DE29624330U1 - Mehrkoordinaten-Tastkopf - Google Patents
Mehrkoordinaten-TastkopfInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus diversen Druckschriften sind Mehrkoordinaten-Tastköpfe bekannt. Alle verfügen über Sensoren, die bei Antastung eines Objektes ein Antastsignal liefern. Die Art der Sensoren ist unterschiedlich: Es können beispielsweise elektrische Schalter sein, oder lichtelektrische Meßsysteme oder auch Abstandssensoren. Derartige Ausführungsformen finden sich in DE-23 47 633-C3; DE-35 08 396-Cl; EP-O 361 164-Al.
Bei Antastung von Objekten mittels eines derartigen Mehrkoordinaten-Tastkopfes wird ein das Objekt berührender Taststift ausgelenkt, der an seinem freien Ende eine Tastkugel trägt. Die Bauart der Sensoren und der Lagerung des Taststiftes bedingt
es, daß die Generierung eines Antastsignales nach mehr oder weniger Auslenkung des Taststiftes ausgelöst wird.
Dies führt zu Meßunsicherheit. Neben einer Vielzahl von anderen Faktoren spielt dabei die Taststiftverbiegung eine große Rolle. Für die Taststiftverbiegung sind in erster Linie die Meßkräfte verantwortlich, die maßgeblich durch die Lagerung des Taststiftes bestimmt werden.
Meßkraftschwankungen verursachen bei unterschiedlicher Taststiftgeometrie auch unterschiedliche Verbiegungen, was wiederum zu größeren oder kleineren Meßabweichungen führt.
Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Durchbiegung und Meßkraft. Formelmäßig läßt sich dieser Zusammenhang nach der aus der Festigkeitslehre bekannten Gleichung
64
f = F *
3 &tgr;&igr; &Egr;
mit f: Durchbiegung, F: Kraft, E: Elastizitätsmodul, TL: Einspannlänge (Taststiftlänge), TD: Taststiftdurchmesser für den einseitig eingespannten Biegebalken ausdrücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bei einem Mehrkoordinaten-Tastkopf durch Taststiftverbiegung entstehenden Meßfehler zu beseitigen, bzw. so weit zu verringern, daß er vernachlässigbar klein wird.
Diese Aufgabe wird von einem Mehrkoordinaten-Tastkopf mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wird der Mehrkoordinaten-Tastkopf noch weiter ausgestaltet.
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Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Mehrkoordinaten-Tastkopfes liegen in seinem einfachen Aufbau, der dennoch eine Antastrichtungsfehler-Kompensation gewährleistet.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung mit Hilfe eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.
Es zeigt
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Figur 1 einen Mehrkoordinaten-Tastkopf;
Figur 2 ein Prinzip-Schaubild;
Figur 3 ein weiteres Prinzip-Schaubild
und
Figur 4 ein Auslenkungs-Diagramm.
In Figur 1 ist der gesamte prinzipielle Aufbau eines Mehrkoordinaten-Tastkopfes, ersichtlich. Dieser gezeigte Taster ist als schaltender Taster ausgeführt. Durch einen Schaft 1 kann der Taster in eine Spindel einer nicht dargestellten Meß- oder Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden. Die Auslenkung eines Taststiftes 2 ist in allen Richtungen mögliche. Eine Dichtung 3 schließt den Zwischenraum zwischen einem Tastkopfgehäuse 4 und dem Taststift 2.
• ·
Eine Detektoranordnung 7, 8, 9 zur Erfassung der Auslenkung des Taststiftes 2 gibt bei einem bestimmten Auslenkungsbetrag einen Antastimpuls ab, welcher zur Steuerung einer Werkzeugmaschine, zur Bestimmung des Zeitpunktes der Meßwertübernahme einer Koordinaten-Meßmaschine hergezogen wird oder zu einem anderen Meßzweck dient. Die Detektoranordnung 7, 8, 9 besteht aus einem im Tastkopf gehäuse 4 feststehenden optischen Sender 7 und einem dazu ausgerichteten ebenfalls feststehenden Differentialphotoelement 8. In der optischen Achse der beiden Elemente 7, 8 ist ein Linsensystem 9 fest am beweglichen Taststift 2 angebracht.
