DE29704636U1 - Temperaturunempfindlicher Taststift und temperaturunempfindliche Taststiftverlängerung sowie temperaturunempfindliche Tasterverlängerung für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes - Google Patents
Temperaturunempfindlicher Taststift und temperaturunempfindliche Taststiftverlängerung sowie temperaturunempfindliche Tasterverlängerung für den Tastkopf eines KoordinatenmeßgerätesInfo
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Description
Beschreibung: 97009 G
Temperaturunempfindlicher Taststift und temperaturunempfindliche
Taststiftverlänqerunq sowie temperaturunempfindliche
Tasterverläncrerung für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes
Die Erfindung betrifft einen Taststift und eine Taststiftverlängerung
sowie eine temperaturunempfindliche Tasterverlängerung für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes sowie
einen entsprechenden Tastkopf zur Aufnahme des Taststiftes und/oder der Taststiftverlängerung· "■
Taststifte und TastStiftverlängerungen sowie Tasterverlängerungen
der Eingangs genannten Art sind bereits seit längerem bekannt.
Die Taststifte dienen hierbei der Antastung eines zu vermessenden Werkstückes und werden üblicherweise über ein
entsprechendes Gewinde an Tastköpfen aller Art festgeschraubt, die über entsprechende Sensoren die Auslenkung der Taststifte
erfassen können. Bei den Tastköpfen kann es sich beispielsweise um messende Tastköpfe handeln, die in einer oder mehreren
Richtungen über entsprechende Sensoren kontinuierlich die Auslenkung des Taststiftes erfassen können oder um schaltende
Tastköpfe, bei denen durch die Auslenkung des Taststiftes gegenüber dem Tastkopf ein elektrischer Kontakt geöffnet wird
und hierdurch der Antastzeitpunkt festgestellt wird.
Zusätzlich sind auch besagte Taststiftverlängerungen bekannt, die zwischen dem Taststift und dem Tastkopf eingesetzt werden
können und hierdurch den Abstand des Taststiftes vom Tastkopf vergrößern. Hierdurch ist es möglich auch schwer zugängliche
Antastpunkte in Werkstücken zu erreichen, wie beispielsweise tiefe Bohrungen.
Gleiches gilt für Tasterverlängerungen, welche einen aktiven Taster oder einen kleinen Tastkopf mit einem Koordinatenmeßgerät
verbinden können. Die Tasterverlängerungen sind am
Koordinatenmeßgerät üblicherweise an einem weiteren Tastkopf oder einer Dreh-Schwenkeinheit befestigt. Sie sind derart
ausgestaltet, daß sie vom aktiven Taster oder dem kleinen Tastkopf an das Koordinatenmeßgerät entsprechende elektrische
Meßsignale übermitteln können.
Bislang bekannte Taststifte, Taststiftverlängerungen und Tasterverlängungen wurden aus den unterschiedlichsten
Materialien hergestellt.
Die Firma Gökeler verwendet beispielsweise zur Herstellung von Taststiften und Taststiftverlängerungen Industrierubine, Hartmetall,
Stahl, Kohlefasern und Keramikwerkstoffe. Sie stellt insbesondere unter Einsatz von Kohlefasern leichte Taststifte
und TastStiftverlängerungen her mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Den Messungen der Anmelderin zufolge weisen die Taststifte und die Taststiftverlängerungen einen
gesamten Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 4 &khgr; 10"6 l/K auf.
Obwohl die von der Firma Gökeler angebotenen Taststifte und Taststiftverlängerungen gegenüber herkömmlichen Taststiften und
Taststiftverlängerungen mit Hartmetallschäften oder Keramikschäften ein wesentlich verbessertes Temperaturverhalten aufweisen,
kommt es bei Temperaturerhöhungen dennoch zu unerwünschten Längenausdehnungen des TastStiftes und der Taststiftverlängerungen,
die zur Verfälschung des Meßergebnisses führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb bisher bekannte Taststifte, Taststiftverlängerungen und Tasterverlängerungen
derart weiterzubilden, daß bei Temperaturerhöhungen faktisch keine Längenausdehnung des Taststiftes bzw.
der Taststiftverlängerung oder Tasterverlängerung mehr auftritt.
