JP2009507650A - 交換装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサ、プローブ素子または工具を機械または機械部分に、あるいは機械または機械部分の回転・旋回装置に、好ましくは座標測定器に交換可能に保持するための交換装置に関する。この交換装置は、第１の軸受を備える保持具と、第１の軸受（２３）に対応する対向軸受を備える相手部品（２２）とを備えている。相手部品（２２）が保持具に保持されている場合に第１の軸受と第２の軸受（２３）の間に把持力を生ずる解除可能な把持装置（２５）、例えば磁気把持装置が設けられている。第１のロック要素（２９）を有する鎖錠装置が保持具に設けられており、相手部品（２２）には保持具のロック要素（２９）に対応する、例えばスライダ（３０）の形の相手部品が設けられている。鎖錠装置により、相手部品を保持具に保持された状態で保持具と機械的に結合させることができる。ロック要素（２９）は分離箇所（３１）を備え、分離面（３１）の分離間隔がそれによって所定間隔に限定される、圧縮ばね（３５）によって予張力が加えられたロープの形の安全要素（３３）が設けられている。分離箇所を有するロック要素により、分離箇所（３１）にあるロック要素（２９）がその座から持ち上がることによって、衝突の場合でも部品に大きすぎる力が加わらないことが達成される。安全要素により、衝突の場合でも、相手部品（２２）が保持具（２１）と結合したままになり、相手部品に担持される部品が落下しないことが保証される。

Description

本発明はセンサ、プローブ素子、または工具を機械または機械部分に交換可能に保持するための交換装置に関する。このような交換装置は例えば、座標測定器において回転・旋回装置、プローブヘッドまたはプローブピンのようなセンサを自動交換可能に座標測定器に保持するために使用される。しかしこの交換装置は、加工機械に様々な工具を保持させるためにも使用される。

その際に公知の交換装置は、保持された部品が交換後に再現可能に機械に保持され、したがって保持すべき部品を新規に較正する必要がなく、間に較正を挟まずに様々なセンサまたは様々なプローブピンと互いに組み合わせることができるように形成されている。

座標測定器または加工機械用の交換装置は例えば米国特許第４６３７１１９号、米国特許第４６４９６２３号、米国特許第４６８８８３０７号、米国特許第５０４１８０６号、米国特許第４，６５１，４０５号、米国特許第４７３８０３３号、米国特許第４，２５４，５５４号、ドイツ特許第３８ ２７ ６５６号から知られている。

米国特許第４６３７１１９号、米国特許第４６４９６２３号、米国特許第４６８８３０７号、米国特許第５０４１８０６号に記載の交換装置では、保持すべき部品の保持具への把持は磁力によって行われる。ドイツ特許第３８ ２７ ６５６号に記載の構成では保持すべき部品の保持具への把持は負圧吸引カップによって行われ、米国特許第４，６５１，４０５号、米国特許第４７３８０３３号に記載の構成では把持はその他の機械的な方法でそれぞれ行われる。米国特許第４６３７１１９号、米国特許第４６４９６２３号、米国特許第４６８８３０７号、米国特許第５０４１８０６号に記載の保持すべき部品の磁気による把持や、ドイツ特許第３８ ２７ ６５６号に記載の保持すべき部品の吸引は、オペレータが交換工程に関与する必要なく、機械が、コンピュータ制御で交換すべき部品、例えば交換すべきセンサをマガジン内に置き、新たなセンサをマガジンから取り上げる、自動交換装置に特に適している。しかし、この交換装置でマガジンがまず始動せずに、センサまたはその他の保持された部品の放出が不慮に開始されると、センサが比較的高い位置から放出され落下した場合、センサが簡単に不慮に損傷する恐れがある。したがって出願人には例えば磁気的把持を機械的鎖錠と組み合わせた回転・旋回装置が公知であり、その場合は保持されたセンサまたは保持された回転・旋回装置の取り外しには手で鎖錠を解除しなければならず、あるいは回転・旋回装置またはセンサをマガジン内に置く際に自動的に鎖錠が解除される。しかし測定工程中の不慮の衝突の際に鎖錠装置による、またそれによって保証される保持された部品と機械の強固な結合による過度の損傷を避けるために、鎖錠は特定の力を超えると自動的に解除されるように設計されている。その場合は衝突の際に、保持されたセンサが落下し、その後の衝突で損傷する恐れがある。

