JP3847842B2 - 工作機械用のプローブアーム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械におけるプローブを保持するアームに関する。
【０００２】
なお、本明細書の記述は本件出願の優先権の基礎たるイギリス国特許出願第ＧＢ９５１１８５６．８号（１９９５年６月１２日出願）の明細書の記載に基づくものであって、当該イギリス国特許出願の番号を参照することによって当該イギリス国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を構成するものとする。
【０００３】
【従来の技術】
工作機械に工具設定用プローブを取り付けることは知られている。このプローブは工作機械のベッドやテーブルまたは他の固定構造物に取り付けられ、かくて切削工具がそれに接触するよう移動される。これにより、用いられる工具に関連するオフセットを機械の数値制御でもって設定するために、工具の切削端の位置を確立するのを可能にしている。
【０００４】
多くの機械において、工具設定用プローブは、もしも要求される位置に恒久的に取り付けられていれば邪魔になろう。結果的に、それを可動アームに取り付けることが知られており、可動アームは次いで機械の固定構造物に取り付けられている。例えば、英国特許出願ＧＢ２２７７５９３は回転可能に取り付けられたプローブアームを記述している。モータが回転軸線回りにアームを旋回し、作動位置と非作動位置間でアームを割り付けている。作動位置においては、アームの位置（およびかくてプローブの位置）は、運動学的（カイネマチック）支持（kinematic support ）により正確に定められている。これは作動位置においてプローブの高い反復位置決め性を確実とし、かくてプローブは高い反復計測性と正確な工具設定能力を有す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多くの機械においては、かかる旋回アームは適切ではない。というのも、それを取り付ける適切な位置がないか、または、アームは非作動位置に割り付けられたときまだ邪魔になるからである。
【０００６】
それ故に、本発明の好ましい実施の形態は、作動位置および非作動位置間での直線運動と任意的に追加の旋回運動をもたらす。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械用のプローブアームの一形態は、工作機械に取付用の固定部材と、プローブを保持する細長い可動アーム部材であって、軸線を有する可動アーム部材と、可動アーム部材が固定部材に向けて引き込まれた非作動位置と可動アーム部材が固定部材から離れて延伸された作動位置との間で可動アーム部材の軸線方向の運動を案内する案内部と、固定部材と可動アーム部材との間で、前記作動位置を定め、かつ、可動アーム部材の作動位置を過ぎる更なる運動を阻止するストップ部であって、固定部材上の第１の要素と可動アーム部材上の第２の要素とを備え、第１および第２の要素は可動アーム部材の自由度を運動学的に拘束し、それにより可動アーム部材の作動位置を正確に定めるべく作動位置で互いに突き合わせられるようにラムにより付勢され、かつ、互いに協働するストップ部と、前記作動位置で前記ラムを前記可動アーム部材から断接すべく作用する、前記ラムと前記可動アーム部材との間のカップリング機構と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい形態では、前記ラムは、可動アーム部材に作用し、非作動位置と作動位置との間で可動アーム部材を駆動することを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい形態では、可動アーム部材に作用する偏倚装置を含み、前記偏倚装置は前記作動位置で前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように該第１および第２の要素を付勢する力をもたらすことを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい形態では、前記偏倚装置は、可動アーム部材とさらなる可動部材との間に作用するばねを備え、該さらなる可動部材は可動アーム部材が作動位置に到達した後所定量反復可能に動き、前記所定量の前記動きが作動位置において前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように前記第１および第２の要素を付勢する反復可能な力をばねに生じさせることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい形態では、さらなる可動部材は、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するラムのピストンであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、偏倚装置は、可動アーム部材、および、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するよう可動アーム部材に作用するラム間のカップリング機構の一部を形成し、かつ、カップリング機構は、ラムが偏倚装置を介してのみ可動アーム部材に連結されるように、作動位置でラムを可動アーム部材から断接すべく作動可能であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい形態では、前記案内部は、可動アーム部材に作用し、可動アーム部材が作動位置に動くとき、軸線方向の前記動きに加えて回転または旋回運動をもたらす案内部分を含んでいることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、前記案内部分は、可動アーム部材を異なる運動に案内するために置き換え可能な案内部材に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい形態では、前記案内部分は、前記回転または旋回運動の逆方向運動をもたらすために裏返し可能な案内部材に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、工作機械用のプローブアームは、工作機械に取付用の固定部材と、プローブを保持する細長い可動アーム部材と、固定部材と可動アーム部材との間で、可動アーム部材の動き内で作動位置を定め、かつ、可動アーム部材の作動位置を過ぎる更なる運動を阻止するストップ部であって、作動位置において共に付勢される、可動部材上と固定部材上の要素を備え、該要素は可動アーム部材の自由度を運動学的に拘束し、それにより可動部材の作動位置を正確に定めるストップ部と、非作動位置と作動位置との間で可動アーム部材の運動を案内する案内手段であって、アームを軸線に沿って直線的に案内するよう作用する案内手段とを備えている。