Ein Meßteller 10 ist mit dem Taststift 2 fest verbunden, welcher am Ende eine Antastkugel 11 besitzt. Eine Fläche des Meßtellers 10 steht mit dem Tastkopfgehäuse 4 mittels einer Feder 12 in Verbindung. Die Gegenfläche ist ein Teil der Lagerung des Meßtellers 10 in dem Tastkopfgehauseboden 13. Diese Lagerung muß exakt ausgeführt sein, da eine statische Unter- bzw. ÜberbeStimmung Meßfehler verursacht.
Während eines Antastvorganges an ein Werkstück 0 wird der Meßteller 10 durch die Feder 12 an Ort und Stelle - das heißt in seiner Nullage - gehalten, wobei die Kraft der Feder 12 der Wirkung des Kontaktdrucks der Antastkugel 11 auf das Werkstück 0 entgegenwirkt, und verhindert, daß der Meßteller 10 in der Lagerung verschwenkt bzw. abgehoben wird, wenn diese Kraft unter einem bestimmten Wert liegt. Solange der Meßteller 10 gegen den Tastkopfgehauseboden 13 durch die Feder 12 gehalten wird, bilden Meßteller 10 und Tastkopfgehäuse 4 eine Einheit mit dem Freiheitsgrad Null. Nach Beendigung einer Aus-
• ·
lenkung wirkt die Feder 12 so belastend, daß sie den Meßteller 10 gegen den Tastkopfgehäuseboden 13 zurückführt.
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Die Lagerung, ausgeführt als Mehrpunktlager - hier als Dreipunktlager -, besteht aus gleichmäßig über den Umfang des Meßtellers 10 verteilter und in einer Ebene angeordneter Kugeln 14, welche fest im Meßteller 10 verankert sind. Jeder der Kugeln 14 ist ein geeignetes Gegenlager, hier ein Prisma 15 mit einer V-förmigen Nut 16, zugeordnet.
Die Prismen 15 sind so ausgerichtet, daß ihre V-Nut 16 senkrecht zur Längsachse des in der Nullage ruhenden Taststiftes 2 verläuft, damit jede Kugel 14 definiert in die zugeordnete V-Nut 16 zu liegen kommt.
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Figur 2 zeigt ein Prinzip-Schaubild, bei dem die geometrischen Verhältnisse bei einem dreipunktgelagerten Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß Figur 1 dargestellt sind.
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Derartige Tastsysteme (Mehrkoordinaten-Tastköpfe) mit Dreipunktlagerung sind statisch bestimmt und einfach herstellbar. Sie haben jedoch die Eigenheit, daß die Auslenkkräfte richtungsabhängig um den Faktor 2 streuen. Durch diese unterschiedlichen Auslenkkräfte wird der Taststift 2 beim Antastvorgang unterschiedlich gebogen. Dieser Sachverhalt wird ausführlich in der Zeitschrift "Technisches Messen tm" im Heft 2 des Jahrganges 1979 in dem Aufsatz "Ermittlung der Meßunsicherheit von 3-D-Tastsystemen" beschrieben.
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• ·
&tgr;'
Bei einer Dreipunktlagerung ist die Arbeit um den Taststift 2 bzw. den Meßteller 10 bis zum Schaltpunkt auszulenken in allen Richtungen gleich.
Die beiden Multiplikatoren aus denen die Arbeit errechnet wird ändern sich jedoch im ungünstigsten Fall um den Faktor 2.
Dabei ist aufgrund der Hebelgesetze der Auslenkweg groß und die erforderliche Kraft klein, oder es ist der Auslenkweg klein und die erforderliche Kraft groß.