Die Aufgabe wird gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1, 2, 3 und 7 des Anspruchssatzes gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß die die wirksame Länge des Taststiftes bzw. der Taststiftverlängerung
oder der Tasterverlängerung bestimmenden Bauteile aus Materialien bestehen, von denen mindestens eines einen
positiven und mindestens eines einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Auf diese Weise läßt sich
durch geeignete Wahl der Abmessungen der einzelnen Bauteile und der Materialien der entsprechenden Bauteile erreichen, daß die
Abstände nur geringfügig bzw. im Rahmen der Meßgenauigkeit des Geräts vernachlässigbare thermische Längenänderungen erfahren,
d.h. daß die Geometrie des Taststiftes und/oder der Taststiftverlängerung
über einen weiten Temperaturbereich konstant bleibt. Der gesamte thermische Längenausdehnungskoeffizient der
wirksamen Länge (d,h,l) des Taststiftes und/oder der Taststiftverlängerung oder der Tasterverlängerung sollte hierbei kleiner
als 1.0 * 10"6 l/K gewählt werden.
Zweckmäßigerweise besteht mindestens eines der Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise kohlefaserverstärkten
Kunststoff (CFK) der in Längsrichtung einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Das
läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, indem man die betreffenden Bauteile in entsprechender Orientierung aus dem
Material schneidet oder, wenn die Bauteile individuell polymerisiert werden, die den Kunststoff verstärkenden Fasern in
der erforderlichen Orientierung wickelt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren 1-4 der beigefügten
Zeichnungen.
Figur 1 zeigt einen Tastkopf (17) mit einer erfindungsgemäßen
Taststiftverlängerung (6) und einem erfindungsgemäßen
Taststift (5);
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Taststift (5);
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Taststiftverlängerung
(6);
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Tasterverlängerung (13)
für einen aktiven Taster bzw. einen kleinen Tastkopf.
In Figur 1 ist ein Tastkopf (17) für ein Koordinatenmeßgerät gezeigt, an dem eine erfindungsgemäße Taststiftverlängerung (6)
und ein erfindungsgemäßer Taststift (5) befestigt sind. Der Tastkopf (17) ist in dem hier gezeigten Beispiel an der in drei
Raumrichtungen beweglichen Pinole (18) eines Koordinatenmeßgeräts befestigt und ist in dem hier gezeigten Beispiel als
messender Taster ausgeführt, d.h. die Auslenkung des Taststifts (5) in drei aufeinander senkrecht stehenden Meßrichtungen wird
durch entsprechende Sensoren im Tastkopf (17) erfaßt. Selbstverständlich ist der hier gezeigte Tastkopf (17) nur
beispielhaft beschrieben und kann selbstverständlich auch eine in einer oder zwei Meßrichtungen arbeitender Tastkopf oder
beispielsweise ein oben beschriebener schaltender Tastkopf sein.
Die TastStiftverlängerung (6) ist über ein weiter unten näher
gezeigtes Gewinde (10) in einen Taststiftaufnehmer (19) des Tastkopfes (17) eingeschraubt. Der Taststift (5) seinerseits
ist gleichfalls über ein entsprechendes Außengewinde (1) in ein passendes Innengewinde der Taststiftverlängerung (6)
eingeschraubt. Es versteht sich, daß die Gewinde (1 und 10) dieselbe Größe aufweisen, sodaß vollkommen flexibel zwischen
den Taststift (5) und den Taststiftaufnehmer (19) des Tastkopf
es (17) eine oder mehrere Taststiftverlängerungen (6) einschraubbar sind.
