DE7231877U

DE7231877U - Elektronischer Mehrkoordinatentaster

Info

Publication number: DE7231877U
Application number: DE19727231877D
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1973-10-04

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Elektronischer Mehrkoordinatentaster

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf, der gleichzeitig einen oder mehrere Taststifte tragen kann, zürn Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen vorzugsweise auf' Koordinatenmeßmaschinen.

Bei der Bestimmung der Abmessungen von technischen Körpern ist die Art der Antastung der meist beliebig im Raum liegenden Meßpunkte und gekrümmten Meßflächen das entscheidende- Kriterium für die erzielbare Meßgenauigkeit. Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung, die in universeller Weise eine objektivierte Antastung beliebig geformter Werkstücke im Genauigkeitsbereich von 1 ^m und besser erlaubt und dabei die bisher meist unbeherrschbaren Fehlermöglichkeiten durch die subjektiven Einstellungen des Messenden vermeidet.

Es sind Vorrichtungen zum Antasten von Körpern in zwei oder mehr Richtungen bekannt, bei denen die Antastrichtung eines Taststiftes mit Hilfe reibungsarm gelagerter Gelenke oder Führungen, wie Federgelenke, Luftlager oder dgl. in eine andere Richtung umgelenkt werden kann. Derartige Vorrichtungen können auch so ausgebildet sein, daß sowohl in der einen als auch - nach einer Umschaltung in der anderen Richtung angetastet werden kann.

Diese Tasteinrichtungen haben jedoch den Nachteil., daß beim Umschalten der Tasteinrichtung der Koordinatennullpunkt des Tastsystemes im allgemeinen verlorengeht und über Hilfspunkte wieder

1 P 1 G-

neu eingestellt werden muß. Außerdem ist bei dieser Art von Tasteinrichtungen ein Antasten in einer schrägen Richtung und eine gleichzeitige Signalabgabe in zwei oder mehr zueinander senkrecht stehenden Bezugsrichtungen nicht möglich.

JiS. sind auch Vorrichtungen bekannt geworden, bei denen zwei elektrische Signalgeber verwendet werden, um ohne Umschalten oder Umlenken die Koordinatenpunkte eines Körpers in durch die zwei Signalrichtungen festgelegten Koordinatenrichtungen anzutasten.

Diese bekannten Vorrichtungen können aber das zu vermessende Objekt nur von einzelnen außen liegenden Seitenflächen aus antasten und daher Längenmessungen nur in einer vorher festzulegenden Seitenfläche des Objektes durchführen. Bei mehrdimensionalen Körpern, die in den meisten Fällen auch noch verdeckt- oder innenliegende-Meßflächen, Rillen, Nuten, . Hohlecken oder schräg liegende Bohrungen haben,, besteht aber der Wunsch, in einer einzigen Werkstückaufspannung gleichzeitig alle Seitenflächen mit Ausnahme der Aufspannfläche des Werkstückes antasten zu können.

Bei einer dieser Vorrichtungen mit zwei Signalgebern wird eine kegelige oder zylindrische Meßsonde verwendet, die zwangsweise in eine Bohrung eingedrückt wird, wodurch das Zentrum der Bohrung angesprochen werden soll. Dieses Verfahren funktioniert nur, wenn die Achse der Sonde parallel zur Achse der Bohrung ist, was in den meisten Fällen nicht vorausgesetzt werden kann. Außerdem führt es bei Unsauberkeiten oder Gratbildungen des Bohrungseinlaufes, die in der Praxis nicht zu vermeiden sind, zu Versetzungen der Meßsonde gegenüber der effektiven Bohrungsachse. Auch ist bei dieser Vorrichtung keine Torsionssteife der mechanischen Halterung der Meßsonde gegeben. Die Meßsonde kann sozusagen frei in einer Ebene \ schwimmen. Dies ist aber für die Antastung von schrägen Flächen ungeeignet, da die Meßsonde wegen der fehlenden Richtungssteife Undefiniert nach verschiedenen Richtungen ausweichen würde.

