DE4123081C2 - Tastkopf vom schaltenden Typ - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf vom schaltenden Typ, wie er beispielsweise in Koordinatenmeßgeräten oder für das Messen von Werkstücken auf Bearbeitungsmaschinen verwendet wird. Ein solcher Tastkopf ist beispielsweise in der US-PS 4 177 568 beschrieben.

Tastköpfe vom schaltenden Typ besitzen eine Lagerung, die die Nullstellung des Taststiftträgers hochgenau festlegt, in der sich der Taststiftträger, d. h. das bewegliche Teil des Tast­ kopfes vor einem Antastvorgang befindet und in die es nach jedem Antastvorgang wieder zurückkehrt. Diese Lagerung ist in der Regel als statisch bestimmtes Dreipunktlager ausgebildet und besteht beispielsweise aus drei in einer Ebene liegenden Kugelpaaren, in welche radial abstehende Zylinder einrasten, oder aus drei V-artige Kerben, in die drei Kugeln einrasten oder anderen, hierzu technisch äquivalenten Ausführungs­ formen. Alle diese Lagerungen haben aber den Nachteil, daß aufgrund der üblichen Federvorspannung des beweglichen Teils die Auslenkkraft bei seitlicher Antastung sehr unsymmetrisch ist, da der Taststiftträger je nach Antastrichtung einmal über einen Lagerpunkt und das andere Mal über die näher an der Taststiftachse liegende Verbindungslinie zweier Lager­ punkte kippen kann. Aufgrund dieser ungleichen Antastkräfte ergeben sich Meßunsicherheiten, da unterschiedliche Antast­ kräfte auch verschieden starke Durchbiegungen der Tastelemen­ te zur Folge haben, bevor der Antastimpuls erzeugt wird, der die Lage der angetasteten Werkstückoberfläche charakterisiert.

Das angesprochene Problem ist bereits bekannt und es hat nicht an Versuchen gefehlt, das Problem durch statisch über­ bestimmte Lagerungen für den beweglichen Teil des Tastkopfes zu lösen, indem der Taststiftträger entweder auf sehr viele Punkte oder auf ein ringförmiges Lagerteil aufgelegt wird.

Beispielsweise ist in der DE-OS 19 37 154 ein Kopierfühler beschrieben, dessen bewegliches Teil im Bereich der Lagerung tellerförmig ausgebildet ist und mit seinem Augenumfang auf einer ringförmigen Auflage am festen Teil des Kopierfühlers liegt. In der Ringebene zentriert und axial gegen die Ring­ auflage vorgespannt wird dort das bewegliche Teil durch eine zweilagige Membran. Dazu sind die beiden Einzelmembranen in Ruhestellung etwas gegeneinander aufgeweitet. Hierdurch be­ dingt ergeben sich jedoch relativ schlechte Werte für die Zentrierstabilität. Außerdem sind die beiden Einzelmembranen an ihrem Rand miteinander verbunden, wodurch sich nur relativ geringe Auslenkbewegungen realisieren lassen, wenn die Membran nicht überdehnt werden soll.

In der US-PS 35 66 479 ist ein Tastkopf, allerdings vom messenden Typ beschrieben, dessen bewegliches Teil durch eine Membran zentriert wird (Fig. 14). Die am beweglichen Teil befestigte, einlagige Membran liegt in Ruhestellung auf einem Ringbund am festen Teil auf bzw. ist gegen diesen vorge­ spannt. Die dort beschriebene Art der Lagerung erlaubt allerdings auch nur geringe Auslenkwege und legt die Winkellage des beweglichen Teils in seiner Ruhestellung auf­ grund des geringen Durchmessers des Ringbunds und des radialen Abstandes zwischen dem beweglichen Teil und dem Ringbund nur mit sehr geringer Genauigkeit fest.

