oder natürliche Position erreicht.
• Folger 22 und Becher 23 enthalten in jeweiligen Hohlräumen die Feder 20. Die Manschette 21 ist um einen vom sphärischen Teil 43 aus verkaufenden Hals herum auf dem Taststift 40 angebracht. Eine Neigung des Taststifts 40 im Träger 14 durch Kontakt mit einer festen Struktur (eine "Berührung") bewirkt, daß die Manschette 21 als ein erster Hebel wirkt, der den als zweiter Febel wirkenden Folger 22 neigt, um die Feder 20 über dem angehobenen Bereich des Folgers auszulenken und die Feder zusammenzudrücken. Der Folger greift mit dem Ende 15 des Trägers 14 ineinander, das bei Neigung durch die Taststift-Manschette als Widerlager für die Betätigung des Hebels wirkt. Wenn der Grund für die Neigung des Taststifts beseitigt wird, zwingt die zusammengedrückte Feder die Hebel von Manschette 21 und Folger 22, den Taststift in eine wohldefinierte Ruheposition zurückzubringen. Der Folger 22 kehrt immer auf das Widerlagerende 15 des Trägers 14 zurück, so daß dieser Folger durch Wirkung über die Manschette 21 auf den Taststift die Ruheposition definiert. Die Teile 20, 21, 22, 23 und 40 werden geeigneterweise durch die Wirkung der Feder 20 an relativer Rotation um die neutrale Achse und den Träger 14 gehindert, es können jedoch, falls erforderlich, weitere Maßnahmen angewendet werden. Die Rotation sollte verhindert werden, um eine Veränderung des Nullpunkts des Tastkopfs zu vermeiden. Es wird auch angemerkt, daß die Anordnungen einen Einpunkt-Kontakt fördern, was die Wiederholgenauigkeit verbessert.
• Eine geeignete Aufnahmeanordnung besteht darin, auf dem Taststift 40 einen Konkavspiegel 42 anzubringen und Licht aus einer optischen Faseranordnung 30 zur Reflexion durch den Spiegel 42 zurück in die optische Faseranordnung 30 zur Detektion zu richten. Beginnt das durch den ausgelenkten Spiegel zurückreflektierte Licht, sich vom Kern der Faser wegzubewegen, wird die Intensitätsänderung in einer geeigneten optoelektronischen Schaltung detektiert. Es wird eine Empfindlichkeit von 10 mV/Mikrometer erreicht, was eine Empfindlichkeit gegenüber Verschiebungen von unter einem Mikrometer ergibt. In einer besonderen Anordnung sind Spiegel und Faser so angeordnet, daß das gesamte aus der Faser den Spiegel erreichende Licht abgesehen von Verlusten zurückreflektiert wird, wenn sich der Taststift in der Ruheposition befindet. Bei einer Auslenkung der Spitze des Taststifts, die gleich dem halben Radius der Spitze ist (in einem Beispiel ein Millimeter) wird das reflektierte Licht so reduziert, daß es gleich der Lichtmenge aus einer festen Beobachtungsquelle wird (geeigneterweise ein Bruchteil des Lichts aus der Aufnehmerquelle). Diese Anordnung liefert eine hohe Detektionsempfindlichkeit. Es kann eine Detektoranordnung bereitgestellt werden, die entweder ein Signal wie beispielsweise ein Digitalsignal oder ein Analogsignal erzeugt, oder einen Schalter entweder öffnet oder schließt.
• Falls es erforderlich ist, sowohl das Auftreten einer Berührung als auch deren Richtung aufzunehmen, kann die optische Faseranordnung so erweitert werden, daß sie um einen Mittelpunkt herum unterschiedliche Aufnahmebereiche und jeweilige Aufnehmereinrichtungen bereitstellt, wodurch die relative Beleuchtung jedes Bereichs verglichen werden kann, um die Bewegungsrichtung des reflektierten Lichts zu bestimmen.
• Bei Verwendung eines Beispiels für einen die Erfindung verkörpernden Tastkopf wurde herausgefunden, daß die Ruheposition (nicht die Tastkopfmessung) im Bereich von einigen Zehntel Mikrometern definiert ist. In einer Reihe von fünfzig Messungen der Koordinaten eines Punkts lag der Meßfehler innerhalb eines Mikrometers, der Auflösungsgrenze des Geräts zur Koordinatenmessung.
• Die sphärische Oberfläche könnte natürlich im Taststiftträger 14 bereitgestellt und die Kugeln im Taststift, welcher dann keine sphärische Form haben müßte, untergebracht werden. Falls bevorzugt, könnten sowohl Taststift als auch Träger sphärische Form mit dazwischen befindlichen Kugeln haben. In einer anderen Anordnung könnte der Träger 14 eine Schneide oder eine andere kleine Oberfläche zur Unterstützung der sphärischen Oberfläche des Taststifts aufweisen. Auch ein Luftlager ist möglich. Andere Einzelheiten und Anordnungen werden Fachleuten offensichtlich sein.