【００１８】
好ましい実施の形態では、案内手段は直線的な運動に加えて回転運動を行うべく可動アーム部材を案内する。回転運動は前記軸線回りの旋回運動であってもよい。
【００１９】
好ましくは、固定および可動部材上の前記要素によりもたらされる運動学的拘束を乱さないために、案内手段は作動位置において可動部材に拘束をもたらさないよう配列されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
添付の図面に記載された実施例に基づき、本発明の好ましい実施の形態につき詳細に説明する。
【００２１】
図１ないし図３に示されたプローブアームは、工作機械の固定構造物に取付るためのハウジング１０を備えている。可動アーム部材１４がハウジング１０の端板１２のベアリング１６を通って突出している。アーム部材１４の自由端では横向きの延長具２０上にプローブ１８を保持している。プローブ１８は、例えば、米国特許第４１５３９９８号に記載された形式のタッチトリガープローブであってもよく、スタイラスチップ２４を保持する可倒性のスタイラス２２を有している。このスタイラスチップ２４は、通常、工作機械で切削工具を設定するのに用いられる角型である。しかしながら、プローブアームはワークピースを計測するために適切な方法で取付られてもよく、この場合には他の適切なスタイラスチップが用いられる。
【００２２】
可動アーム部材１４は、ピストンロッド２８を有する液圧ラム２６により矢印３８で示すようにベアリング１６を通って長手方向に延伸され、かつ、引き込まれる。ピストンロッド２８はカップリング機構３０を介して可動アーム部材１４に接続されている。この詳細については、図６との関連で後に詳述する。図１は、十分に引き込まれた非作動位置と十分に延伸された作動位置との中間のアーム部材１４を示している。もちろん、ラム２６は、空気圧または電動モータによって作動されるものと置き換えてもよい。
【００２３】
ハウジング１０内では、カラー３２が可動アーム部材１４に固定されている。このカラー３２は３つの半径方向に突出している従動ピン３４を有している。図１ではこれらの内２つのみが見える。３つ目は半径方向で下向きに突出し、ハウジング１０の床内のスロット３６に係合している。スロット３６はアーム部材１４の長手方向に平行に延在し、下向きに突出する従動ピン３４と共に、アーム部材１４が液圧ラム２６によりその長手方向軸線に沿って押されるとき可動アーム部材１４を案内するよう作用する。このピン３４が長手方向スロット３６に従動する間、プローブ１８が図１に示される水平姿勢を維持することを確実にしている。
【００２４】
下向きに突出する従動ピン３４がスロット３６に沿って作動位置に向かって移動するとき、このピン３４は回転案内ブロック４２内の入口スロット４０に入り込む。このブロック４２の機能は、可動アーム部材１４がラム２６により作動位置に向けて直線的に押され続けるとき、このアーム部材１４をその長手方向軸線回りに旋回運動させるよう案内することである。回転案内ブロック４２は図４および図５により詳細に示されている（しかしながら、そこでは図１ないし図３に示されたのと逆方向の回転を発生すべく配置されたブロックを示している）。
【００２５】
図２は、可動アーム１４が作動位置に近づき回転案内ブロック４２によって旋回が引き起こされるときの、可動アーム１４および延長具２０上のプローブ１８の運動を示している。プローブはそのスタイラスチップ２４が破線４４で示される経路に従い、９０°旋回するまで連続する位置１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃをとる。
【００２６】
この旋回を生じさせるために、ブロック４２の入口スロット４０が下向きに突出する従動ピン３４を滑らかな曲がり部を回って斜めのスロット部４６に導く。下向きに突出する従動ピン３４がこの斜めスロット部４６に従動するとき、アーム１４に直線運動と同時にその旋回を開始させる。図５はアーム１４の長手方向回転軸線５４を示し、この回りに従動ピン３４が矢印５６で示されるように回転する。ある量旋回した後、下向きに突出する従動ピン３４は斜めスロット部４６の外に上昇し始める。しかしながら同時に、次のピン３４がブロック４２の斜めスロット４８に入り込み、アーム１４が直線的に延伸するにつれ、アーム１４の旋回運動を案内し続ける。結局、直線運動が続くにつれ、このピン３４もまた斜めのスロット４８を離れるが、しかし、最後のピン３４が同時にさらなる斜めスロット部５０に係合する。これは、スロット部分５０が滑らかな曲がり部を回って軸線方向に延在するスロット部５２に導くまで、旋回運動を案内し続ける。ここでプローブ１８は図２に見られるように９０°旋回され、スロット部５２はプローブを軸線方向に短い距離だけ完全な作動位置に案内する。
【００２７】
複数の従動ピン３４の斜めスロット部４６，４８，５０への係合は、アーム１４が軸線方向に延伸されるとき、アーム１４の旋回運動を案内するネジとして効果的に作用していることが解るであろう。旋回の量および回転方向はこれらの斜めスロット部によって支配される。例えば、回転方向は、単にブロック４２をハウジング１０内で裏返しに固定し、かつ、ピン３４をカラー３２の他の側に固定することにより逆にすることができる。（ブロック４２は、図１ないし図３に対し、図４および５では裏返しに示されている。）アーム１４は、１つ以上の特別な斜めスロット４８と共に対応する数の特別な従動ピン３４をカラー３２の周りの適切な位置に離間して設けることにより、９０°より大きな角度旋回されてもよい。同様に、もしも９０°より小さな角度が要求されるのであれば、ただ２つの従動ピン３４が用いられ、スロット４８が省略されてその位置にスロット部５０が位置されてもよい。
【００２８】
