DE9320718U1 - Mehrkoordinaten-Tastkopf - Google Patents

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. Juni 1993

Mehrkoordinaten-Tastkopf

Die Erfindung betrifft einen Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bereits eine Vielzahl von messenden und schaltenden Mehrkoordinaten-Tastköpfen bekannt, die zum Antasten von mehrdimensionalen Körpern dienen.

Eingesetzt werden Mehrkoordinaten-Tastköpfe in letzter Zeit vor allem in Koordinatenmeßmaschinen und in Werkzeugmaschinen zum Digitalisieren von Oberflächenprofilen.

Aus der DE 22 42 355 C ist ein Tastkopf zum Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen bekannt. Die bei der Abtastung verursachte dreidimensionale Bewegung des Taststiftes relativ zum Gehäuse des Tastkopfes wird mittels dreier Geradführungen in die drei Koordinatenachsen X, Y, Z zerlegt. Jede Geradführung einer Koordinatenachse X, Y, Z besteht

aus einem Blattfeder-Parallelogramm. Die drei Blattfeder-Parallelogramme sind turmartig übereinander angeordnet, was einen kompakten Aufbau verhindert. Durch die turmartige lange Anordnung der Blattfeder-Parallelogramme wird der Tastkopf auch sehr labil und gegenüber äußeren Schwingungseinflüssen empfindlich.

Um eine kompaktere Bauform zu erreichen, wurde gemaß der DE 22 07 270 A auch bereits vorgeschlagen, zwei Blattfeder-Parallelogramme ineinanderzuschachteln, so daß die Blattfedern vier Seiten eines Würfels bilden. In der dritten Koordinatenachse ist der Taststift durch eine Längsführung in einer Hülse längsverschiebbar. Dieser Tastkopf hat den Nachteil, daß in der dritten Koordinate keine spielfreie und reibungsfreie Führung vorliegt.

Es gab nun verschiedene Versuche, einen kompakten Aufbau mit spielfreien und reibungsfreien Führungen zu realisieren. So weist der Tastkopf gemäß der DE 26 20 099 C2 drei ineinandergeschachtelte Blattfeder-Parallelogramme auf. Trotz der Verschachtelung sind die Blattfeder-Parallelogramme wirkungsmäßig hintereinander angeordnet, was ein relativ labiles und gegen Erschütterungen empfindliches Gebilde ergibt. Darüber hinaus verursacht eine Auslenkung eines Parallelogrammes auch zwangsläufig eine Auslenkung eines weiteren Parallelogrammes, was zu Fehlmessungen führen kann.

Um diese Fehlmessungen zu vermeiden, wurde in der EP 0 299 033 Bl die Verwendung von doppelten Blattfeder-Parallelogrammen vorgeschlagen. Durch diese Vielzahl von Blattfeder-Parallelogrammen wird der

Tastkopf noch labiler und empfindlicher gegenüber Erschütterungen, weiterhin wird die Fertigung eines derartigen Tastkopfes schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrkoordinaten-Tastkopf anzugeben, der einen einfachen Aufbau aufweist und der gegenüber äußeren Störeinflüssen unempfindlich ist. Desweiteren wird mit der Erfindung angestrebt, einen Tastkopf zu schaffen, der korrekte Meßsignale liefert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Tastkopf bietet die Gewähr dafür, daß für jede Koordinatenachse ein Meßsignal erzeugt wird, das zumindest annähernd der Auslenkung des Taststiftes in den einzelnen Koordinatenachsen proportional ist. Weiterhin ist die Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen verringert und die Steifigkeit des Tastkopfes bei guter Antastcharakteristik vergrößert.

Bevorzugte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Mehrkoordinaten-Tastkopfes sind Gegenstand der Unteransprüche .

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigt

Figur 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Tastkopf, 35

Figur 2 ein Kreuzfedergelenk des Tastkopfes,

Figur 3 eine Auslenkung des Kreuzfedergelenkes und

Figur 4 die Anordnung der Meßsysteme im Tastkopf.

In Figur 1 ist ein Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt. Der Tastkopf wird mit dem Einspannkegel 1 an einer Koordinatenmeßmaschine oder einer Werkzeugmaschine befestigt und relativ zu einem nicht gezeigten Werkstück bewegt. Dabei wird das Werkstück von einer Tastkugel 2 des Tastkopfes in bekannter Weise abgetastet. Bei dieser berührenden Abtastung führt ein Taststift 3, an dem die Tastkugel 2 befestigt ist, Bewegungen in den drei Koordinatenachsen X, Y, Z relativ zum Einspannkegel 1 aus.