米国特許第４、２５４、５５４号による構成では、保持すべき部品は予張力をかけられた鋼製ロープによって、保持すべき部品の再現性がある保持を保証する３点軸受に向かって引っ張られる。この構成は、衝突の場合に保持すべき部品を軸受から持ち上げることになり、保持すべき部品がそれによっても機械から完全に分離しないという利点を有している。しかしこの構成は手動交換にも自動交換にも適していない。

本発明の目的は、一方では自動交換工程を可能にし、しかし他方では衝突の場合に保持されたセンサ、プローブ素子、工具または回転・旋回装置の破壊が回避される、センサ、プローブ素子、工具または回転・旋回装置を交換可能に保持するための交換装置を提供することにある。

この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する交換装置によって達成される。本発明の有利な実施態様は従属請求項の特徴から明らかになる。

本発明の交換装置は、第１の軸受を有する保持具を備えている。交換装置はさらに、保持具に保持されるべき、第１の軸受に対応する第２の軸受を備えた相手部品を備えている。保持具の軸受と相手部品の対応する対向軸受は公知の方式で、保持具と相手部品の分離と再保持が再現可能に行われるように形成されている。相手部品が保持具に保持されている場合に第１の軸受と第２の軸受の間に把持力を生ずる解除可能な把持装置が設けられている。さらに、保持具における第１のロック要素と、相手部品における第１のロック要素に対応する第２のロック要素とを備え、相手部品を保持具に保持された状態で保持具と機械的に結合可能な鎖錠装置が設けられている。保持具におけるロック要素は分離箇所で保持具に保持され、さらに所定間隔を超える分離箇所の分離を防止する安全要素が設けられる。

その際にロック要素は、鎖錠装置によって保持具の第１の軸受と相手部品の対向軸受の間に付加的な把持力が生じないように設計される。

鎖錠装置により、交換装置は保持された部品の不慮の離脱から守られる。その際、鎖錠装置は、例えば溝を備え安全スライダが嵌合するピンによって機械的に形成することができる。しかし、例えば溝に嵌合するフックなど他の多くの鎖錠装置も可能である。しかし鎖錠装置は、相手部品が保持されている場合は自動的に鎖錠され、保持されている部品が不慮に放された場合は自動的に解除されるように形成すべきである。

保持具のロック要素用の分離箇所は、交換装置の通常動作で保持具のロック要素が着座する、保持具の着座位置である。しかし不慮の衝突が生ずると、分離箇所にあるロック要素は保持具の着座位置から持ち上がる。そのために、分離箇所ないしロック要素の着座位置は、保持具の軸受によって形成される平面領域に配置すべきである。したがって、保持された部品を軸受から持ち上げて取り出すことができる。安全要素により、保持された部品が軸受から持ち上がった場合にも簡単に落下せず、分離はしても所定間隔に達するまでさらに保持されることが保証される。その際の所定間隔は機械制御に応じて、衝突前に機械が最大速度で走行していても、衝突が検知されると機械駆動が所定間隔内で停止できるように設計される。

保持具はセンサ、プローブ素子、工具、または回転・旋回装置に設置することができる。あるいは、相手部品をセンサ、プローブ素子、工具、または回転・旋回装置に設置することもできる。