In der EP-A2-0 303 831 und der zugehörigen Prioritätspatentanmeldung DE 37 27 923 A1 ist ein Tastkopf vom schaltenden Typ beschrieben, dessen Taststiftträger durch fünf übereinander­ liegende Scheiben zentriert wird, die jeweils paarweise an den Enden miteinander verbunden sind und ein Abklappen des Taststiftträgers über definierte parallel zu den Koordinaten­ richtungen liegende Achsen gestattet. In Richtung der Tast­ stiftachse liegt der Taststiftträger jedoch auf drei oder vier Stützpunkten auf. Auch dieser bekannte Tastkopf be­ friedigt hinsichtlich der Rückstellgenauigkeit des Taststift­ trägers in der Ebene, d. h. bezüglich der Zentriergenauigkeit sowie der Gleichförmigkeit der Antastkraft nicht. Außerdem baut er aufgrund der rechtwinkligen Anordnung der Kippachsen relativ groß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst einfach aufgebauten Tastkopf vom schaltenden Typ zu schaffen, dessen Antastkräfte unabhängig von der Antastrichtung sind und bei dem die Nullstellung des Taststiftträgers möglichst genau bzw. stabil reproduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Tastkopf vom schaltenden Typ gelöst, dessen auslenkbares, den Taststift tragendes Teil in Ruhestellung durch ein Membran- oder Blattfederteil zentriert wird und axial gegen das feste Teil des Tastkopfs vorgespannt ist, an dem es mittelbar über das Membran- oder Blattfederteil anliegt, wobei dieses aus drei aufeinanderliegenden Blattfederringen besteht, die abschnittsweise miteinander verbunden sind und sich mit ihren Planflächen axial direkt aufeinander sowie am festen Teil und am beweglichen Teil abstützen, und wobei die Verbindungsstellen der Blattfederringe jeweils um 120° um die Taststiftlängsachse gegeneinander versetzt sind.

Die erfindungsgemäße Lagerung gehört zur Gruppe der statisch überbestimmten Lagerungen. Ihr liegt der Gedanke zugrunde, alle Freiheitsgrade mit nur einem Bauteil aufzunehmen. Dieses Bauteil ist aus mehreren aufeinander aufliegenden Einzelmembranen bzw. Federringen gebildet. Da die Federringe in der Nullstellung des Taststiftträgers plan aufeinanderliegen, ist das Bauteil in der Ebene sehr steif und deshalb ergibt sich eine hohe Rückstellgenauigkeit für den Taststiftträger. Dennoch lassen sich große Auslenkwege des Taststifts realisieren, ohne daß die Gefahr einer irreversiblen Verformung der Membran besteht.

Das bewegliche Teil des Tastkopfes, d. h. der Taststiftträger kann gegen das feste Teil wie üblich mit Hilfe einer Feder oder durch Magnetkräfte vorgespannt werden.

Die Federkräfte können auch durch die Eigenelastizität der Membran bzw. des Blattfederteils aufgebracht werden. Das hat den Vorteil, daß auf eine zusätzliche Feder verzichtet werden kann und der Tastkopf damit kürzer baut, da nach Wegfall einer separaten Druckfeder deren Blocklänge sowie die Baulänge der Halteteile eingespart werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das bewegliche Teil durch die Federkraft der Eigenelastizität der Membran und zusätzlich mittels Magnetkräfte gegen das feste Teil vorgespannt wird. Denn durch die Überlagerung der Federkraft und der Magnetkraft läßt sich eine nahezu konstante oder sogar fallende Kraftkennlinie realisieren, d. h. die Antastkraft bleibt konstant bzw. nimmt mit steigender Auslenkung ab. Damit sind die sonst bei Vorspannung mit Hilfe einer Druckfeder auftretenden Probleme wie z. B. die Beschädigung empfindlicher Oberflächen durch das Tastelement, das Abbrechen feiner Taststifte etc., vermieden.

Für das Aufbringen der Magnetkraft sind keine weiteren Zu­ satzelemente erforderlich, da es genügt, den beweglichen Taststiftträger, bzw. die Federringe selbst zu magnetisieren. Die flächige Form der Federringe eröffnet diese Möglichkeit auf einfache Weise. Es ist jedoch auch möglich, axial ver­ stellbare Permanentmagnete einzusetzen, da dann die Magnet­ kraft eingestellt und an die Federkraft angepaßt werden kann.