J -3 -

Eine andere Vorrichtung verwendet zur Messung in einer Richtung eine Geradführung, in der anderen Richtung aber einen Umlenkhebel. Da der Hebel einen bestimmten Radius hat, darf die Umwandlung der Löngenbewegung in eine Winkelbewegung zum Zwecke der Längenmessung nur bei einem bestimmten Abstand der Taststiftspitze vom Biegegelenk erfolgen. Verwendet man einen anderen Taststift mit beispielsweise anderer Hebellänge, dann muß die Einrichtung jeweils auf diesen Taststift neu geeicht werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der möglichst alle Seiten - oder Begrenzungsflächen und auch schräg im Raum liegende Flächen, Rillen oder Hohlecken eines Werkstückes ohne Umspannen des Werkstückes oder des Tastkopfes und auch ohne laufende Nacheichung des Tastkopfes angetastet werden können.

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß der Tastkopf aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Gerald -führungen besteht, die miteinander ein definiertes ebenes oder räumliches Koordinatensystem bilden, daß richtungs- und lageempfindliche elektrische Signalgeber wie z.B. induktive, kapazitive oder auch photoelektronische Meßsysteme, eingebaut sind, die ebenfalls ein torsionssteifes Koordinatensystem bilden, daß ferner fein verstellbare Präzisionsgesperre zur Einregelung der Übereinstimmung der Lage der Koordinatennullpunkte der Geradführungssysteme mit der Nullpunktslage der Signalgeber und Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe in allen einzelnen Führungsrichtungen vorgesehen sind.

Der Tastkopf nach der Erfindung bietet folgende Vorteile:

Durch die Verwendung von Geradführungssystemen wird man unabhängig von der Länge und auch von der Richtung des verwendeten Teststiftes. Durch die torsionssteife Aneinanderreihung ist es möglich, bei schräg im Raum liegenden Begrenzungsflächen defi-

7931R77-/. w7*

• •ι.··

niert in einer Vorzugsrichtung anzutasten, ohne daß der Tastkopf in einer durch die Schräglage oder Krümmung des Werkstückes erzwungenen Undefinierten Bewegungsrichtung auswandert«

Durch die Verwendung mehrerer im Raum zueinander senkrecht stehender elektrischer Signalgeber wird ein sogenannter "elektrischer" Nullpunkt des Tastkopfes erzeugt. Durch Ausnutzen der Signale der Signalgeber ist eine Lageregelung des

;■ mechanisch-geometrischen Nullpunktes der Geradführungen er-

Il reichbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es auch bei schräg im Raum liegenden Flächen die Antastrichtung an ein Objekt von einer Richtung in eine dazu senkrechte Richtung umzuschalten, wenn die Neigung der schrägen Fläche für die eine Richtung z\x flach ge = worden ist, so daß zu große Seitenkräfte auf den Tastkopf auftreten können. Bei Rillen oder Hohleck^n kann in zwei bzw. drei Richtungen gleichzeitig angetastet werden, wobei es möglich ist, die Resultierende der Meßkräfte in die Symmetrieachse des angetasteten Profiles zu legen.

Die Erfindung sei nun anhand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellton Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der Fig. 1 1st der prinzipielle Aufbau der Führungssysteme eines Tastkopfes nach der Erfindung dargssteile.

Als spiel- und reibungsfreie Geradführungssysteme sind beispielsweise Federparallelogramme verwendet, deren Seitenlängen so dimensioniert sind, daß eine genügend genaue kinematische Geradführung erreicht wird.

Die Taststiftaufnahme 1, welche beispielsweise eine Reihe von sternförmig angeordneten, beliebig auswechselbaren Taststiften trägt, ist über ein vier Blattfedern J>a. besitzendes Feder-

Parallelogramm 3 mit der Platte 4 verbunden. Letztere ist andererseits über ein weiteres Federparallelogramm 5, deren Blatt- Π federn 5a um 90° versetzt angreifen, an dem Winkelstück 6 be- 1; festigt. '}

Das Winkelstück β hängt schließlich über ein drittes Feder- ,; Parallelogramm 7, welches horizontal liegende Blattfedern 7a

enthält, an dem Verbindungsstück 8, welches mit dem Oberteil 9 \

starr verbunden ist. ' j

iXirch diese torsionssteife Aneinanderreihung dreier spiel- und
reibungsfreier Geradführungssysteme wird ein mechanisches Koordinatensystem XYZ aufgespannt. Hierin ist beispielsweise das ' Winkelstück 6 parallel zur Z-Richtung, die Platte 4 parallel ■: zur Z- und X-Richtung und schließlich die Taststiftaufnahme 1 ■■ parallel zu der X-, Y- und Z-Richtung beweglich.