安全要素は、保持具のロック要素と結合されたロープでよい。ロープは好ましくはそれ自体が弾性を有し、したがって所定間隔を超えると伸長することができる。あるいはロープを分離箇所と対向する側にも可動に連結し、これに予張力を加えるようにしてもよい。予張力はばね力、空気圧、油圧、磁気、または電気によって生しることができる。ロープが弾性を有し、あるいは分離箇所と対向するロープ保持具が移動可能で予張力が加えられている場合は、通常の場合、すなわち衝突が起きない場合は、ロープの予張力または弾性によって分離箇所が閉鎖されるという利点がある。その場合は、保持具のロック要素は常に保持具の着座位置に定義された状態で着座し、それによって交換工程、特に保持具のロック要素に対応する相手部品のロック要素による施錠が簡単になる。しかし基本的に、重力を利用して、衝突が生じない通常の場合に分離箇所が閉鎖されるようにしてある場合は、予張力を施さず、また弾性ではないロープを安全要素として使用することも可能である。

構造をコンパクトにするために、ロープの予張力用に圧縮ばねを設けると特に有利であることが判明している。

安全要素の分離箇所は、保持具の軸受によって形成される平面の近傍に位置する円錐形ないし錐体形、または球形の分離箇所として実施される。円錐形の分離箇所は、保持具のロック要素が円錐体を備え、保持具にロック要素の円錐体用の中空円錐形の座を設けることによって実現できる。これに対応して球形の分離箇所は、ロック要素が球面の切欠き部を備え、保持具に、ロック要素がその球面で嵌合する、ロック要素の球面用の中空球形の座を設けることによって達成できる。円錐形または球形の分離箇所によって、横方向のせん断力が発生した場合でも、分離箇所でのロック要素の分離が簡単に行われるという利点が得られる。

現況技術と同様に、相手部品のロック要素は、ロック要素の溝に嵌合する、予張力をかけられたスライダでよい。スライダはその予張力によって、外部からスライダに力が加えられない場合でも常にロック位置にある。

本発明による交換装置は、好ましくは１つまたは複数の空間方向にコンピュータ制御で移動可能な、および／または１つまたは複数の空間方向にコンピュータ制御で回転可能なセンサ用の保持具を備える座標測定器と関連して使用される。本発明を座標測定器と関連して回転・旋回装置と組み合わせて使用することが特に好ましく、交換装置を回転・旋回装置の保持具に、および／または回転・旋回装置におけるセンサ用の保持具に取り付けることができる。

次に図示の例示的実施態様に即して本発明の詳細をより詳しく説明する。

図１には門形構造の座標測定器が示されている。座標測定装置は、ガイド（２、３）が設けられた台座プレートを備えており、このガイドに沿って測定ポータルがそのキャリッジ（４、５）によりコンピュータ制御で１方向に走行可能である。キャリッジ（４、５）上には縦支柱（６、７）を介して横げた（８）が担持されている。横げた（８）にもこれに沿って、したがってガイド（２、３）の方向と直角に、やはりコンピュータ制御で走行可能なサイドキャリッジ（９）が担持されている。サイドキャリッジ（９）にはスピンドルスリーブ（１０）が直角に移動可能に担持されている。制御コンピュータ、マイクロプロセッサ、操作卓（２１）、モニタ（２２）を備える機械制御装置（２０）を介して機械全体やスピンドルスリーブ（１０）の互いに直角な３つの空間方向への移動が制御される。

スピンドルスリーブ（１０）には、第１の交換装置（１１）を介して回転・旋回装置（１２、１３、１４）が担持されている。回転・旋回装置によって、一方では、スピンドルスリーブ（１０）（縦げた）に平行な軸内で水平面（１８）周りでの、また直角回転面（１９）内でスピンドルスリーブ（１０）の軸に直角な軸周りでの、コンピュータ制御による回転が可能である。その際、回転・旋回装置は、２つの回転面（１８、１９）での任意のまたはほぼ任意の回転角での回転運動を可能にすることのできる、いわゆる連続回転・旋回装置でもよく、あるいは予め固定して定められた角増分での回転運動だけが可能ないわゆる固定回転継手として形成されたものでもよい。