もちろん、ピン３４およびスロット３６，４６，４８，５０以外の他の案内配列が用いられ得る。例えば、静止ピンがハウジングの床に設けられ、カラー３２に設けられ適切に方向付けられたスロットに係合されてもよい。旋回運動が要求されない場合には、ベアリング１６および／またはラム２６が案内として作用してもよい。
【００２９】
図２における作動位置１８Ｃでは、プローブ１８はプローブにより遂行される計測または工具設定が繰り返されるように、正確に定められた位置に反復して保持されることが望まれる。これは、運動学的（カイネマチック）支持配列により達成され、ここに説明される。
【００３０】
カイネマチック支持のために、カラー３２に３つの前方に面するボール５８の対（その１つの対は図１においては隠れている）が設けられている。これらのボール５８の対はアーム１４の長手方向軸線回りに互いに１２０°離間されている。３つの同様に離間された円柱状の要素６０がハウジング１０の端板１２から後方に面している。要素６０の内２つは図３において見ることができる。作動位置では、ボール５８の対がピン３４、スロット３６および案内ブロック４２の作用によって、それぞれの要素６０に係合するよう案内される。この係合は、作動位置を正確に定めるために、可動アーム部材１４の自由度を運動学的に拘束する。
【００３１】
もちろん、カイネマチック支持を生じさせるために他の協働する要素の配列が用いられてもよい。例えば、１９６０年、ロンドンのChapman & Hallから発行された「Mechnical Design of Laboratory Apparatus」の第１１−３０頁に、H. J. J. Braddick により記述された他の配列を参照のこと。３つの円柱状要素６０は、ボール５８の対と置き換わる３つのＶ溝と協働する３つのボールによって置き換えられてもよい。再び、Braddickにより記述されている他の配列は、３つの円柱状要素６０と置き換わる３つのボールを有しているが、３つのＶ溝の代わりに１つの三面凹部と１つのＶ溝と１つの平坦面とを用いている。この三面凹部は３つのボールの巣（ネスト）または単純に円錐状凹部により置き換えられ得る。もちろん、これらの代替配列において、要素のどちらの群がカラー３２に、および端板１２に設けられるかは問わない。すなわち、例えば、ボール５８の対が端板１２に円柱状要素６０がカラー３２にあってもよい。
【００３２】
もし望むなら、近接センサがハウジング１０の孔６２（図３）内に嵌合され、カラー３２の存在を検出し、かくて、アーム１４が作動位置に到達したことを指示するようにしてもよい。同様に、近接センサがハウジング１０の孔６４（図１）内に嵌合され、アーム１４が非作動位置に十分に引き込まれたときのカラー３２を検出してもよい。
【００３３】
作動位置では、アーム１４の６つの自由度がカイネマチック支持要素５８、６０によってのみ拘束され、かつ、（例えば）ベアリング１６、ピン３４、または、アーム１４が、ピストンロッド２８に連結されているカップリング機構３０によって実質的な付加的な拘束がもたらされるべきでないということが重要である。ベアリング１６の場合には、これは僅かな量の遊びを有するベアリングを使用することにより達成される。必要とされる遊びの量を減少し、その結果、アーム１４が滑らかに摺動するようにするには、ベアリング１６を、アーム１４がその中に組み込まれる後までハウジング１０の端板１２に固定的にボルト止めしないことである。アーム１４を、ボール５８を円柱状要素６０に運動学的（カイネマチカリ）に係合させて、作動位置に偏倚し、そして、ベアリング１６をこの位置のアーム１４の状態で最終的に端板１２に固定する。
【００３４】
回転案内ブロック４２における最終スロット部５２は、拡大された端部６６を有しているということがまた、図４から、知られよう。これは、アーム１４が作動位置にあるとき、対応する従動ピン３４がスロット内で拘束されず、かくて、それはまたカイネマチック支持を乱すような付加的拘束をもたらさないということを確実にしている。
【００３５】
アーム１４と液圧ラム２６のピストンロッド２８との連結は、前述したカップリング機構３０によってもたらされている。これは、アーム１４が作動位置に到達する前の状態である図６において、より詳細に見られる。カップリング機構３０はアーム１４の内側端部に固着される端部キャップ７０を備える本体７４を有している。本体７４は（非作動位置で）円錐状インサート７８に係合する内側円錐面を有している。インサート７８はサークリップ８２により所定位置に保持されている回転ベアリング７６を介して軸７２上に回転可能に取り付けられている。軸７２はピストンロッド２８の端部にそれを連結すべくネジ付けられている。このネジ付けにより組立の際に軸７２のピストンロッド２８に対しての長手方向位置の調節が可能とされている。
【００３６】
図６に示されるように、非作動位置においては、円錐状インサート７８がショルダーワッシャ８０を介して作用する圧縮ばね８４によって本体７４の内側テーパに偏倚されている。液圧ラム２６が作動されるとき、カップリング機構３０は、下向きに突出する従動ピン３４がハウジング１０の床内の長手方向スロット３６に沿って進む間中、この状態に留まっている。また、アーム１４が従動ピン３４のスロット部４６，４８，５０への係合により旋回されるときも、この状態に留まっている。この旋回が生じるとき、カップリング機構３０の端部キャップ７０、本体７４およびインサート７８は、軸７２に対してベアリング７６上で回転する。
【００３７】
作動位置に到達し、カイネマチック支持要素５８，６０が係合したときには、本体７４のさらなる軸線方向運動が当然に阻止される。ピストンロッド２８および軸７２を続けて移動すると、圧縮ばね８４を圧縮しつつ円錐状インサート７８が本体７４の内側テーパから離れる。組立の際に、ピストンロッド２８上の軸７２の軸方向位置は、ラム２６のストロークの終端においてインサート７８が本体７４内の何処にも接触しなくなるように調節されている。軸７２と端部キャップ７０との唯一の連結はばね８４を介してである。これはラム２６のピストンロッド２８をアーム１４から断接し、ラムがカイネマチック支持に干渉するであろう如何なる拘束をももたらさないことを確実にする。
【００３８】
ラム２６はそのストロークに対し都合良く定められた端部位置を有している。その結果、それが作動される度毎にばね８４は同じ量圧縮される。ばね８４はカイネマチック支持要素５８，６０を互いに係合状態に保持する全体的な偏倚力をもたらしている。ばね８４はその度毎に同量圧縮されるので、ばね８４によりもたらされる偏倚力はまさしく反復性がある。これはカイネマチック支持要素によりもたらされるアーム１４の反復性のある作動位置を確実にする助けとなるので有利である。