Als Anwendungsbeispiel ist in Fig. 1 die Antastung einer ge- ,:

krümmten Fläche 101 eines Werkstückes 100 dargestellt, das bei- |'

spielsweise an seiner Fläche 102 auf dem Tisch einer Koordinaten- f}

meßmaschine aufgespannt ist. Aus dem Beispiel erkennt man, daß j.J

auch andere, schwer zugängliche Meßflächen des Werkstückes von i'.

der erfindungsgemäßen Einrichtung angetastet werden können, ohne \,

daß das Werkstück oder die Tasteinrichtung umgespannt werden f,

muß. ²'.

In dem im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 \ sind außer den in Fig. 1 bereits beschriebenen Teilen, die hier
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, noch die Mittel zur
Erzeugung und Eingabe der Meßkraftvorgabe, sowie ein automatischer Gewichtsausgleich in der Z-Richtung für die Führungs- )■'■ systeme nebst Taststiften und Taststiftaufnahme eingezeichnet. }\

Im Oberteil 9 des Tastkopfes 10 sind beispielsweise drei Tauchspulsysteme angeordnet, deren Ringspaltmagnete 11, II¹, 11" im

- 6 - E

ti' I

723i877-i.in.73

B · ■·■· · · β

Oberteil 9 feststehend gelagert sind und deren Tauchspulen 12, 12 ', 12" aus einer mittleren Nullage heraus, je nach Stromrichtung des in die Tauchspulen eingegebenen Stromes, in den Rings palt der Magnete hereingezogen oder herausgedrückt werden. Die Stromzuführung jeder einzelnen Tauchspule kann wahlweise ein- oder ausgeschaltet bzw. entsprechend elektronisch gesteuert werden, um definierte Meßkräfte zu erzeugen. Die Bewegungen der Tauchspule 12 werden mittels des im Oberteil 9 um die Achse 13 drehbar gelagerten Hebels 14 und weiterer elastisch miteinander verbundenen Übertragungselemente 15, 16, 17 auf die Taststiftaufnahme 1 übertragen. Das Übertragungselement 16 ist hier beispielsweise mittels eines elastischen Wellrohres 18 im Boden 9a des Oberteils allseitig schwenkbar gelagert. Das xäuöhspulensystem 11, 12 erzeugt hier eine Meßkrartvorgabe in der Y-Richtung. Das Tauchspulensystem 11', 12' verschwenkt durch eine geeignete Hebelübertragung, die der besseren Übersicht wegen hier nicht eingezeichnet ist, das Übertragungselement 16 im elastischen Wellrohr 18 senkrecht zur Zeichenebene und erzeugt so die Meßkraft vor gäbe in der .X-Richtung. Das Tauchspulensystem 11", 12" schließlich greift über das Übertragungselement 17a auf das Winkelstück 16 an und schafft somit eine Meßkraftvorgäbe in der Z-Richtung.

Ferner ist im Oberteil eine über einen Motor I9 angetriebene Gewindespindel 20 gelagert, deren zugeordnete Spindelmutter mit einer Spiralfeder 22 in Verbindung steht. Das untere Ende der Spiralfeder 22 ist mit der Taststiftaufnahme 1 verbunden. Diese Einrichtung zum automatischen Gewichtsausgleich wird von dem Motor I9 betätigt, der seinerseits von einem noch zu beschreibenden Signalgeber gesteuert wird, der die Lage des in der Z-Richtung beweglichen Parallelogramms 7 erfaßt.

Jedes einzelne der in den Flg. 1 und 2 dargestellten Federparallelogramme 3, 5, 7 enthält bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Tastkopfes noch weitere, in den Fig. 3 bis 5 dargestellte, zusätzliche Einrichtungen, die in geeigneter Weise

I m ■"

neben- oder hintereinander an den einzelnen Parallelogrammen befestigt sind.