Der Taststift 3 ist mittels einer Führungsanordnung auslenkbar über einen Halter 4 am Einspannkegel 1 befestigt. Diese Führungsanordnung besteht bei dem gezeigten Dreikoordinaten-Tastkopf aus einer Geradführung für Auslenkungen in Z-Richtung und einer weiteren Geradführung für Auslenkungen des Taststiftes 3 in Y-Richtung. Diese Geradführungen bestehen aus an sich bekannten Blattfeder-Parallelogrammen 5 und 6. Zur Auslenkung des Taststiftes 3 in X-Richtung ist ein Kreuzfedergelenk 7 vorgesehen .

Dieses Kreuzfedergelenk 7 ist in Figur 2 im Detail dargestellt. Es besteht aus sich kreuzenden Blattfedern 71, 72, 73, wobei jeweils ein Ende der

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beiden äußeren Blattfedern 72, 73 über ein Verbindungsteil 74 mit einem Ende der weiteren mittleren Blattfeder 71 verbunden ist. Die gegenüberliegenden anderen Enden der Blattfedern 71, 72, 73 sind mit einem weiteren Verbindungsteil 75 verbunden. Es ist auch die Verwendung eines Kreuzfedergelenkes möglich, bei dem die Verbindungsteile geschliffene Paßringe sind. Ein derartiges Kreuzfedergelenk wird in der Literatur als Teldix-Kreuzfedergelenk bezeichnet (Max Pollermann: Bauelemente der Physikalischen Technik, Springer Verlag 1972, Seiten 80 bis 82). Der Vorteil eines Kreuzfedergelenkes 7 ist die spielfreie Lagerung und die kleine Bauform bei hoher Steifigkeit. Die Verwendung eines Kreuzfedergelenkes 7 bei Tastköpfen ist zwar bereits aus der DE 34 15 419 Al bekannt, es wurden aber nicht die Vorteile bei der Verwendung in einem Mehrkoordinaten-Tastkopf mit Blattfeder-Parallelogrammen 5, 6 erkannt.
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Beim vorteilhaften Aufbau nach Figur 1 ist der Taststift 3 am ersten Verbindungsteil 74 des Kreuzfedergelenkes 7 oder direkt an den Enden der Blattfedern 71, 72, 73 befestigt. Am weiteren Verbindungsteil 75 des Kreuzfedergelenkes 7 sind zwei Brücken 8 und 9 angeordnet, deren Längsachsen parallel zur Achse des Taststiftes 3 in Richtung der Tastkugel 2 verlaufen.

Am unteren Ende der starren Brücken 8 und 9 ist das Blattfeder-Parallelogramm 6 für die Y-Auslenkung des Taststiftes 3 befestigt. Die Blattfedern 6 dieses Parallelogrammes verlaufen parallel zur Achse des Taststiftes 3 in Richtung des Einspannkegels

1. Die anderen Enden des Blattfeder-Parallelogrammes 6 sind an einem Schenkel 101 eines

winkelförmigen starren Zwischenteiles 10 befestigt. Dieser Schenkel 101 verläuft in Y-Richtung quer zur Achse des Taststiftes 3. An dem anderen, rechtwinkelig dazu verlaufenden Schenkel 102 des Zwischenteiles 10 ist das Blattfeder-Parallelogramm 5 für die Z-Achse befestigt. Die Blattfedern 5 dieses Parallelogrammes verlaufen in Y-Richtung und sind in Z-Richtung voneinander beabstandet angeordnet, so daß sie den Raum mit dem Kreuzfedergelenk 7 und dem Blattfeder-Parallelogramm 6 einschließen. Die anderen Enden der Blattfedern 5 des Parallelogrammes für die Z-Achse sind an dem starren Halter 4 befestigt. Hierzu ist der Halter 4 L-förmig ausgebildet, wobei an einem Schenkel die Blattfedern 5 und am anderen, rechtwinkelig dazu verlaufenden Schenkel der Einspannkegel 1 montiert sind.