Um ein gleichmäßiges Schaltverhalten über den Bereich von 360° zu erhalten, das heißt, um aus jeder Antastrichtung die gleiche Schalt-Charakteristik (Antastrichtung-Charakteristik) zu erhalten, müssen gleiche Auslenkwege für die Antastkugel 11 erreicht werden.
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Unter Auslenkung soll der Weg verstanden werden, welchen die Antastkugel 11 von der Berührung des Werkstückes (Objektes) 0 bis zum Auslösen des Auslenksignales durch den Sensor 7, 8, 9 zurücklegen muß.
Die Auslenkwege SR setzen sich aus Teilwegen, nämlich aus dem Verbiegungsweg Sv und dem Auslöseweg SA, zusammen. Bevor der Taststift 2 durch den Antastvorgang an das Objekt 0 aus einer seiner Lagestellen 14/16 gekippt wird, verbiegt sich der Taststift 2 um ein gewisses Maß, welches von den Antastkräften Fx, F3 abhängig ist.
Der Sensor 7, 8, 9 befindet sich oberhalb der Ebene, in der die Lagestellen 14/16 liegen. Das
• ·
Linsensystem 9 befindet sich am Meßteller 10 des Taststiftes 2. Durch den Antastvorgang des Taststiftes 2 an das Objekt 0 wird der Meßteller 10 aus seiner, der Ebene in der die Lagestellen 14/16 liegen, parallelen Ebene gekippt und bei ausreichender Kippung das Linsensystem 9 so verlagert, daß der Sensor (Detektoranordnung 7, 8, 9) ein Auslenksignal erzeugt. Das Maß, um das das Linsensystem 9 verlagert werden muß, um ein Auslenksignal hervorzurufen, ist für das Ausführungsbeispiel konstant und als Hub mit ls bezeichnet.
Aufgrund der Lagergeometrie sind die Drehachsen D1 und D2 unterschiedlich weit von der Achse des Tast-Stiftes 2 entfernt. Diese Verhältnisse sind auch aus Figur 3 ersichtlich, in der der Abstand der Mittelachse des Taststiftes 2 zur Drehachse D1 mit I1 und der Abstand von der Mittelachse des Taststiftes 2 zur Drehachse D2 mit I2 bezeichnet ist, wobei 12=21! ist.
Um für den Sensor 7, 8, 9 denselben Hub I5 zu erzielen, muß, wie aus Figur 4 ersichtlich ist, die Kugel 11 des Taststiftes 2 beim Kippen um die Drehachse D1 um den Weg S1 ausgelenkt werden (Lage der Kugel mit Strich-Doppelpunkt-Linie, dargestellt); die Auslenkung zum Kippen um den Drehpunkt D2 muß jedoch um den Weg S2 erfolgen (Lage der Kugel mit Strich-Punkt-Linie dargestellt). Dabei sind die Wege S1 und S2 umgekehrt proportional zu den Abständen I1 und I2, wobei S1 doppelt so groß ist, wie S2. Dies gilt wenn völlig steife Bauelemente angenommen werden.
Um den Taststift 2 bzw. dessen Kugel 11 um die genannten Wege S1 und s2 auszulenken, sind unter-
-&iacgr; 8 - '
schiedliche Kräfte F1 und F2 erforderlich, die wieder umgekehrt proportional zu den genannten Wegen S1 und S2 sind.
Unterschiedliche Kräfte F1 und F2 bewirken unterschiedliche Verbiegungen des Taststiftes 2. Dawie vorstehend bereits erläutert wurde - ein linearer Zusammenhang zwischen der Meßkraft und der Durchbiegung des Taststiftes 2 besteht, sind die Verbiegungswege Svl und Sv2 proportional zu den Meßkräften F1 und F2.
Die Auslösewege SA1 und SA2 entsprechen den vorgenannten Wegen S1 und S2 bei angenommen völlig steifen Bauelementen.