Was die Zahl der aufeinanderliegenden Einzelmembranen bzw. Blattfederringe betrifft, so haben sich als besonders zweckmäßig im Hinblick auf ausreichende Auslenkung und gleichzeitige Zentriersteifigkeit drei Federringe erwiesen. Diese Federringe sind so miteinander zu verbinden, daß die Verbindungsstellen der einzelnen Ringe jeweils um 120° um die Taststiftlängsachse gegeneinander versetzt sind. Bei dieser Ausbildung ergibt sich eine sehr gleichmäßige Verteilung der Antastkräfte.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in den Fig. 1-6 der beigefügten Zeichnungen beschrieben sind. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Tastkopfs im Schnitt in einer die Taster­ längsachse enthaltenden Ebene;

Fig. 2 das Membranteil (13) aus Fig. 1 in Aufsicht;

Fig. 3 das Membranteil (13) aus Fig. 1 in Seitenansicht im auseinandergezogenen Zustand;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Tastkopfs im Schnitt in einer die Taster­ längsachse enthaltenden Ebene;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Tastkopfs in einer die Tasterlängsachse ent­ haltenden Ebene;

Fig. 6 ein Diagramm, in dem die Antastkraft des Tastkopfs nach Fig. 5 in Abhängigkeit vom Auslenkweg des Taststifts dargestellt ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf besitzt ein zylinder­ förmiges festes Gehäuseteil (1), das an seinem oberen Ende durch einen abnehmbaren Deckel verschlossen ist, an dem der zur Montage des Tastkopfs an z. B. einem Koordinatenmeßgerät dienende Zapfen (14) angesetzt ist.

Nach unten hin ist das Gehäuse (1) mit einem ringförmigen Bund (11) versehen. Auf dessen Innenseite stützt sich der bewegliche Taststiftträger ab. Der Taststiftträger besteht aus einem plattenförmigen Teil (2) und einem durch die zentrale Öffnung im Ringbund (11) hindurchragenden Zylinder (4), in den der Taststift (5), der an seinem unteren Ende die Tastkugel (6) trägt, hineingeschraubt ist. Zwischen das Teil (4) und die Platte (2) des Taststiftträgers ist ein ringförmiges piezoelektrisches Element (3) eingesetzt, beispielsweise eingeklebt, das als Signalgeber für die Erzeugung des Antastimpulses dient und hierzu über Kabel an eine nicht näher dargestellte Verstärkerelektronik auf der in den Tastkopf eingesetzten Zwischenplatte (10) angeschlossen ist.

Die Platte (2) des Taststiftträgers wird von einer Feder (7) in Richtung auf den Bund (11) am feststehenden Taststiftteil (1) gedrückt. Zur Einstellung der Federkraft dient eine Einstellschraube (9) in der Zwischenplatte (10) des Tastkopfs, die mit ihrer Spitze auf die am oberen Ende der Feder (7) befestigte Druckplatte (8) bzw. in eine hierfür vorgesehene konische Vertiefung drückt.

Die Platte (2) des Taststiftträgers liegt auf dem Bund (11) über drei direkt übereinanderliegende Federringe (13a, 13b und 13c) auf. Diese Federringe zentrieren den Taststiftträger in der Ebene senkrecht zu der mit (Z) bezeichneten Taststiftlängsachse und bilden gleichzeitig auch das Auflager in Richtung dieser Längsachse (Z).

Die drei Federringe (13a, 13b und 13c) sind, wie in der Aufsicht aus Fig. 2 und der Seitenansicht nach Fig. 3 ersichtlich, untereinander jeweils an einer Stelle fest mit­ einander verbunden. So ist der Bund (11) in dem schraffiert gezeichneten Bereich (14d) mit dem Federring (13c), der Federring (13c) in dem schraffiert bezeichneten Bereich (14c) mit dem nächsten Federring (13b) und dieser wiederum in dem mit (14b) bezeichneten schraffierten Bereich mit dem dritten Federring (13a) verbunden. Der Federring (13a) ist seinerseits an einer Stelle (14a), die über dem Bereich (14d) liegt, mit der Platte (2) des beweglichen Taststiftträgers miteinander verbunden. Die Verbindung an den Stellen (14a-d) ist flächig und beispielsweise durch Verkleben oder Ver­ schweißen erfolgt.

Die Verbindungsstellen sind jeweils um einen Winkel von 120° um die Taststiftlängsachse (Z) herum angeordnet.