回転・旋回装置には、第２の交換装置（１５）を介してプローブピン（１７）が担持されたセンサ（１６）が担持されている。回転・旋回装置を介してセンサ（１６）を測定目的の要求に応じて空間内で任意の方向に向けることができる。プローブピン（１７）自体もさらに別の交換装置を介してセンサに担持することができる。

交換装置（１１、１５）の構造が図２に断面図で示されている。交換装置は、第１の軸受を担持する保持具（２１）を有している。保持具（２１）に保持すべき相手部品（２２）は、保持具の軸受に対応する対向軸受を有している。その際、保持具（２１）の軸受と相手部品（２２）の軸受は、共同で３点軸受を構成するように形成されている。例えば保持具（２１）の軸受（２３）はそれぞれ１２０°ずつずれた３つの球を備え、相手部品（２２）の軸受は対応する凹部を備えることができ、これは相手部品（２２）が常に再現可能に保持具（２１）に保持されるように第１の軸受（２３）の球に合わせてある。この軸受によって形成される面内での１２０°回転に、場合によっては曖昧さが残るのをなくすために、補助要素（２４）、例えば凹部を有する球を介して、相手部品（２２）に位置の標識を付けることができる。

解除可能な把持装置（２５）として、保持具（２１）の凹部内に電磁石と永久磁石の組合せが収容される。相手部品（２２）には、磁石（２５）によって引き付けられるアンカー板（３４）が固定されている。相手部品（２２）が保持具（２１）に保持されると、相手部品はこれに対応して磁力によって把持される。その際に電磁石と永久磁石の組合せによって、電磁石は交換工程中だけ励磁され、通常の測定動作では把持は永久磁石だけによって行われ、エネルギーの散逸が、したがって電磁石による加熱が最小限になるという利点が得られる。このような磁気式交換装置は例えば、冒頭に記載の米国特許第４６３７１１９号、米国特許第４６４９６２３号、米国特許第４６８８３０７号、米国特許第５０４１８０６号から公知であるので、さらなる詳細についてはこれらを参照されたい。

磁力による把持の代わりに、例えばドイツ特許第３８ ２７ ６５６号に記載されているように負圧により把持を実現することも可能である。この場合はもちろん、把持装置の構造は、したがって保持具と相手部品（２２）の構造も対応して異なってくる。

交換装置を鎖錠するために、保持具（２１）にはピンとして形成されたロック要素（２９）が設けられ、これはアンカー板（３４）の穴を貫いて嵌め込まれる。ロック要素（２９）は先端を軽く尖らせてあり、溝を設けてある。相手部品は、保持具のロック要素（２９）の溝に嵌合する、ばね（３２）で付勢されるスライダ（３０）を備えている。保持具のロック要素（２９）は、ほぼ軸受によって形成される軸受面の高さのところに円錐形の分離箇所（３１）を備えている。すなわち、ロック要素は、円錐形の凹部として形成された座内で分離可能に保持具に保持される。その際、ロック要素の座は細管（２７）にあり、この細管は、保持すべき部品に合わせる側に、アンカー板を貫いて嵌め込まれるロック要素（２９）の円錐形の外表面に対応する円錐形の内表面を有している。細管（２７）の内部には圧縮ばね（３５）が、またその内部にはロープ（３３）が案内されており、このロープは、アンカー板（３４）の開口を通って嵌め込まれるロック要素（２９）と結合され、反対側では把持要素（３６）と結合されている。把持要素は、管（２７）内を摺動して案内される。