Um die Antastrichtungs-Charakteristik zu eliminieren, müssen die Auslenkwege SR1 und SR2 gleich groß sein. Das bedeutet, daß unabhängig von der Antastrichtung die Kugel 11 des Taststiftes 2 immer um den gleichen Betrag verlagert werden muß, um den Hub I5 zu erzeugen, durch den der Sensor 7, 8, 9 das Antastsignal auslösen kann.
Da aber aufgrund der geometrischen Anordnung der Lagerstellen 14/16 - also der Lagerung des Taststiftes 2 - die Auslösewege SA1 und SA2 unterschiedlich groß sind (sie entsprechen ja den Wegen S1 und S2 und sind damit umgekehrt proportional zu den durch die Lagerung vorgegebenen Abständen I1 und I2), müssen die Verbiegungswege Svl und Sv2 diese Ungleichheit der Auslösewege SA1 und SA2 kompensieren. Die Auslenkwege SR1 und SR2 müssen gleich sein, daher müssen die Summen SVi+SA1 und SV2+SA2 der Verbiegungswege Svl, SV2 und der Auslösewege SA1, SA2 untereinander gleich sein
Um gleich lange resultierende Auslenkwege SRX und SR2 zu erreichen, muß also unter anderem die Verbiegung des Taststiftes 2 gezielt mit in die Dimensionierung des Mehrkoordinaten-Tastkopfes mit einbezogen werden. Die gesamten Verformungs-Parameter der Einheit Taststift 2/Lagerung 17 müssen so gewählt werden, daß aufgrund der resultierenden Auslenkwege SRi, SR2 die Antastrichtungs-Charakteristik eliminiert wird.
Zu den Verformungsparametern der Einheit Taststift/ Lagerung gehören deren Geometrie, die Werkstoff-Eigenschaften, der Taststift-E-Modul, das Tast
stift-Trägheitsmoment, die Rückstellkraft, die zu erwartende Materialpaarung von Antastkugel und Werkstück wegen der Abplattung und - soweit es die Meßgenauigkeit erfordert - weitere Eigenschaften der genannten Einheit.
Die Berechnungsformeln für die Zusammenhänge zwischen den genannten Abständen Ix und I2, dem Hub I5, den Weglängen S1 und S2, den Auslösewegen SAi und SA2, den Verbiegungswegen Svl und Sv2, den resultierenden Auslenkwegen SRX und SR2, der Länge L2 des Taststiftes 2 und seinem Durchmesser TD, dem Durchmesser der Kugel 11, den bewegten Massen und der geometrischen Anordnung der Lagerstellen 14/16 lassen sich aus der Festigkeitslehre, der Kinematik und speziell den Hebelgesetzen herleiten.
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Um den Taststift 2 um den Weg Sx zu verbiegen, muß bei einer Kippung um die Drehachse D1 ein Moment Mx wirken, welches gleich dem Produkt aus der Kraft Fi2 mal dem Abstand Ix ist, also M1=Fx2*!!.
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• · ♦ · | • · | I j | • · | • · | • | ♦ · · · | ···· | • |
» · · | ··· | • J | J | |||||
• | ·· | • ~ · | • | • ·* · | • | • | « | |
• · · · | • · | • | « · | • · | ||||
Dieses Moment ist gleich dem Moment, welches sich aus dem Produkt der Antastkraft F1 und der Länge L2 des Taststiftes 2 ergibt, also gilt M1=F1*L2.
Die Verbiegung S1 ergibt sich durch Umstellen der Gleichungen der Festigkeitslehre (siehe oben) zu
1=*L2 F^L2 3 D
S1 = = , wobei &THgr; = als
2*1;,. 3&Egr;*&THgr; 64
Trägheitsmoment eingesetzt wird.