Zur näheren Erläuterung des in Figur 1 gezeigten Taststiftes (5) und der Taststiftverlängerung (6) wird nunmehr auf die
Figuren 2 und 3 Bezug genommen.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Taststift (5) in der
Seitenansicht. Der erfindungsgemäße Taststift (5) weist eine
Tastkugel (4) auf, die aus einem Industrierubin gefertigt ist und über ein entsprechendes, Adapterelement aus Stahl mit dem
Kohlefaserstab (3) verklebt ist. Auf der der Tastkugel (4) gegenüberliegenden Seite des Kohlefaserstabes (3) ist ein
Taststiftendstück (2) aus Stahl befestigt, welches ein Außengewinde (1) aufweist, das entweder unmittelbar in ein
entsprechendes Innengewinde des Taststiftaufnehmers (19) eingeschraubt werden kann oder aber in ein passendes
Innengewinde in die Taststiftverlängerung (6). Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß das Taststiftendstück (2) hier
nur beispielhaft aus Stahl hergestellt ist und beispielsweise gleichfalls aus Aluminium und/oder aus Keramik und/oder Titan
hergestellt sein kann.
Das Kohlefaserrohr (3) ist hierbei derart gewickelt, daß sich bei Temperaturerhöhung die Länge (d) des Taststiftes (5) nicht
oder nur vernachlässigbar klein ändert. Für die gesamte Längenausdehnung (<Jd) des Taststiftes (5) ergibt sich deshalb
id = a &khgr; aa + b &khgr; ab + c &khgr; ac (1)
hierbei bezeichnen:
a: die gezeigte Länge des Taststiftendstückes (2) außerhalb des Kohlefaserrohrs (3) ohne das Gewinde (1)
aa: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Taststiftendstückes
(2)
b: die Länge des Kohlefaserrohrs (3)
ab: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Kohlefaserrohrs
(3)
c: die Länge der Tastkugel (4)
ac: den thermischen Langenausdehungskoeffizienten der Tastkugel
(4) .
Der benötigte negative thermische Längenausdehnungskoeffizient des Kohlefaserrohrs (3) kann nun nach dem die wirksame
thermische Längenausdehnung Sd = 0 sein muß sehr einfach durch
Umstellen der Formel (1) wie folgt berechnet werden
&ogr;;&Bgr; = (a &khgr; aa + c x ac) / (-b) (2)
Entsprechend dem berechneten Längenausdehnungskoeffizienten
können dann Kohlefaserrohre gewickelt werden, die diesen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Es soll an dieser Stelle beschrieben werden, was unter dem Begriff "wirksame Länge" konkret verstanden werden soll. Die
wirksame Länge bezeichnet diejenige Länge (d,h,l) der erfindungsgemäßen Bauteile, in der das Bauteil insbesondere in
Kombination mit anderen erfindungsgemäßen Bauteilen einen Einfluß auf die Längenausdehnung hat. Das heißt konkret, daß
Befestigungselemente, wie die Außengewinde (1, 10) oder der überstehende Teil der Überwurfmutter (20) nicht zur wirksamen
Länge dazugerechnet werden, da diese im montierten Zustand bereits Einfluß auf die wirksame Länge des nächstfolgenden
Bauteils haben.
Figur 3 zeigt eine im Zusammenhang mit Figur 2 gezeigten Taststift
(17) verwendbare Taststiftverlängerung (6). Die Taststiftverlängerung
(6) weist ebenfalls zwei Endstücke {7 und 9) aus Stahl auf, wobei das Endstück (7) ein mit einem Innengewinde
zur Aufnahme entweder des Taststiftes (5) gemäß Figur oder einer weiteren Taststiftverlängerung (6) versehen ist und
das Endstück (9) ein Außengewinde (10) zum Einschrauben in den Tastkopf (17) oder eine weitere Taststiftverlängerung (6) auf.