Der Aufbau des Kreuzfedergelenkes 7 wurde bereits erläutert. Wie nachfolgend ausgeführt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verbindungsteil 74 mit dem Taststift 3 an dem unteren, zur Tastkugel 2 weisenden Ende der Blattfedern 72, 73 befestigt ist. Dabei verläuft die Längsachse der Blattfedern 72, 73 in Z-Richtung parallel zur Achse des Tast-Stiftes 3 und sie sind senkrecht dazu in X-Richtung auslenkbar.

Eine Auslenkung des Taststiftes 3 in X-Richtung verursacht eine Schwenkbewegung des Kreuzfedergelenkes 7. Bei äußerst kleinen Auslenkungen liegt die Drehachse D in der Schnittgeraden der Ebenen der Blattfedern 71, 72, 73. Diese Bewegungsbahn 76 des Befestigungspunktes zwischen dem Kreuzfedergelenk 7 und dem Taststift 3 ist in Figur 3

eingezeichnet. Bei in der Praxis auftretenden Auslenkungen bewegt sich der Befestigungspunkt aber auf der Bahn 77. Dies hat den Vorteil, daß sich die Tastkugel 2 bei einer X-Auslenkung nur um einen kleinen Betrag d in Z-Richtung bewegt.

Eine Auslenkung des Taststiftes 3 in Y-Richtung wird über das Kreuzfedergelenk 7 und die starren Brücken 8, 9 auf das Blattfeder-Parallelogramm 6 übertragen. Dabei bewegt sich das Kreuzfedergelenk 7 mit den Brücken 8, 9 und die unteren Enden der Blattfedern 6 in Y-Richtung. Das Zwischenteil 10 führt dagegen keine Bewegung aus.

Eine Auslenkung des Taststiftes 3 in Z-Richtung wird über das Kreuzfedergelenk 7 und das Blattfeder-Parallelogramm 6 auf das Blattfeder-Parallelogramm 5 übertragen. Dabei bewegen sich das Kreuzfedergelenk 7 und das Blattfeder-Parallelogramm 6 ohne eine Auslenkung in Z-Richtung.

Durch das Kreuzfedergelenk 7 erhält der Tastkopf eine besonders hohe Steifigkeit bei ausreichender Empfindlichkeit bei der Antastung.

Bei dem beschriebenen Aufbau können die zur Erfassung der Auslenkungen notwendigen Meßsysteme 11, 12 besonders vorteilhaft angeordnet werden. Diese Anordnung der Meßsysteme 11, 12 ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Die Auslenkungen des Taststiftes 3 entlang der Y- und Z-Achsen werden von einem lichtelektrischen Kreuzgitter-Meßsystem 11 gemessen. Dieses inkrementale Kreuzgitter-Meßsystem 11 ist in der DE 40 41 584 Al beschrieben.

*· * I III,

Der Maßstab 111 mit dem Kreuzgitter 112 ist relativ zur Abtasteinheit 113 in Y- und Z-Richtung verschiebbar. Hierzu ist der Maßstab 111 an der Brücke 8 des Tastkopfes und die Abtasteinheit 113 an dem Halter 4 befestigt. Es ist auch möglich, die Abtasteinheit 113 an der Brücke 8 und den Maßstab 111 an dem Halter 4 zu montieren.

Die Schwenkbewegungen des Taststiftes 3 entlang der X-Achse werden von einem inkrementalen Winkelmeßsystem 12 gemessen. Das lichtelektrische Winkelmeßsystem 12 besteht aus einem Maßstab 121 und einer Abtasteinheit 122. Der Maßstab 121 ist am Taststift 3 und die Abtasteinheit 122 an der Brücke 9 befestigt. Es ist auch möglich, die Abtasteinheit 122 am Taststift 3 und den Maßstab 121 an der Brücke 9 zu montieren. Die Teilung des Maßstabes 121 ist ein Sektor einer Teilscheibe, deren Teilstriche radial zum Schwenkpunkt des Kreuzfedergelenkes 7 verlaufen.

Es kann auch für die X- und Z-Achse jeweils ein separates Längenmeßsystem verwendet werden. Weiterhin ist der Einsatz anderer Meßsysteme denkbar, beispielsweise indutiver, kapazitiver oder magnetischer Art.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei dem beschriebenen Dreikoordinaten-Tastkopf einsetzbar. Sie kann aber auch bei einem Zweikoordinaten-Tastkopf realisiert werden, indem neben dem Kreuzfedergelenk 7 nur ein Blattfeder-Parallelogramm 5 oder 6 verwendet wird. Weiterhin ist auch eine andere Lage der Führungen 5, 6, 7 im Raum möglich. So kann beispielsweise auch das Kreuzfedergelenk 7 für die Y- oder Z-Achse eingesetzt werden.