相手部品（２２）を保持する際はまず、保持具（２１）のロック要素（２９）がアンカー板（３４）内の穴を通るように、保持具（２１）を相手部品（２２）に対して相対的に配置し、互いにさらに移動させると、ロック要素の尖端によってスライダ（３０）を横方向に押し、それによって鎖錠装置を開ける。溝がスライダ（３０）の高さに達するまでロック要素が挿入されると、スライダ（３０）はその予張力によってロック要素の溝に嵌まる。その際、スライダ（３０）に対するロック要素（２９）内の溝の相対寸法は、鎖錠装置が保持具（２１）と相手部品（２２）の間の軸受（２３）に把持力を生じないように選択される。そのために、スライダ（３０）とロック要素（２９）内の溝は充分な間隙を有している。何故なら、保持具（２１）と相手部品（２２）の間の把持は、保持の再現性が保証されるようにマガジン（２５）を用いてのみ行われるべきだからである。

鎖錠装置により、保持された部品の不慮の落下が保証される。保持された部品（２２）を放すように磁石（２５）が切り換えられた場合でも、スライダ（３０）がばね（３２）の力に抗して押されない限り、鎖錠装置はロック装置（２９）との係合状態に留まる。

これに対して、交換が望まれ、適切なマガジン位置に達すると、マガジンの壁、またはそのために設けられた他の部品がスライダ（３０）を押し、鎖錠装置を解除する。続いて、電磁石が永久磁石の磁力を補償または過補償するように電磁石が制御されることによって磁力が解除されることにより、保持具（２１）と相手部品（２２）を互いに分離することができる。

不慮の衝突の場合、すなわち例えば相手部品（２２）に対して（把持装置の保持力よりも大きい）磁気による保持力よりも大きい力が作用すると、相手部品（２２）は軸受（２３）から持ち上がる。その際、同時にロック要素（２９）が分離箇所（３１）で管（２７）から分離される。力がさらに強くなると、ロック要素（２９）に固定されたロープ（３３）が圧縮ばね（３５）の力に抗して上方に引っ張られる。その際に把持要素（３６）が管（２７）内を軸受面の方向に上方に摺動する。その際にロック要素（２９）は常にロープ（３３）を介して保持具（２１）と結合されたままである。圧縮ばね（３５）によって予張力が加えられたロープ（３３）によって安全要素を形成することにより、ばね（３５）の過伸長が回避される。

安全要素によって生ずるロック要素（２９）への把持力は、好ましくは相手部品（２２）が把持装置（２５）を介して保持具に保持される把持力よりも小さい。

保持具と相手部品はさらに、互いに対応し、保持具（２１）と相手部品（２２）の分離がそれによって検出される接触ピン（図示せず）を有している。衝突の際、すなわち相手部品（２２）が軸受（２３）から持ち上げられる場合は、軸受接点の遮断によってそれが検知される。そこで機械制御は急激に駆動を遮断し、その際にスピンドルスリーブは静止状態になるまである程度走行を続ける。安全要素に分離箇所（３３）でのロック要素（２９）の分離を許す移動経路は、衝突検出後に機械駆動が最大の送り運動をする場合に、安全要素によって可能な分離箇所でのロック要素の最大の分離状態に達する前に、機械駆動の停止状態に達するようなサイズである。その際に、ばねによって生じる安全要素の予張力は、圧縮ばねが最大限圧縮した場合でも、発生する力が小さく損傷が生じないように設計されている。このようにして、衝突の場合でも機械または保持すべき相手部品の損傷が避けられる。

保持具（２１）は、座標測定器のスピンドルスリーブに設置することができる。この場合、相手部品（２２）は回転・旋回装置に、またはスピンドルスリーブに保持すべきセンサに設置されることになる。あるいは、保持具（２１）を回転・旋回装置に設置することもできる。この場合も、保持すべき相手部品（２２）は、回転・旋回装置に保持されるセンサに設置されることになる。

把持装置（２５）は図２に示すように、保持具（２１）の凹部内に配置することができる。しかし、把持装置（２５）を相手部品（２２）の凹部内に配置することも可能である。

ロープ（３３）に予張力をかけずとも分離箇所（３１）が交換工程で閉じられることが保証されるなら、安全要素を形成するロープ（３３）に予張力を加えるばね（３５）はなくてもよい。これは例えば、交換工程で保持具（２１）が常に直角上向きに位置する場合に達成できる。しかし、安全要素（３３）に予張力をかけることにより、正常時（すなわち衝突が生じない場合）に交換装置が空間内で任意の方向に向いている場合に分離箇所が閉鎖されることを保証することができる。

