DE4308823C2 - Messender Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte - Google Patents

Description

Die derzeit im Einsatz an Koordinatenmeßgeräten befindlichen messenden Tastköpfe wie sie beispielsweise in der US-PS 3869799 beschrieben sind, bauen dann, wenn sie ausreichend große Auslenkwege für den Taststift zulassen, relativ groß und schwer und werden deshalb stets in einer bevorzugten Einbaulage, in der Regel vertikal hängend betrieben. Zur Anpassung an unterschiedliche Geometrien der zu vermessenden Objekte werden dann die Taststiftkonfigurationen am beweglichen Teil des Tastkopfs teils auch automatisch aus einem Magazin heraus eingewechselt. Für den automatischen Wechsel lassen sich jedoch nur immer eine begrenzte Anzahl von Tasterkonfigurationen im Magazin vorrätig halten.

Es ist auch bereits bekannt, Tastköpfe an sogenannten Dreh- Schwenkgelenken zu betreiben. Das hat den Vorteil, daß die Taststiftlängsachse mittels des Dreh-Schwenkgelenks in eine Vielzahl von unterschiedlichen Raumrichtungen ausgerichtet werden kann. In Verbindung mit solchen Dreh-Schwenkgelenken werden jedoch hauptsächlich schaltende Tastsysteme eingesetzt. Denn diese eignen sich dafür vor allem wegen ihres geringen Gewichts verbunden mit einem relativ großen Auslenkweg. Vereinzelt sind auch spezielle, klein bauende messende Tastköpfe z. B. der unter der Bezeichnung TP5 von der Firma Renishaw vertriebene Tastkopf an ein Dreh- Schwenkgelenk angebaut worden. Diese Tastköpfe besitzen jedoch nur einen sehr geringen Meß- und Auslenkweg und sind deshalb im Einsatz schwer beherrschbar. Insbesondere wenn im sogenannten scannenden Betrieb der Taststift unter dauernder Werkstückanlage verfahren wird, begrenzen die sehr geringen Meß- und Auslenkwege für den Taststift die möglichen Scangeschwindigkeiten.

Es sind bereits messende Tastköpfe bekannt, deren allseitig auslenkbares Teil des Tastkopfes über Drehgelenke und Linearführungen gelagert ist. Bei diesen beispielsweise in der US-PS 4937948 und US-PS 4882848 beschriebenen Tastköpfen sind die Drehgelenke in der Regel senkrecht zueinander und zur Taststiftlängsache ausgerichtet und schneiden sich mit dieser in einem gemeinsamen Punkt.

Außerdem ist aus der Druckschrift DE 32 34 470 A1 ein Tastkopf bekannt, der über einen Aufnahmedorn in der Spindel einer Meß- oder Bearbeitungsmaschine befestigt werden kann. Der Tastkopf weist für die Auslenkung des Taststiftes in der Taststiftlängsrichtung eine Linearführung auf, sowie zur Auslenkung in den zur Taststiftlängsrichtung senkrechten Richtungen zwei hintereinandergeschaltete Gelenkarme auf, deren Gelenkachsen parallel zueinander und zur Taststiftlängsachse ausgerichtet sind.

In der Koordinatenmeßtechnik wird die Ermittlung der Formgenauigkeit von Meßelementen immer wichtiger, so daß Vielpunktmessungen im schnellen Scanningbetrieb wünschenswert sind. Für diese Aufgaben wäre ein messender Tastkopf prädestiniert, dessen Taststiftachse über ein Dreh-Schwenkgelenk in jeder Raumrichtung ausgerichtet werden kann.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen messenden Taster zu schaffen, der für den Betrieb an einem Dreh-Schwenkgelenk geeignet ist und ausreichend große Meßbereiche besitzt bzw. Auslenkbewegungen des Taststifts zuläßt.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der allseitig auslenkbare Teil des Tastkopfs, der den Taststift trägt, ist hierbei über zwei beabstandete Drehgelenke und eine Linearführung gelagert.

Ausserdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich, daß die beiden Drehgelenke voneinander beabstandet sind und mit ihren Drehachsen parallel zur Taststiftlängsache ausgerichtet sind. Denn mit dieser Maßnahme wird es möglich, die Lageranordnung aus den beiden Drehachsen und der Linearführung um den Aufnahmekopf eines Dreh-Schwenkgelenkes herum anzuordnen. Hierbei wird der meist ohnehin beschränkte Einbauraum an der bereits mit einem Dreh-Schwenkgelenk ausgerüsteten Pinole eines Koordinatenmeßgerätes optimal genutzt. Ein besonderer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß in dieser Anordnung die Taststiftachse parallel zu sich selbst in allen drei Koordinatenrichtungen bewegt wird und somit auch mit langen Taststiften in tiefen Bohrungen gemessen werden kann, ohne daß die Gefahr von Schaftantastungen besteht.