In den Pig. 3 bis 5 sind diese Zusatzeinrichtungen jeweils nur für ein beliebig herausgegriffenes Parallelogramm aufgezeigt, da diese für alle übrigen Parallelogramme völlig identisch sind.

In der Pig. 3 ist beispielsweise das Pederparallelogramm 3 der Pig. I und 2 herausgegriffen.

In der Pig. 3 ist ein in der Führungsrichtung des Parallelogramms wirkende* Gesperre'eingezeichnet, welche im wesentlichen

der Ausführungsform des in der Patentanmeldung Nr

der Anmelderin beschriebenen Präzisionsgesperres entspricht.

Das parallel zum Te^l 4 bewegliche Teil 1 trägt einen Rastkörper J>0 mit einer V-förmigen Rastnut, in die die an einem Hebel 31 befindliche Rastkugel 32 einrasten kann.

Durch Kugel und "V-Nut ist an sich die Relativlage zwischen den Teilen 4 und 1 des Pederparallelogramms 3 der Fig» 1 und 2 formschlüssig gesperrt.

Gleiche Präzisionsgesperre besitzen die Führungssysterne 5 und in den Figuren 1 und 2 wodurch ein mechanisch geometrischer Nullpunkt des Tastkopfes 10 festgelegt wird.

Wie noch gezeigt wird, müssen in jedem der Pührungssysterne die formschlüssigen Raststellungen zusätzlich nachgestellt werden, wozu eine elastisch kinematische Vorrichtung mit den Teilen 31 bis 36 dient. ·

Der Hebel 31 ist in einer an dem Teil 4 befestigten Halterung

33 um eine senkrecht zur Zeichenebene liegende Achse A drehbar gelagert. Am vorderem Ende des Hebels 31 ist eine Blattfeder

34 befestigt. Das hintere Ende der Blattfeder 34 liegt an den Nocken 35 einer Nockenscheibe 36 an. Die Nockenscheibe 36 ist durch einen nicht mehr eingezeichneten Elektromotor in den Richtungen des Doppelpfeiles 37 verdrehbar. Bei einer Drehung der Nockenscheibe 36 wird bei einem Hub des Nockens 35 die Feder 3^ verbogen, wodurch sich eine zusätzliche Lageverstellung der Rastkugel und damit a.uch der durch Kugel und Y-Nut geklemmten Relativlage zwischen Teil 4 und Teil 1 erzielen läßt.

In der Fig. 4 ist wiederum das Federparallelogramm 3 herausgegriffen, was stellvertretend für alle übrigen 5, 7 steht.

Hierin ist nun ein lage- und richtungsempfindlicher Signalgeber, z.B. ein induktiver Meßgeber, eingebaut, dessen Spulensysteme 40 mit dem Teil 4 starr verbunden sind, während der zugehörige Kern 41 am Teil 1 starr befestigt ist. Der Signalgeber ist so beschaffen, daß er bei einer bestimmten relativen Lage der Teile 4 und 1 keine Spannung abgibt. Diese Lage definiert den "elektrischen" Nullpunkt in der Führungsrichtung des Faderparallelogrammes 3. In gleicher Weise haben die Federparallelogramme 5 und 7 elektrische Nullpunkte, die zusammen den ebenen bzw. räumlichen "elektrischen" Nullpunkt des gesamten Tastkopfes definieren. Dieser elektrische Nullpunkt wird im allgemeinen nicht mit dem, durch die Klemmeinrichtungen 30 und 31 bestimmten,mechanisch geometrischen Nullpunkt übereinstimmen. Um diese Übereinstimmung zu erreichen,werden Signale der induktiven Meßgeber ζυν motorischen Nachstellung der Raststellung mit einem an der Nockenscheibe 36 angeflanschten, hier nicht dargestellten Elektromotor herangezogen. Die mechanische Klemmstelle wird dadurch auf den elektrischen Nullpunkt eingeregelt.

• · · * f · · f I r

Die aus den Signalgebern kommenden lage- und richtungsanzeigenden Signale können auch zur Messung der Abweichung des zu prüfen- ).

den Werkstückpunktes von einer Sollage verwendet werden.