安全要素（３３）の予張力用の圧縮ばねの代わりに、もちろん引っ張りばねを使用することもできる。あるいは、予張力を空気圧、油圧、または磁力によって発生することも考えられる。あるいは、さらに安全要素（３３）を弾性ロープ、例えば強いゴムロープのようなとして形成し、これを安全要素（２９）とは反対側で保持具（２１）に固定することも可能である。

図１を参照して本発明を門形の座標測定器の例で説明した。しかし本発明による交換装置は、いわゆるスタンド構造の座標測定器、または加工機械にも使用可能である。

交換装置を介して座標測定器のスピンドルスリーブに保持された回転・旋回装置、および別の交換装置を介して回転・旋回装置に保持されたセンサを有する門形座標測定器の斜視図である。 本発明による交換装置の断面図である。

Claims (11)

1. センサ、プローブ素子または工具を機械または機械部分に交換可能に保持するための交換装置であって、
   ａ）第１の軸受（２３）を備える保持具（２１）と、
   ｂ）前記第１の軸受に対応する第２の対向軸受を備える、前記保持具に保持可能な相手部品（２２）と、
   ｃ）相手部品が前記保持具に保持されている場合に前記第１の軸受（２３）と前記対向軸受との間に把持力を生ずる解除可能な把持装置（２５）と、
   ｄ）前記保持具（２１）における第１のロック要素（２９）と、また前記第１のロック要素（２９）に対応する、前記相手部品（２２）における第２のロック要素（３０）とを備え、前記相手部品（２２）を前記保持具（２１）に保持された状態で前記保持具と機械的に結合可能な鎖錠装置とを備え、
   ｅ）前記保持具（２１）における前記ロック要素（２９）は分離箇所（３１）を有し、
   ｆ）前記分離箇所（３１）における前記保持具（２１）の前記ロック要素（２９）の分離間隔を所定間隔に制限する安全要素（３３）を備える交換装置。
2. 前記保持具（２１）が前記センサ、前記プローブ素子または前記工具に設置される請求項１に記載の交換装置。
3. 前記相手部品（２２）が前記センサ、前記プローブ素子または前記工具に設置される請求項１に記載の交換装置。
4. 前記安全要素（３３）がロープである請求項１または２に記載の交換装置。
5. 前記ロープ（３３）が弾性である請求項４に記載の交換装置。
6. 前記ロープ（３３）に予張力がかけられる請求項４に記載の交換装置。
7. 前記ロープ（３３）に予張力を加えるために圧縮ばね（３５）が設けられる請求項６に記載の交換装置。
8. 前記ロック要素（２９）の前記分離箇所（３１）が円錐形または球形の分離箇所として実施される請求項１から７のいずれか一項に記載の交換装置。
9. 前記相手要素の前記ロック要素が予張力をかけられたスライダ（３０）である請求項１から８のいずれか一項に記載の交換装置。
10. １つまたは複数の空間方向にコンピュータ制御で移動可能な、および／または１つまたは複数の空間方向にコンピュータ制御で回転可能なセンサ用保持具（２１）と、請求項１から９のいずれか一項に記載の交換装置（１５）とを備える座標測定器。
11. 回転・旋回装置に保持されたセンサを互いに直角な２本の軸の周りでコンピュータ制御で回転運動できるようにする回転・旋回装置用の、１つまたは複数の空間方向にコンピュータ制御で移動可能な保持具と、前記回転・旋回装置用の保持具に保持された請求項１から９のいずれか一項に記載の交換装置（１１、１５）、および／または前記回転・旋回装置に保持された前記センサ用の保持具とを有する座標測定器。

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