【００３９】
カップリング機構３０の本体７４の内部では、ストップ部材８６が軸７２の端部にネジ込まれている。これはベアリング７６を軸７２上に固定するよう作用する。それはまた、アーム１４が延伸されているとき予期せぬ障害物に当たった場合に安全ストッパとして作用する。この場合、ストップ部材８６が端部キャップ７０に当たり、その結果、液圧ラムのスラストが軸７２から端部キャップ７０に直接伝達され、ベアリング７６などの部品に損傷を与えない。
【００４０】
いくらかの適用例においては、回転案内ブロック４２によってもたらされる旋回作用が必要とされないかもしれない。この場合、ハウジングの床内のスロット３６が、図４に見られるスロット部６６に類似した拡大された端部まで、真っ直ぐに延在してもよい。それで、ブロック４２は不必要であるが、もしアームの異なるデザインに対し共通の部品を使用することにより製造コストを低減することが望まれるのであれば、ブロック４２は、スロット３６の長手方向の延長部のみに加えるに拡大された端部６６を有するが、斜めスロット部４６，４８，５０が無い類似のブロックにより置き換えてもよい。もちろん、従動ピン３４は１つのみが必要であり、スロット３６に係合する。
【００４１】
旋回運動が要求されない場合には、ベアリング１６は、アーム１４の回転が無く摺動のためのみに必要であるから、より簡単なものでよい。また、カップリング機構３０のベアリング７６を省き円錐状のインサート７８を軸７２に固定することも可能である。しかしながら、ベアリング７６はネジ付軸７２のピストンロッド２８の端部上における長手方向の調節を容易にするので、ベアリング７６を残すのが望ましい。
【００４２】
上述したプローブアームの１つの可能な適用例では、アームが旋盤の回転可能なチャックの隣り、または、上に、チャックの回転軸に平行に取り付けられ得る。プローブ１８が旋盤の工具ポストないしはターレットに取り付けられた切削工具を設定するのに用いられようとするとき、アームはその非作動の引き込まれた位置から延伸される。まず第１に、アームの直線運動によりプローブは概ねチャックと工具との間に位置される。直線運動の終端に向かうにつれ、旋回動作によりプローブ１８のスタイラスチップ２４が旋盤の中心線上で工具を設定するのに適切な作動位置にもたらされる。それから、工具は、工具ポストないしはターレットが取り付けられている摺動自在のキャリッジを作動することにより、スタイラスチップ２４に接触される。
【００４３】
もちろん、プローブアームが旋盤の他の位置に、または、他の工作機械に取り付けられる多くの他の適用例も見受けられよう。ある適用例では、プローブ１８が作動位置にあるとき、プローブは切削工具よりもワークピースを計測するのにも用いられ得る。この場合、チップ２４の代わりに適切なスタイラスチップが用いられる。これは、例えば、ワークピースを可動スピンドルにピックアップすることができる工作機械において使用することができる。スピンドルはそれからワークピースの計測されるべき種々の面をプローブのスタイラスチップに接触させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハウジングの一部を取り除いた本発明のプローブアームの斜視図である。
【図２】運動の際のプローブの幾つかの異なる位置と共に、図１のプローブアームの一部を示す斜視図である。
【図３】図１において隠されている特徴を示すプローブアームの一部の斜視図である。
【図４】図１のプローブアームに用いられる回転案内ブロックの平面図である。
【図５】図４の回転案内ブロックの斜視図であり、プローブアームの従動ピンの回転運動を示している。
【図６】プローブアームのカップリング機構の断面図である。
【符号の説明】
１０ ハウジング
１２ 端板
１４ 可動アーム部材
１６ ベアリング
１８ プローブ
２０ 横向き延長具
２２ スタイラス
２４ スタイラスチップ
２６ 液圧ラム
２８ ピストンロッド
３０ カップリング機構
３２ カラー
３４ 従動ピン
３６ スロット
４０ 入口スロット
４２ 回転案内ブロック
４６，４８，５０ 斜めスロット
５２ スロット
５８ ボール
６０ 円柱状要素
６２，６４ 孔
６６ 拡大部
７０ 端キャップ
７２ 軸
７４ 本体
７６ 回転ベアリング
７８ 円錐状インサート
８０ ショルダーワッシャ
８２ サークリップ
８４ 圧縮ばね
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械におけるプローブを保持するアームに関する。
【０００２】
なお、本明細書の記述は本件出願の優先権の基礎たるイギリス国特許出願第ＧＢ９５１１８５６．８号（１９９５年６月１２日出願）の明細書の記載に基づくものであって、当該イギリス国特許出願の番号を参照することによって当該イギリス国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を構成するものとする。
【０００３】
【従来の技術】
工作機械に工具設定用プローブを取り付けることは知られている。このプローブは工作機械のベッドやテーブルまたは他の固定構造物に取り付けられ、かくて切削工具がそれに接触するよう移動される。これにより、用いられる工具に関連するオフセットを機械の数値制御でもって設定するために、工具の切削端の位置を確立するのを可能にしている。
【０００４】
多くの機械において、工具設定用プローブは、もしも要求される位置に恒久的に取り付けられていれば邪魔になろう。結果的に、それを可動アームに取り付けることが知られており、可動アームは次いで機械の固定構造物に取り付けられている。例えば、英国特許出願ＧＢ２２７７５９３は回転可能に取り付けられたプローブアームを記述している。モータが回転軸線回りにアームを旋回し、作動位置と非作動位置間でアームを割り付けている。作動位置においては、アームの位置（およびかくてプローブの位置）は、運動学的（カイネマチック）支持（kinematic support ）により正確に定められている。これは作動位置においてプローブの高い反復位置決め性を確実とし、かくてプローブは高い反復計測性と正確な工具設定能力を有す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多くの機械においては、かかる旋回アームは適切ではない。というのも、それを取り付ける適切な位置がないか、または、アームは非作動位置に割り付けられたときまだ邪魔になるからである。