Claims (8)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. Juni 1993 Ansprüche

1. Mehrkoordinaten-Tastkopf mit einem in mehreren Koordinatenachsen (X, Y, Z) relativ zu seinem Halter (4) auslenkbaren Taststift (3), wobei zumindest für die Auslenkung in einer Koordinatenachse (Y, Z) ein Blattfeder-Parallelogramm (5, 6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung in einer weiteren senkrecht dazu verlaufenden Koordinatenachse (X) ein Kreuzfedergelenk (7) vorgesehen ist. 0

2. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (3) an den Blattfedern (71, 72, 73) des Kreuzfedergelenkes (7) befestigt ist, und daß die Verbindung zwischen dem Kreuzfedergelenk (7) und dem Halter (4) zumindest ein Blattfeder-Parallelogramm (5) aufweist, das am Halter (4) befestigt ist.

3. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (3) an

den ihm zugewandten Enden der Blattfedern (72, 72) des Kreuzfedergelenkes (7) befestigt ist, und daß diese Blattfedern (72, 73) parallel zur Achse des Taststiftes (3) verlaufen. 25

4. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den einen Enden der Blattfedern (71, 72, 73)

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des Kreuzfedergelenkes (7) der Taststift (3) befestigt ist, wodurch eine Auslenkung des Taststiftes (3) in einer ersten Koordinatenachse (X) möglich ist, daß weiterhin an den anderen Enden der Blattfedern (71, 72, 73) des Kreuzfedergelenkes (7) senkrecht zur ersten Koordinatenachse (X) und parallel zur Achse des Taststiftes (3) verlaufende Brücken (8, 9) befestigt sind, an denen die einen Enden des ersten Blattfeder-Parallelogrammes (6) zur Auslenkung des Taststiftes (3) in einer zweiten Koordinatenachse (Y) montiert sind, wobei die Blattfedern (6) dieses Parallelogrammes parallel zur Achse des Taststiftes (3) verlaufen, daß weiterhin die anderen Enden des ersten Blattfeder-Parallelogrammes (6) an einem Zwischenteil (10) angebracht sind, an dem wiederum die ersten Enden eines weiteren Blattfeder-Parallelogrammes (5) befestigt sind, und daß die Blattfedern (5) dieses Parallelogrammes senkrecht zur Achse des Taststiftes (3) und senkrecht zur Längsachse des ersten Blattfeder-Parallelogrammes (6) verlaufen, und daß weiterhin die anderen Enden des weiteren Blattfeder-Parallelogrammes (5) am Halter (4) befestigt sind.

5. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (6) des ersten Parallelogrammes symmetrisch zur Achse des Taststiftes (3) angeordnet sind und zwei Seiten eines Raumes einschließen, in dem das Kreuzfedergelenk (7) angeordnet ist, daß weiterhin die Blattfedern (5) des weiteren Parallelogrammes zwei Seiten eines Raumes begrenzen, in dem

sich das Kreuzfedergelenk (7) und das erste Blattfeder-Parallelogramm (6) befinden.

6. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung des Taststiftes (3) in zwei Koordinatenachsen (Y, Z) ein inkrementales Kreuzgitter-Meßsystem (11) und zur Messung der Auslenkung des Taststiftes (3) in der anderen Achse (X), in der das Kreuzfedergelenk (7) auslenkbar ist, ein inkrementales Winkelmeßsystem (12) im Tastkopf angeordnet ist.

7. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreuzgitter-Meßsystem (11) aus einem Maßstab (111) und einer relativ dazu in zwei Koordinatenachsen (Y, Z) bewegbaren Abtasteinheit (113) besteht, wobei eines dieser Teile (113) am Halter (4) und das andere Teil (111) an einer der Brücken (8, 9) befestigt ist.

8. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelmeßsystem aus einem Maßstab (121) und einer relativ dazu bewegbaren Abtasteinheit (122) besteht, wobei eines dieser Teile (121) am Taststift (3) und das andere Teil (122) an einem der Brücken (8, 9) befestigt ist.