Die Signale der Signalgeber können auch zur Positionierung eines oder menrerer Koordinatenschlitten in die Nullposition des Tasters verwendet werden. Desgleichen können die Signalgeber im

Nulldurchgang einen Pesthalte- oder Speicherbefehl an eine Ver- _g

schiebungsmeß- oder Impulszähleinrichtung abgeben um ohne Positio- |j

nieren im Nullpunkt eine dynamische Messung während der Ver- |

Schiebung des Werkstückes zu ermöglichen. I

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Antastrich- |

tungen der Taststifte durch Kodierung der Richtungssignale der |

Signalgeber zur Weiterverarbeitung in einen mit dem Tastkopf |

verbundenen Rechner übertragen. Mit der Zuführung der Antast- f

richtung erhält der Rechner eine Information über die jeweilige _fl

Relativlage der kugelförmigen Taststiftspitze zur Werkstück- |

fläche. Durch diese Anordnung wird bei jedem Antastvorgang der J

wirksame Kugelradius der Taststiftspitze vorzeichenrichtig f

addiert und es können die Werkstückpunkte direkt ohne subjektive f

Entscheidungen des Messenden berechnet werden. |

Der verwendete Signalgeber hat ferner die Eigenschaft, daß seine 1

Signale zur Regelung der Sperrung auf den jeweiligen elektrischen j

Nullpunkt herangezogen werden können. J

1. . In der Pig, 5 ist am Beispiel des herausgegriffenen Pederpar- ί alleiogramms 5 (Fig. 1) eine viscohydraulische Bewegungs- | dämpfung eingezeichnet, bei der in dem durch die Platten 51 und J 52 gebildeten Kapillarspalt 53 eine zähe Flüssigkeit eingefüllt | ist. Die Platte 5I ist mit dem Teil 6 und die Platte 52 mit dem , Teil 4 fest verbunden. Durch die Kapillarwirkung wird ein Herauslaufen der Flüssigkeit verhindert und es ist keine reibungsbe- haftete Abdichtung nötig. " I

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten f

Ausführungsbeispiele beschränkt. Es lassen sich z.B. auch andere j

Geradführungssysteme, wie z.B. ebene oder räumliche Kreuzschlitten- |

systeme oder andere elektrische Signalgeber, z.B. kapzitive, J

- 10 - j

7231877-4.10.73 1

ohmsche oder optisch-elektronische Meßsysteme verwenden.

Auch ist die Anwendung nicht allein auf Koordinatenmeßmaschinen beschränkt. Die Erfindung kann auch in verschiedenen Meß- und Bearbeitungsvorrichtungen oder Werkzeugmaschinen eingesetzt we irden.

Claims

- 11 Schut ζ ansprüche

1» Elektronischer Mehrkoordinatentaster mit einem !Tastkopf, der gleichzeitig einen oder mehrere Taststifte tragen kann, zum Antasten toe. mehrdimensionalen Gegenständen, vorzugsweise auf Koordinatenmeßmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf aus einer torsionssteifeti Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreiea Geradführungen besteht, die miteinander ein definiertes ebenes oder räumliches Koordinatensystem bilden, daß richtungs- und lageempfindliche elektrische Signalgeber eingebaut sind, die ebenfalls ein torsionssteifes Koordinatensystem bilden, daß ferner fein verstellbare Präzisionsgesperre zur Einregelung der Übereinstimmung der Lage der Koordinatennullpunkte der Geradführung ssysteme mit der Nullpunktslage eier elektrischen Signalgeber und Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe in alle^. einzelnen Führungsrichtungen vorgesehen sind.
2. MehrkoordinateL-taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführungen als Federparallelogramme ausgebildet sind.
3. Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1 oder 2_T dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgeber als Längenmeßgeber ausgebildet sind.
4. Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Klemmeinrichtungen verwendet werden, welche eine formschlüssige Rasteinrichtung mit einerkinematischen Hebelübersetzung zur Feineinstellung enthalten.

- 12 -
5. Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Führungssysteme mittels flüssigkeitsgefüllter Kapillarspalte gedämpft sind.
6. Mehrkoordinatentaster nach Anspruch "I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Einrichtung zum Gewichtsausgleich der Tastorgane und Führungssysteme vorgesehen ist.

JBq/Ado
23c