【０００６】
それ故に、本発明の好ましい実施の形態は、作動位置および非作動位置間での直線運動と任意的に追加の旋回運動をもたらす。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械用のプローブアームの一形態は、工作機械に取付用の固定部材と、プローブを保持する細長い可動アーム部材であって、軸線を有する可動アーム部材と、可動アーム部材が固定部材に向けて引き込まれた非作動位置と可動アーム部材が固定部材から離れて延伸された作動位置との間で可動アーム部材の軸線方向の運動を案内する案内部と、固定部材と可動アーム部材との間で、前記作動位置を定め、かつ、可動アーム部材の作動位置を過ぎる更なる運動を阻止するストップ部であって、固定部材上の第１の要素と可動アーム部材上の第２の要素とを備え、第１および第２の要素は可動アーム部材の自由度を運動学的に拘束し、それにより可動アーム部材の作動位置を正確に定めるべく作動位置で互いに突き合わせられるようにラムにより付勢され、かつ、互いに協働するストップ部と、前記作動位置で前記ラムを前記可動アーム部材から断接すべく作用する、前記ラムと前記可動アーム部材との間のカップリング機構と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい形態では、前記ラムは、可動アーム部材に作用し、非作動位置と作動位置との間で可動アーム部材を駆動することを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい形態では、可動アーム部材に作用する偏倚装置を含み、前記偏倚装置は前記作動位置で前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように該第１および第２の要素を付勢する力をもたらすことを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい形態では、前記偏倚装置は、可動アーム部材とさらなる可動部材との間に作用するばねを備え、該さらなる可動部材は可動アーム部材が作動位置に到達した後所定量反復可能に動き、前記所定量の前記動きが作動位置において前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように前記第１および第２の要素を付勢する反復可能な力をばねに生じさせることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい形態では、さらなる可動部材は、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するラムのピストンであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、偏倚装置は、可動アーム部材、および、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するよう可動アーム部材に作用するラム間のカップリング機構の一部を形成し、かつ、カップリング機構は、ラムが偏倚装置を介してのみ可動アーム部材に連結されるように、作動位置でラムを可動アーム部材から断接すべく作動可能であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい形態では、前記案内部は、可動アーム部材に作用し、可動アーム部材が作動位置に動くとき、軸線方向の前記動きに加えて回転または旋回運動をもたらす案内部分を含んでいることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、前記案内部分は、可動アーム部材を異なる運動に案内するために置き換え可能な案内部材に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい形態では、前記案内部分は、前記回転または旋回運動の逆方向運動をもたらすために裏返し可能な案内部材に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、工作機械用のプローブアームは、工作機械に取付用の固定部材と、プローブを保持する細長い可動アーム部材と、固定部材と可動アーム部材との間で、可動アーム部材の動き内で作動位置を定め、かつ、可動アーム部材の作動位置を過ぎる更なる運動を阻止するストップ部であって、作動位置において共に付勢される、可動部材上と固定部材上の要素を備え、該要素は可動アーム部材の自由度を運動学的に拘束し、それにより可動部材の作動位置を正確に定めるストップ部と、非作動位置と作動位置との間で可動アーム部材の運動を案内する案内手段であって、アームを軸線に沿って直線的に案内するよう作用する案内手段とを備えている。
【００１８】
好ましい実施の形態では、案内手段は直線的な運動に加えて回転運動を行うべく可動アーム部材を案内する。回転運動は前記軸線回りの旋回運動であってもよい。
【００１９】
好ましくは、固定および可動部材上の前記要素によりもたらされる運動学的拘束を乱さないために、案内手段は作動位置において可動部材に拘束をもたらさないよう配列されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
添付の図面に記載された実施例に基づき、本発明の好ましい実施の形態につき詳細に説明する。
【００２１】
図１ないし図３に示されたプローブアームは、工作機械の固定構造物に取付るためのハウジング１０を備えている。可動アーム部材１４がハウジング１０の端板１２のベアリング１６を通って突出している。アーム部材１４の自由端では横向きの延長具２０上にプローブ１８を保持している。プローブ１８は、例えば、米国特許第４１５３９９８号に記載された形式のタッチトリガープローブであってもよく、スタイラスチップ２４を保持する可倒性のスタイラス２２を有している。このスタイラスチップ２４は、通常、工作機械で切削工具を設定するのに用いられる角型である。しかしながら、プローブアームはワークピースを計測するために適切な方法で取付られてもよく、この場合には他の適切なスタイラスチップが用いられる。