Ein Zahlenbeispiel soll nachfolgend in erster Näherung die Berechnung des Taststift-Durchmessers TD zeigen. Gegeben sind:
Kraft F12 = ION
Taststiftlänge L2 = 60 mm
Abstand I1 = 4 mm
Taststiftlänge L2 = 60 mm
Abstand I1 = 4 mm
Hub I5 = 0,003 mm
Taststift-Werkstoff Stahl
&Egr;-Modul von Stahl E = 210.000 N/mm2
-~ 25 Das Moment M1 ergibt sich bei
M1 = F12^a1 = 10N*4 mm M1 = 40 Nmm = 0,04 Nm
Die Verbiegung ergibt sich bei
15*L2 0,003*60
S1 = = mm
2*lx 2*4
35
35
S1 = 0,0225 mm ^ 22 pm
• &Iacgr; 1 * *
■n 11 ·-
Diese Verbiegung ist gleich
Si _
L2*3*E*0
- 0.000.022 =
0,04*0,06
3*&Egr;*&THgr;
0,04*0,06*
&THgr; =
3*0,000022*210.000.000.000
&THgr; = 0.000.01*10"6 m4
&THgr; = 0,000.01*10
-6 _
64
TD = 0,003.8 m(if 4 im
Bei den gegebenen Größen errechnet sich also der Taststift-Durchmesser auf 4 mm.
Claims (3)
1. Mehrkoordinaten-Tastkopf mit wenigstens einem, aus einer - seine Nullage bestimmenden - Lagerung (17) auslenkbaren Taststift (2), in die er durch eine Rückstellkraft (F12) gedrängt wird, wobei zum Antasten eines Objektes (0) das freie Ende des Taststiftes (2) dient, dem ein Sensor (7, 8, 9) gegenüberliegt, der die durch Antasten des Objektes (0) hervorgerufene Auslenkung des Taststiftes (2) aus seiner Nullage erfaßt und ein Auslenksignal erzeugt, und bei dem aufgrund der Ausgestaltung der Lagerung (17) die Kräfte (F1, F2) zur Auslenkung des Taststiftes (2) aus seiner Nullage von der Antastrichtung an das Objekt (0) abhängig sind, wobei die Auslösewege (SA1, SA2), die zur Erzeugung des Auslenksignales führen, umgekehrt proportional zu den genannten Kräften (F1, F2) sind, und daß die geometrische Auslegung der Lagerung (17), die geometrische Gestaltung des Taststiftes (2) und deren Werkstoff-Eigenschaften - also die Verformungs-Parameter der Einheit Taststift (2 )/Lagerung (17) - so aufeinander abgestimmt sind, daß eine ausgeprägte Antastrichtungs-Charakteristik eliminiert ist.
2. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungs-Parameter zumindest die geometrische Anordnung der Lagerstellen (14, 15, 16), den E-Modul und das Trägheitsmoment des Taststiftes (2) so wie die Rückstellkraft (F12) der Feder (12) umfassen.
3. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verformungs- Parameter die Länge (L2) des Taststiftes (2), der Durchmesser der Kugel (11), der Hub (ls) und die bewegten Massen mit eingehen.
Applications Claiming Priority (2)
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DE19605349A DE19605349A1 (de) | 1995-03-10 | 1996-02-14 | Mehrkoordinaten-Tastkopf |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10241087A1 (de) * | 2002-08-29 | 2004-03-11 | Blum-Novotest Gmbh | Multidirektionaler Messtaster |
CN100489449C (zh) * | 2006-06-30 | 2009-05-20 | 廊坊智通机器人***有限公司 | 基于相对测量的工件坐标***标定方法 |
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-
1996
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DE10241087B4 (de) * | 2002-08-29 | 2006-06-08 | Blum-Novotest Gmbh | Multidirektionaler Messtaster |
DE10262188B4 (de) * | 2002-08-29 | 2010-05-12 | Blum-Novotest Gmbh | Multidirektionaler Messtaster |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20020411 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20020424 |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20040316 |
|
R071 | Expiry of right |