Claims (9)

1. Tastkopf für Geräte zur Positionsbestimmung und ähnliche mit einem Gehäuse (10) und in dem Gehäuse einem Aufnahmeraum und einer Öffnung (16) zu dem Aufnahmeraum, einem aus dem Aufnahmeraum durch die Öffnung verlaufenden Taststift (40), einer Taststift-Trägereinrichtung (14) an der Öffnung und einer Einrichtung (20), um der Taststift (43) zum Ineinandergreifen mit einem Lager (50) in der Trägereinrichtung (14) und allgemein in Richtung einer neutralen Achse zu zwingen, während eine Positionsbestimmungs-Auslenkung auf der Trägereinrichtung möglich ist, und bei dem der Taststift mit der Zwangseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung über eine Hebelanordnung erfolgt, die ein erstes neigbares Hebelelement (21) , das seitlich von dem und um den Taststift herum verläuft, und einen zweiten neigbaren Hebel (22), der von dem ersten neigbaren Hebel (21) aus verläuft, beinhaltet; wobei der zweite Hebel (22) Auslenkung auf die Zwangseinrichtung (20) und Zwang von der Zwangseinrichtung (20) auf den Taststift überträgt, wobei das Gehäuse ein Widerlager (15) enthält, mit dem der zweite Hebel (22) bei Neigung ineinandergreifen kann.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, bei dem der Taststift des Tastkopfs in der Trägereinrichtung eine sphärische Oberfläche (43) aufweist und das Lager (50) der Trägereinrichtung durch um die Öffnung herum untergebrachte Kugeln nur stellenweisen Kontakt (50) mit der sphärischen Oberfläche bereitstellt.

3. Tastkopf nach Anspruch 1, bei dem der Taststift eine einheitlich verlaufende Manschette als ersten Hebel aufweist.

4. Tastkopf nach Anspruch 3, bei dem sich die Zwangseinrichtung (20) innerhalb des Gehäuses (10) befindet und über einen zweiten Folgerhebel, der mit dem in dem Gehäuse gehaltenen Widerlager ineinandergreifen kann, auf den ersten Taststift-Manschettenhebel (21) wirkt.

5. Tastkopf nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zwangseinrichtung (20) so angeordnet ist, daß sie den zweiten Hebel (22) gegen den Widerstand des ersten Hebels (21) auf das Widerlager (15) drängt, um das reibungsarme Ineinandergreifen mit dem Taststift auf der neutralen Achse aufrechtzuerhalten.

6. Tastkopf nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in wenigstens einem der Hebel Vorspannung vorhanden ist.

7. Tastkopf nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Widerlager (15) um die Innenseite des Gehäuses, das kreisförmig ist, herum verläuft; der zweite Hebel (22) kreisförmig ist, um auf das Widerlager (15) zu passen; der erste Hebel kreisförmig ist und sich innerhalb des Widerlagers (15) und, wenn er in der natürlichen Position ist, nicht mehr als gerade über der Höhe des Widerlagers und des zweiten Hebels befindet.

8. Tastkopf nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Teile des Tastkopfs so angeordnet sind, daß sie ihr Verhältnis beibehalten und nicht relativ um die neutrale Achse rotieren.

9. Tastkopf nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aufnahmeraum eine Einrichtung zum Aussenden von Strahlung einer Aufnehmereinrichtung (30) und eine Einrichtung zum Sammeln von Strahlung für eine Aufnehmereinrichtung zusammen mit einer Reflektoreinrichtung (42) auf dem Taststift beinhaltet.