【００２２】
可動アーム部材１４は、ピストンロッド２８を有する液圧ラム２６により矢印３８で示すようにベアリング１６を通って長手方向に延伸され、かつ、引き込まれる。ピストンロッド２８はカップリング機構３０を介して可動アーム部材１４に接続されている。この詳細については、図６との関連で後に詳述する。図１は、十分に引き込まれた非作動位置と十分に延伸された作動位置との中間のアーム部材１４を示している。もちろん、ラム２６は、空気圧または電動モータによって作動されるものと置き換えてもよい。
【００２３】
ハウジング１０内では、カラー３２が可動アーム部材１４に固定されている。このカラー３２は３つの半径方向に突出している従動ピン３４を有している。図１ではこれらの内２つのみが見える。３つ目は半径方向で下向きに突出し、ハウジング１０の床内のスロット３６に係合している。スロット３６はアーム部材１４の長手方向に平行に延在し、下向きに突出する従動ピン３４と共に、アーム部材１４が液圧ラム２６によりその長手方向軸線に沿って押されるとき可動アーム部材１４を案内するよう作用する。このピン３４が長手方向スロット３６に従動する間、プローブ１８が図１に示される水平姿勢を維持することを確実にしている。
【００２４】
下向きに突出する従動ピン３４がスロット３６に沿って作動位置に向かって移動するとき、このピン３４は回転案内ブロック４２内の入口スロット４０に入り込む。このブロック４２の機能は、可動アーム部材１４がラム２６により作動位置に向けて直線的に押され続けるとき、このアーム部材１４をその長手方向軸線回りに旋回運動させるよう案内することである。回転案内ブロック４２は図４および図５により詳細に示されている（しかしながら、そこでは図１ないし図３に示されたのと逆方向の回転を発生すべく配置されたブロックを示している）。
【００２５】
図２は、可動アーム１４が作動位置に近づき回転案内ブロック４２によって旋回が引き起こされるときの、可動アーム１４および延長具２０上のプローブ１８の運動を示している。プローブはそのスタイラスチップ２４が破線４４で示される経路に従い、９０°旋回するまで連続する位置１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃをとる。
【００２６】
この旋回を生じさせるために、ブロック４２の入口スロット４０が下向きに突出する従動ピン３４を滑らかな曲がり部を回って斜めのスロット部４６に導く。下向きに突出する従動ピン３４がこの斜めスロット部４６に従動するとき、アーム１４に直線運動と同時にその旋回を開始させる。図５はアーム１４の長手方向回転軸線５４を示し、この回りに従動ピン３４が矢印５６で示されるように回転する。ある量旋回した後、下向きに突出する従動ピン３４は斜めスロット部４６の外に上昇し始める。しかしながら同時に、次のピン３４がブロック４２の斜めスロット４８に入り込み、アーム１４が直線的に延伸するにつれ、アーム１４の旋回運動を案内し続ける。結局、直線運動が続くにつれ、このピン３４もまた斜めのスロット４８を離れるが、しかし、最後のピン３４が同時にさらなる斜めスロット部５０に係合する。これは、スロット部分５０が滑らかな曲がり部を回って軸線方向に延在するスロット部５２に導くまで、旋回運動を案内し続ける。ここでプローブ１８は図２に見られるように９０°旋回され、スロット部５２はプローブを軸線方向に短い距離だけ完全な作動位置に案内する。
【００２７】
複数の従動ピン３４の斜めスロット部４６，４８，５０への係合は、アーム１４が軸線方向に延伸されるとき、アーム１４の旋回運動を案内するネジとして効果的に作用していることが解るであろう。旋回の量および回転方向はこれらの斜めスロット部によって支配される。例えば、回転方向は、単にブロック４２をハウジング１０内で裏返しに固定し、かつ、ピン３４をカラー３２の他の側に固定することにより逆にすることができる。（ブロック４２は、図１ないし図３に対し、図４および５では裏返しに示されている。）アーム１４は、１つ以上の特別な斜めスロット４８と共に対応する数の特別な従動ピン３４をカラー３２の周りの適切な位置に離間して設けることにより、９０°より大きな角度旋回されてもよい。同様に、もしも９０°より小さな角度が要求されるのであれば、ただ２つの従動ピン３４が用いられ、スロット４８が省略されてその位置にスロット部５０が位置されてもよい。
【００２８】
もちろん、ピン３４およびスロット３６，４６，４８，５０以外の他の案内配列が用いられ得る。例えば、静止ピンがハウジングの床に設けられ、カラー３２に設けられ適切に方向付けられたスロットに係合されてもよい。旋回運動が要求されない場合には、ベアリング１６および／またはラム２６が案内として作用してもよい。
【００２９】
図２における作動位置１８Ｃでは、プローブ１８はプローブにより遂行される計測または工具設定が繰り返されるように、正確に定められた位置に反復して保持されることが望まれる。これは、運動学的（カイネマチック）支持配列により達成され、ここに説明される。
【００３０】
カイネマチック支持のために、カラー３２に３つの前方に面するボール５８の対（その１つの対は図１においては隠れている）が設けられている。これらのボール５８の対はアーム１４の長手方向軸線回りに互いに１２０°離間されている。３つの同様に離間された円柱状の要素６０がハウジング１０の端板１２から後方に面している。要素６０の内２つは図３において見ることができる。作動位置では、ボール５８の対がピン３４、スロット３６および案内ブロック４２の作用によって、それぞれの要素６０に係合するよう案内される。この係合は、作動位置を正確に定めるために、可動アーム部材１４の自由度を運動学的に拘束する。
【００３１】
もちろん、カイネマチック支持を生じさせるために他の協働する要素の配列が用いられてもよい。例えば、１９６０年、ロンドンのChapman & Hallから発行された「Mechnical Design of Laboratory Apparatus」の第１１−３０頁に、H. J. J. Braddick により記述された他の配列を参照のこと。３つの円柱状要素６０は、ボール５８の対と置き換わる３つのＶ溝と協働する３つのボールによって置き換えられてもよい。再び、Braddickにより記述されている他の配列は、３つの円柱状要素６０と置き換わる３つのボールを有しているが、３つのＶ溝の代わりに１つの三面凹部と１つのＶ溝と１つの平坦面とを用いている。この三面凹部は３つのボールの巣（ネスト）または単純に円錐状凹部により置き換えられ得る。もちろん、これらの代替配列において、要素のどちらの群がカラー３２に、および端板１２に設けられるかは問わない。すなわち、例えば、ボール５８の対が端板１２に円柱状要素６０がカラー３２にあってもよい。