Ausserdem besitzt die Taststiftlängsachse für die Erzielung möglichst symmetrischer Auslenkwege etwa den gleichen Abstand zu den beiden Drehachsen der beiden Drehgelenke und die Durchstoßpunkte der Drehachsen und der Taststiftlängsache durch eine senkrecht zu den Achsen angeordnete Ebene bilden einen rechten Winkel.

Die Drehachsen können als Wälzlager oder auch als Kreuzfedergelenke ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eines der beiden Drehgelenke als kombiniertes Drehlager und Linearführung ausgebildet ist. Denn auf diese Weise läßt sich relativ hohe Genauigkeit bei gleichzeitig geringer Masse erzielen. Für diesen Zweck ist beispielsweise eine sogenannte Kugelführung geeignet. Es ist jedoch auch möglich, die Linearführung als Federparallelogrammführung auszubilden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei ist

Fig. 1 eine vereinfachte Prinzipskizze, die einen an ein Dreh-Schwenkgelenk angebauten messenden Tastkopf teils in Ansicht teils im Schnitt in der Ebene der Taststiftlängsache zeigt;

Fig. 2 zeigt die Rückseite des Tastkopfs aus Fig. 1 teils in Ansicht teils im Schnitt in der Ebene der Taststiftlängsachse;

Fig. 3 zeigt den Tastkopf aus Fig. 1 in Aufsicht in Richtung der Linie III/III in Fig. 1;

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für den an ein Dreh-Schwenkgelenk angebauten Tastkopf;

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Lagerung des Taststiftträgers des Tastkopfes nach Fig. 1 bis 3 in vergrößertem Maßstabe, teils in Seitenansicht teils im Schnitt entlang der Taststiftlängsachse.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist mit (1) das Dreh-Schwenkgelenk bezeichnet, an das der erfindungsgemäße Tastkopf angesetzt ist. Das Dreh-Schwenkgelenk besitzt ein feststehendes, an den Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes anzubauendes zylindrisches Teil (2). In diesem ist entweder kontinuierlich oder in festen Schritten wie durch den Pfeil (5) verdeutlicht drehbar das Kopfteil (3) des Dreh- Schwenkgelenkes gelagert. Letzteres enthält ein zweites Drehlager, mit dem die Aufnahme für den mit (4) bezeichneten Wechselteller um die zweite, senkrecht zur ersten Drehachse ausgerichtete Schwenkachse wie durch den Pfeil (6) verdeutlicht verschwenkt werden kann. Solche Dreh-Schwenkgelenke sind ansich bekannt und beispielsweise in der US-PS 4888877 und in der Firmenschrift der Anmelderin Nr. 60-20-052-d Druckvermerk IMS-X/87-poo mit dem Titel "DSE 05 Dreh-Schwenk-Einrichtung" beschrieben.

Der an dieses Dreh-Schwenkgelenk angesetzte messende Tastkopf ist folgendermaßen aufgebaut: auf dem von der elektromagnetischen Wechselvorrichtung des Dreh- Schwenkgelenks gehaltenen Wechselteller (4) ist über ein Drehgelenk (11) ein Winkelstück (12) auslenkbar gelagert, welches der Form des Kopfes (3) des Dreh-Schwenkgelenk folgend so um dieses herum gelegt ist, daß der eine Schenkel (12a) des Winkels parallel zum Wechselteller (4) liegt und der zweite Schenkel (12b) des Winkels (12) entlang der Seite des Kopfes (3) in Richtung auf dessen Rückseite vorspringt. Die Drehachse des Drehgelenks (11) ist mit (7) bezeichnet. Zwei Federn (14) und (15) stellen in Verbindung mit Anschlagflächen (13) am Winkel (12) sicher, daß dieser aus der gezeichneten Stellung (Fig. 3) nach beiden Seiten um die Achse (7) ausgelenkt werden kann.