In Ruhestellung liegen die drei dünnen Federringe (13a-c) direkt aufeinander auf und zentrieren so den Taststiftträger mit hoher Genauigkeit relativ zum Gehäuse (1). Da sich der Bund (11), die Platte (2) und die drei Federringe (13a-c) mit hoher Präzision plan herstellen lassen, bilden sie gleichzeitig direkt das Auflager, der die Position der Tastkugel (6) in Richtung der Achse (Z) bestimmt.

Bei Auslenkbewegungen senkrecht zur Achse (Z) kippt die Platte (2) immer um einen Punkt in der Nähe des Außenum­ fanges, so daß sich absolut gleichmäßige Antastkräfte unab­ hängig von der Antastrichtung ergeben. Hierbei kann sich dann das aus den drei Federringen bestehende Membranteil (13) wie in Fig. 3 dargestellt beliebig verformen und in alle Richtungen nachgeben.

Der in Fig. 4 dargestellte Tastkopf erlaubt verglichen mit dem nach Fig. 1 bis 3 zusätzlich auch Auslenkbewegungen in -Z-Richtung, d. h. der Taststift (25) kann auch nach unten aus dem feststehenden Gehäuseteil (21) herausgezogen werden, wenn diese Ausweichbewegung beispielsweise beim Antasten von waagerecht liegenden Bohrungen erforderlich sein sollte. Hierzu ist unter dem nach unten offenen zylindrischen feststehenden Gehäuseteil (21) ein Zwischenring (31) mittels eines ringförmigen Membranteiles (34) gelagert. Das Membran­ teil (34) besteht aus zwei übereinanderliegenden Federringen der Art, wie sie bereits in Fig. 2 und 3 dargestellt und anhand der Figuren beschrieben worden sind. Die zwei Feder­ ringe des Membranteils (34) zentrieren den Zwischenring (31) und bilden außerdem das Auflager, das die Position des Zwischenrings (31) in Z-Richtung festlegt.

Auf dem Zwischenring (31) ist der Taststiftträger wieder über ein zweites Membranteil (33) bestehend aus drei einzelnen Federringen (33a, b und c) in der gleichen Weise wie anhand von Fig. 1 beschrieben gelagert. Der Taststift­ träger besteht wieder aus einer Platte (22) und einem zylindrischen Teil (24), und zwischen die beiden Teile (22, 24) ist eine ringförmige Scheibe aus piezoelektrischem Material gesetzt. Das Membranteil (34) besteht aus nur zwei Federringen, weil es einen größeren Durchmesser als das Membranteil (33) besitzt und deshalb zwei Federringe aus­ reichen, um ohne irreversible Verformung den gleichen Hub zu realisieren, den das Teil (33) zulässt.

Verspannt werden die beweglichen Teile des Tastkopfs (21) durch drei Federn (27a, b, c), im oberen Teil des Tastkopfs. Diese Federn ziehen die Platte (22) des Taststiftträgers mittels dreier Seilzüge (29a-c) und Umlenkrollen (28a-c) am Zwischenring (31) gegen das Membranteil (33) und mittels weiterer Umlenkrollen (38a-c) am feststehenden Teil (21) den Zwischenring (31) nach Art eines Flaschenzugs gegen das Membranteil (34).

Der gesamte Tastkopf ist ebenso wie der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf durch einen Balg (32) gegen das Eindringen von Schmutz, Staub und dergleichen geschützt bzw. abgeschlossen.

Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 dargestellte Tastkopf ist ähnlich aufgebaut wie der nach Fig. 1. Übereinstimmende Teile sind deshalb mit einer um vierzig höheren Bezugsziffer bezeichnet und werden an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. Im Unterschied zum Tastkopf nach Fig. 1 ist jedoch auf eine Druckfeder zur Vorspannung der Platte (42) des beweglichen Taststiftträgers verzichtet. Statt dessen sind die drei Federringe (53a, b, c) des Membranteils (53) bezüglich ihrer Elastizität bzw. Steifigkeit so ausgelegt, daß die Federkraft auch bei der maximal zulässigen Auslenk­ bewegung noch unter der spezifizierten Antastkraft (F₀) bleibt. Gleichzeitig besteht der Bund (51) am feststehenden Teil (41) des Tastkopfes aus weichmagnetischem Material und in die Platte (42) des Taststiftträgers sind relativ nahe an ihrem Außenumfange über den Federringen (53a, b und c) des Membranteils drei als Stellschrauben (48) ausgebildete Perma­ nentmagnete (47a-c) eingesetzt. Diese Permanentmagnete bringen in Ruhestellung des Taststift (45) eine Grundkraft (F₀) auf, die der spezifizierten Antastkraft des Tastkopfs entspricht. Diese Kraft wird im Zuge einer Auslenkbewegung, wenn der Taststiftträger mit den Magneten (47) vom Bund (51) abhebt, bekanntlich kleiner. Durch geeignete Dimensionierung läßt sich nun erreichen, daß die Kraft-Wegcharakteristiken der Magnete (47) und der drei Federringe (53a-c) den in dem Diagramm nach Fig. 6 gezeichneten Verlauf besitzen und sich gegenseitig so überlagern, daß die Antastkraft während einer Auslenkbewegung im wesentlichen konstant bleibt bzw. vom spezifizierten Wert (F₀) aus leicht abfällt. Aufgrund der Einsparung der Druckfeder und ihrer Halteteile baut dieser Tastkopf kürzer als der nach Fig. 1 und es ist außerdem sichergestellt, daß die Antastkraft die spezifizierten Werte im Zuge eines Auslenkvorganges nicht überschreitet, die Gefahr von Beschädigungen von Taststift oder Werkstück somit vermieden ist.

Auf die einstellbaren Permanentmagnete (47) kann im übrigen ganz verzichtet werden, wenn die Federringe (53) und, oder die Platte (42) bzw. der Bund (51) aus magnetisierbarem Material bestehen und entsprechend vor dem Einbau auch magnetisiert wurden.

Claims (8)

1. Tastkopf vom schaltenden Typ, dessen auslenkbares, den Taststift (5) tragendes Teil (2) in Ruhestellung durch ein Membran- oder Blattfederteil (13) zentriert wird und axial gegen das feste Teil (1) des Tastkopfs vorgespannt ist, an dem es mittelbar über das Membran- oder Blattfederteil (13) anliegt, wobei dieses aus drei aufeinanderliegenden Blattfederringen (13a- c) besteht, die abschnittsweise miteinander verbunden sind und sich mit ihren Planflächen axial direkt aufeinander sowie am festen Teil und am beweglichen Teil abstützen und wobei die Verbindungsstellen (14a-c) der Blattfederringe (13a-c) jeweils um 120° um die Taststiftlängsachse gegeneinander versetzt sind.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Teil (2) mittels einer zusätzlichen Feder (7) gegen das feste Teil (1) vorgespannt ist.

3. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Teil (42) mittels Magnetkräften (47) gegen das feste Teil (41) vorgespannt ist.

4. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Teil (42) durch die Eigenelastizität der Federringe (53a-c) gegen das feste Teil (41) vorgespannt ist.

5. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Teil (42) durch Federkraft und zusätzlich mittels Magnetkräften gegen das feste Teil (51) vorgespannt ist derart, daß die Rückstellkraft bei steigender Auslenkung im wesentlichen gleichbleibt oder abnimmt.

6. Tastkopf nach Anspruch 5, wobei entweder die Blattfederringe (53a-c) oder das feste Teil (51) und das bewegliche Teil (42) aus magnetisierbarem Material bestehen.

7. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Teil (22) mittelbar gegenüber einem Zwischenring (31) vorgespannt ist, der seinerseits mit entgegengesetzter Vorspannrichtung am festen Teil (21) über mindestens ein Membran- oder Blattfederteil (34) zentriert ist, das ebenfalls aus mehreren, abschnittsweise miteinander verbundenen und axial mit ihren Planflächen sich direkt aufeinander sowie am festen und beweglichen Teil abstützenden Einzelmembranen oder Blattfederringen (34a, b) besteht.

8. Tastkopf nach Anspruch 7, wobei die Vorspannung beider Blattfederteile (33, 34) durch Magnetkräfte erfolgt.