【００３２】
もし望むなら、近接センサがハウジング１０の孔６２（図３）内に嵌合され、カラー３２の存在を検出し、かくて、アーム１４が作動位置に到達したことを指示するようにしてもよい。同様に、近接センサがハウジング１０の孔６４（図１）内に嵌合され、アーム１４が非作動位置に十分に引き込まれたときのカラー３２を検出してもよい。
【００３３】
作動位置では、アーム１４の６つの自由度がカイネマチック支持要素５８、６０によってのみ拘束され、かつ、（例えば）ベアリング１６、ピン３４、または、アーム１４が、ピストンロッド２８に連結されているカップリング機構３０によって実質的な付加的な拘束がもたらされるべきでないということが重要である。ベアリング１６の場合には、これは僅かな量の遊びを有するベアリングを使用することにより達成される。必要とされる遊びの量を減少し、その結果、アーム１４が滑らかに摺動するようにするには、ベアリング１６を、アーム１４がその中に組み込まれる後までハウジング１０の端板１２に固定的にボルト止めしないことである。アーム１４を、ボール５８を円柱状要素６０に運動学的（カイネマチカリ）に係合させて、作動位置に偏倚し、そして、ベアリング１６をこの位置のアーム１４の状態で最終的に端板１２に固定する。
【００３４】
回転案内ブロック４２における最終スロット部５２は、拡大された端部６６を有しているということがまた、図４から、知られよう。これは、アーム１４が作動位置にあるとき、対応する従動ピン３４がスロット内で拘束されず、かくて、それはまたカイネマチック支持を乱すような付加的拘束をもたらさないということを確実にしている。
【００３５】
アーム１４と液圧ラム２６のピストンロッド２８との連結は、前述したカップリング機構３０によってもたらされている。これは、アーム１４が作動位置に到達する前の状態である図６において、より詳細に見られる。カップリング機構３０はアーム１４の内側端部に固着される端部キャップ７０を備える本体７４を有している。本体７４は（非作動位置で）円錐状インサート７８に係合する内側円錐面を有している。インサート７８はサークリップ８２により所定位置に保持されている回転ベアリング７６を介して軸７２上に回転可能に取り付けられている。軸７２はピストンロッド２８の端部にそれを連結すべくネジ付けられている。このネジ付けにより組立の際に軸７２のピストンロッド２８に対しての長手方向位置の調節が可能とされている。
【００３６】
図６に示されるように、非作動位置においては、円錐状インサート７８がショルダーワッシャ８０を介して作用する圧縮ばね８４によって本体７４の内側テーパに偏倚されている。液圧ラム２６が作動されるとき、カップリング機構３０は、下向きに突出する従動ピン３４がハウジング１０の床内の長手方向スロット３６に沿って進む間中、この状態に留まっている。また、アーム１４が従動ピン３４のスロット部４６，４８，５０への係合により旋回されるときも、この状態に留まっている。この旋回が生じるとき、カップリング機構３０の端部キャップ７０、本体７４およびインサート７８は、軸７２に対してベアリング７６上で回転する。
【００３７】
作動位置に到達し、カイネマチック支持要素５８，６０が係合したときには、本体７４のさらなる軸線方向運動が当然に阻止される。ピストンロッド２８および軸７２を続けて移動すると、圧縮ばね８４を圧縮しつつ円錐状インサート７８が本体７４の内側テーパから離れる。組立の際に、ピストンロッド２８上の軸７２の軸方向位置は、ラム２６のストロークの終端においてインサート７８が本体７４内の何処にも接触しなくなるように調節されている。軸７２と端部キャップ７０との唯一の連結はばね８４を介してである。これはラム２６のピストンロッド２８をアーム１４から断接し、ラムがカイネマチック支持に干渉するであろう如何なる拘束をももたらさないことを確実にする。
【００３８】
ラム２６はそのストロークに対し都合良く定められた端部位置を有している。その結果、それが作動される度毎にばね８４は同じ量圧縮される。ばね８４はカイネマチック支持要素５８，６０を互いに係合状態に保持する全体的な偏倚力をもたらしている。ばね８４はその度毎に同量圧縮されるので、ばね８４によりもたらされる偏倚力はまさしく反復性がある。これはカイネマチック支持要素によりもたらされるアーム１４の反復性のある作動位置を確実にする助けとなるので有利である。
【００３９】
カップリング機構３０の本体７４の内部では、ストップ部材８６が軸７２の端部にネジ込まれている。これはベアリング７６を軸７２上に固定するよう作用する。それはまた、アーム１４が延伸されているとき予期せぬ障害物に当たった場合に安全ストッパとして作用する。この場合、ストップ部材８６が端部キャップ７０に当たり、その結果、液圧ラムのスラストが軸７２から端部キャップ７０に直接伝達され、ベアリング７６などの部品に損傷を与えない。
【００４０】
いくらかの適用例においては、回転案内ブロック４２によってもたらされる旋回作用が必要とされないかもしれない。この場合、ハウジングの床内のスロット３６が、図４に見られるスロット部６６に類似した拡大された端部まで、真っ直ぐに延在してもよい。それで、ブロック４２は不必要であるが、もしアームの異なるデザインに対し共通の部品を使用することにより製造コストを低減することが望まれるのであれば、ブロック４２は、スロット３６の長手方向の延長部のみに加えるに拡大された端部６６を有するが、斜めスロット部４６，４８，５０が無い類似のブロックにより置き換えてもよい。もちろん、従動ピン３４は１つのみが必要であり、スロット３６に係合する。
【００４１】
旋回運動が要求されない場合には、ベアリング１６は、アーム１４の回転が無く摺動のためのみに必要であるから、より簡単なものでよい。また、カップリング機構３０のベアリング７６を省き円錐状のインサート７８を軸７２に固定することも可能である。しかしながら、ベアリング７６はネジ付軸７２のピストンロッド２８の端部上における長手方向の調節を容易にするので、ベアリング７６を残すのが望ましい。
【００４２】