Am Schenkel (12b) des Winkels (12) ist ein zweites Drehgelenk (16) befestigt, mit dessen Hilfe ein Aufnahmehebel (17) um die Achse (8) des Drehgelenks (16) verschwenkt werden kann. Der Aufnahmehebel (17) erstreckt sich unterhalb des Kopfteils (3) des Dreh-Schwenkgelenks vom Schenkel (12b) parallel zum Schenkel (12a) des Winkelteils (12) bis zu der durch den Pfeil (5) symbolisierten Drehachse des Dreh-Schwenkgelenks (1). An dem Hebel (17) ist der Taststift des Tastkopfes wie noch beschrieben wird befestigt. Der Aufnahmehebel (17) ist ebenfalls mit Hilfe von Federn (19) und (20) und Anschlägen (18a) und (18b) in begrenztem Maße beidseitig aus der in Fig. 3 gezeichneten Stellung auslenkbar. Die beiden Schenkel (12a) und (12b) des Winkels (12) und der Aufnahmehebel (17) umschließen den Aufnahmekopf (13) des Dreh-Schwenkgelenks halbseitig nach Art einer Würfelecke.

An den Aufnahmehebel (17) ist eine zylindrische Hülse (24) angesetzt, in der ein gegen zwei Federn (25) und (26) längsverschieblicher Träger (27) für einen Taststift (9) geführt ist. Der Taststift (9) ist an dem Träger (27) über eine klemmbare Aufnahme (30) befestigt. Zur Begrenzung der Linearbewegung dient ein zylindrischer Bund (29) im Träger (27) in Verbindung mit Anschlagflächen in der Hülse (24).

Die beschriebenen zwei Drehgelenke (11) und (16) mit ihren Achsen (7) und (8) und die Linearführung des Trägers (27) gewährleisten, daß sich der Taststift (9) mit der Tastkugel (10) in allen drei Raumrichtungen auslenken läßt. Damit im Zuge dieser Auslenkbewegungen der Tasterschaft (9) nicht verkippt, sind die Achsen (7) und (8) der Drehgelenke (11) und (16) parallel zueinander und zur Taststiftlängsachse ausgerichtet. Die Lage der Achsen (7) und (8) in Bezug auf die Taststiftlängsachse ist außerdem so gewählt, daß die diesbezüglichen Abstände x₀ und y₀ (Fig. 3) gleich groß sind und die Durchstoßpunkte in einer zu den Achsen (7) und (8) senkrechten Ebene mit der Taststiftlängsachse einen rechten Winkel bilden. Auf diese Weise ist in erster Näherung die Zuordnung der Drehbewegungen des Tasters um die Achsen (7) und (8) zu einem rechtwinkligen Koordinatensystem gewährleistet.

Für die Messung der Taststiftauslenkung senkrecht zur Taststiftlängsachse ist ein zweidimensionales photoelektrisches Sensorarray (22) auf einem am Wechselteller (4) befestigten und von dort nach hinten bis über den Hebel (17) vorspringenden Bügel (21) vorgesehen. Das Sensorarry (22) wird von einem Lichtbündel punktförmig beleuchtet, das von einer Projektionsoptik (23) im Aufnahmehebel (17) abgestrahlt wird.

Zur Messung der Verschiebung des Taststifts (9) in Richtung seiner Achse ist in der Hülse (24) ein Induktivmeßsystem (31) vorgesehen.

Es ist klar, daß anstelle der beschriebenen Meßsysteme auch andere verwendet werden können. Beispielsweise können anstelle des Sensorarrys (22) den Drehgelenken (11) und (16) Drehgeber oder Induktivmeßsysteme zugeordnet werden, die dann die Schwenkbewegung des Winkels (12) bzw. des Aufnahmehebels (17) erfassen. Um aus den Meßwerten solcher Geber dann die exakte Position der Tastkugel (10) zu bestimmen, müssen dann allerdings die Drehbewegungen dieser Teile entsprechend der Hebellänge in kartesische Koordinaten umgerechnet werden. Das Sensorarray hingegen hat den Vorteil, daß die Position des Taststifts direkt in kartesischen Koordinaten erfaßt werden kann.

Der in den Fig. 1 bis 3 bezeichnete Tastkopf ist stark vereinfacht dargestellt. Da er über das Dreh- Schwenkgelenk (1) in verschiedene Raumrichtungen ausgerichtet werden kann, sind zusätzliche Einrichtungen vorzusehen, mit denen die dann wechselnden Drehmomente des Aufnahmehebels (17) und des Winkels (12) ausgeglichen werden. Solche Einrichtungen sind ansich bekannt und ebenfalls in der eingangs genannten US-PS 4937948 beschrieben. Gleiches gilt für Federsysteme, mit denen sich die Meßkraft über einen bestimmten Bereich der Auslenkung konstant halten lassen kann. Solche Federsysteme sind in der eingangs genannten US-PS 4882848 beschrieben.

Die Drehgelenke (11) und (16) können beispielsweise als Wälzlager oder auch als Kreuzfedergelenke weitgehend reibungsfrei aufgebaut werden.

In Fig. 4 ist ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel für den am Dreh-Schwenkgelenk befestigten Tastkopf dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist hier jetzt aber der Taststift (49) mit der Tastkugel (50) starr am Aufnahmehebel (47) befestigt, der mittels des Drehgelenks (48) um die Drehachse (8) rotatorisch ausgelenkt werden kann. Die Achsialbewegung des Taststifts (49) wird durch eine mit dem Drehgelenk (48) kombinierte Linearführung (45) gewährleistet. Das kann beispielsweise mit einer sogenannten Kugelführungsbuchse geschehen, in der die mit dem Aufnahmehebel (47) verbundene Welle (45) gelagert ist. Die Kugelführungsbuchse (46) ist an dem hier mit (42) bezeichneten Winkelteil des Tastkopfs befestigt, der das Drehgelenk (48) mit dem anderen, hier nicht sichtbaren Drehgelenk am Wechselteller des Dreh- Schwenkgelenks verbindet.

Die gleichzeitige Erfassung der Linear- und Schwenkbewegung des Hebels (47) erfolgt meßtechnisch durch ein außen auf die Buchse (46) der Kugelführung aufgebrachtes Kreuzgitter, welches in beiden Bewegungsrichtungen durch einen am Aufnahmehebel (47) befestigten Lesekopf (43) abgetastet wird.

Eine weitere Ausführungsform für die Längsführung des Taststifts ist in Fig. 5 skizziert. Dort ist der am zweiten Drehgelenk über die Welle (56) drehbar gelagerte Aufnahmehebel (57) für den Taststift in zwei Teile (57a) und (57b) geteilt, die übereinander liegen. Zwischen diesen beiden Teilen ist ein Federparallelogramm für die Linearführung des Taststifts (59) angeordnet. Dieses Federparallelogramm ist mit den beiden Blattfedern (52a) und (52b) auf einer Seite in den Steg (58) eingespannt, der die beiden Hebelteile (57a) und (57b) verbindet. Die beiden Blattfedern (52c) und (52d) am anderen Ende des Federparallelogramms sind in den Träger (60) für den Taststift eingespannt. Damit ist die Linearführung in Richtung der Taststiftlängsachse gewährleistet. Für den Gewichtsausgleich der am Trägerteil (60) für den Taststift (59) befestigten Taststiftkombination sorgen zwei Federn (55a) und (55b). Von diesen beiden Federn ist eine (55a) über einen Motor (53) und ein Getriebe (54) bezüglich ihrer Federkraft verstellbar. Zur Messung der Linearbewegung dient ein Induktivsensor in Form eines ferromagnetischen Kerns (61) am Träger (60) und einer Tauchspule (62) am Hebelteil (57a).

Claims (7)

1. Messender Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte, wobei das allseitig auslenkbare Teil (27, 47, 60) des Tastkopfs, das den Taststift (9, 49, 59) trägt, über zwei beabstandete Drehgelenke (11, 16) und eine Linearführung gelagert ist und wobei die beiden Drehgelenke (11, 16) mit ihren Drehachsen (7, 8) parallel zur Taststiftlängsache ausgerichtet sind und von dieser etwa den gleichen Abstand besitzen und die Verschiebungsrichtung der Linearführung ebenfalls parallel zur Taststiftlängsache ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstoßpunkte der Drehachsen und der Taststiftlängsache durch eine senkrecht zu den Achsen angeordnete Ebene einen rechten Winkel bilden.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die Lageranordnung aus den beiden Drehachsen und der Linearführung um den Aufnahmekopf (3) eines Dreh-Schwenkgelenks herum angeordnet ist und einen Wechselteller (4) zur lösbaren Verbindung mit dem Dreh-Schwenkgelenk besitzt.

3. Tastkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Drehgelenke (11, 16) durch ein Winkelprofil (12) miteinander verbunden sind.

4. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Taststift (9, 49) an einem rechtwinklig zu den Drehachsen (7, 8) abstehenden Aufnahmehebel (17, 47) befestigt ist.

5. Tastkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Winkelprofil (12) und der Aufnahmehebel (17) für den Taststift nach Art einer Würfelecke angeordnet sind, die den Aufnahmekopf (3) des Dreh-Schwenkgelenks halbseitig umschließt.

6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eines der Drehgelenke (48) als kombiniertes Drehlager und Linearführung ausgebildet ist.

7. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Linearführung als Federparallelogrammführung ausgebildet ist.