上述したプローブアームの１つの可能な適用例では、アームが旋盤の回転可能なチャックの隣り、または、上に、チャックの回転軸に平行に取り付けられ得る。プローブ１８が旋盤の工具ポストないしはターレットに取り付けられた切削工具を設定するのに用いられようとするとき、アームはその非作動の引き込まれた位置から延伸される。まず第１に、アームの直線運動によりプローブは概ねチャックと工具との間に位置される。直線運動の終端に向かうにつれ、旋回動作によりプローブ１８のスタイラスチップ２４が旋盤の中心線上で工具を設定するのに適切な作動位置にもたらされる。それから、工具は、工具ポストないしはターレットが取り付けられている摺動自在のキャリッジを作動することにより、スタイラスチップ２４に接触される。
【００４３】
もちろん、プローブアームが旋盤の他の位置に、または、他の工作機械に取り付けられる多くの他の適用例も見受けられよう。ある適用例では、プローブ１８が作動位置にあるとき、プローブは切削工具よりもワークピースを計測するのにも用いられ得る。この場合、チップ２４の代わりに適切なスタイラスチップが用いられる。これは、例えば、ワークピースを可動スピンドルにピックアップすることができる工作機械において使用することができる。スピンドルはそれからワークピースの計測されるべき種々の面をプローブのスタイラスチップに接触させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハウジングの一部を取り除いた本発明のプローブアームの斜視図である。
【図２】運動の際のプローブの幾つかの異なる位置と共に、図１のプローブアームの一部を示す斜視図である。
【図３】図１において隠されている特徴を示すプローブアームの一部の斜視図である。
【図４】図１のプローブアームに用いられる回転案内ブロックの平面図である。
【図５】図４の回転案内ブロックの斜視図であり、プローブアームの従動ピンの回転運動を示している。
【図６】プローブアームのカップリング機構の断面図である。
【符号の説明】
１０ ハウジング
１２ 端板
１４ 可動アーム部材
１６ ベアリング
１８ プローブ
２０ 横向き延長具
２２ スタイラス
２４ スタイラスチップ
２６ 液圧ラム
２８ ピストンロッド
３０ カップリング機構
３２ カラー
３４ 従動ピン
３６ スロット
４０ 入口スロット
４２ 回転案内ブロック
４６，４８，５０ 斜めスロット
５２ スロット
５８ ボール
６０ 円柱状要素
６２，６４ 孔
６６ 拡大部
７０ 端キャップ
７２ 軸
７４ 本体
７６ 回転ベアリング
７８ 円錐状インサート
８０ ショルダーワッシャ
８２ サークリップ
８４ 圧縮ばね
Claims (9)
- 工作機械に取付用の固定部材と、
プローブを保持する細長い可動アーム部材であって、軸線を有する可動アーム部材と、
可動アーム部材が固定部材に向けて引き込まれた非作動位置と可動アーム部材が固定部材から離れて延伸された作動位置との間で可動アーム部材の軸線方向の運動を案内する案内部と、
固定部材と可動アーム部材との間で、前記作動位置を定め、かつ、可動アーム部材の作動位置を過ぎる更なる運動を阻止するストップ部であって、固定部材上の第１の要素と可動アーム部材上の第２の要素とを備え、第１および第２の要素は可動アーム部材の自由度を運動学的に拘束し、それにより可動アーム部材の作動位置を正確に定めるべく作動位置で互いに突き合わせられるようにラムにより付勢され、かつ、互いに協働するストップ部と、
前記作動位置で前記ラムを前記可動アーム部材から断接すべく作用する、前記ラムと前記可動アーム部材との間のカップリング機構と、
を備えることを特徴とする工作機械用のプローブアーム。 - 前記ラムは、可動アーム部材に作用し、非作動位置と作動位置との間で可動アーム部材を駆動することを特徴とする請求項１に記載の工作機械用のプローブアーム。
- 可動アーム部材に作用する偏倚装置を含み、前記偏倚装置は前記作動位置で前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように該第１および第２の要素を付勢する力をもたらすことを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械用のプローブアーム。
- 前記偏倚装置は、可動アーム部材とさらなる可動部材との間に作用するばねを備え、該さらなる可動部材は可動アーム部材が作動位置に到達した後所定量反復可能に動き、前記所定量の前記動きが作動位置において前記第１および第２の要素を互いに突き合わせるように前記第１および第２の要素を付勢する反復可能な力をばねに生じさせることを特徴とする請求項３に記載の工作機械用のプローブアーム。
- さらなる可動部材は、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するラムのピストンであることを特徴とする請求項４に記載の工作機械用のプローブアーム。
- 偏倚装置は、可動アーム部材、および、非作動位置と作動位置との間可動アーム部材を駆動するよう可動アーム部材に作用するラム間のカップリング機構の一部を形成し、かつ、カップリング機構は、ラムが偏倚装置を介してのみ可動アーム部材に連結されるように、作動位置でラムを可動アーム部材から断接すべく作動可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の工作機械用のプローブアーム。
- 前記案内部は、可動アーム部材に作用し、可動アーム部材が作動位置に動くとき、軸線方向の前記動きに加えて回転または旋回運動をもたらす案内部分を含んでいることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の工作機械用のプローブアーム。
- 前記案内部分は、可動アーム部材を異なる運動に案内するために置き換え可能な案内部材に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の工作機械用のプローブアーム。
- 前記案内部分は、前記回転または旋回運動の逆方向運動をもたらすために裏返し可能な案内部材に形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の工作機械用のプローブアーム。
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