Die Endstücke (7 und 9) weisen weiterhin hier nicht näher gezeigte Verbindungsbereiche auf, über die diese mit dem Kohlefaserrohr
(8) verklebt sind. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient (af) des kunstharzgetränkten Kohlefaserrohrs (8)
bestimmt sich Analog zu dem im Zusammenhang
mit dem Taststift (5) beschriebenen Vorgehen gemäß folgender
Formel:
af = (ae &khgr; e + ag &khgr; g) / (-f) (3)
hierbei bezeichnen:
e: die gezeigte Länge des Endstückes (9) außerhalb des Kohlefaserrohrs
(8) ohne das Gewinde (10)
cee: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Endstückes
(9)
f: die Länge des Kohlefaserrohrs (8)
af: den thermischen Längenausdehungskoeffizienten des Kohlefaserrohrs
(8) .
g: die Länge des Endstückes (7) außerhalb des Kohlefaserrohrs
(8)
ag: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Endstückes (7)
In Figur 4 ist eine Tasterverlängerung (13) bezeichnet, die
entweder aktive, hier nicht näher gezeigte Taststifte oder aber kleine Tastköpfe mit einem Koordinatenmeßgerät verbindet und
die elektrischen Meßsignale des Tasters oder des kleinen Tastkopfes an das Koordinatenmeßgerät übermittelt. Die Tasterverlängerung
(13) weist hierbei ebenfalls zwei aus Stahl gefertigte Endstücke (11 und 16) auf, die durch ein Kohlefaserrohr
(15) miteinander verbunden werden. Das Endstück (11) besteht hierbei aus einer Überwurfmutter (20) mit einem Innengewinde
(21), einem Stecker (12) mit elektrischen Kontakten (22) und einem Zentralteil (14) auf dem sowohl die Überwurfmutter
(20) beweglich geführt ist wie auch der Stecker (12) befestigt ist. Das Endstück (16) ist passend zu dem Endstück
(11) ausgestaltet, so daß im Endstück (16) eine Muffe für einen entsprechenden Stecker (12) vorgesehen ist, die über entsprechende
Kontakte einen elektrisch leitenden Kontakt zu den Kontakten (22) eines entsprechenden Steckers (12) herstellt.
Das Endstück (16) weist ferner ein Außengewinde auf, auf das eine entsprechende Überwurfmutter (20) einer weiteren Tasterverlängerung
(13) oder eines entsprechenden aktiven Tasters aufgeschraubt werden kann. Die Kontakte (22) dienen der
elektrischen Übermittlung von Signalen des Tasters bzw. des Tastkopfes an das Koordinatenmeßgerät. Zur Abschirmung der
Tasterverlängerung (13) vor elektromagnetischen Wellen oder zur
Signalübertragung ist das metallische Innenteil (14) des Endstückes
(11), so in das Kohlefaserrohr (15) eingebracht, daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem metallischen Teil (14)
und dem Kohlefaserrohr (15) entsteht. Analog ist das Endstück (16) gleichfalls so mit dem Kohlefaserrohr (15) verbunden, so
daß auch hier ein elektrischer Kontakt entsteht. Da das Kohlefaserrohr
(15) elektrisch leitend ist, kann die Kohlefaser unmittelbar als Abschirmung verwendet werden, so daß keine
weitere metallische Schicht mehr benötigt wird. Der elektrische Kontakt wird insbesondere dadurch erzeugt, indem das Innenstück
(14) des Endstückes (11) bzw. das entsprechende Innenstück des Endstückes (16) unter Verwendung eines elektrisch leitenden
Klebers in das Kohlefaserrohr (15) eingesetzt wird.
Der entsprechende negative Längenausdehnungskoeffizient (aj)
des Kohlefaserrohrs (15) wird nun wieder vollkommen analog zu o.g. Beispielen über die Formel
<xj = (ad &khgr; i + ak &khgr; k) / (-j) (4)
bestimmt. Hierbei bezeichnen:
i: die Länge des Endstückes (11) außerhalb des Kohlefaserrohrs (15) ohne den überlappenden Teil der Überwurfmutter
(20)
cei: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Endstückes
(11)
j: die Länge des Kohlefaserrohrs (15)
cüj : den thermischen Längenausdehungskoeffizienten des Kohlefaserrohrs
(15) .
k: die Länge des Endstückes (16) außerhalb des Kohlefaserrohrs (15)
ak: den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Endstückes
(16)
Claims (11)
1. Taststift (5) für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes, wobei die die wirksame Länge (d) des Taststiftes
(5) bestimmenden Bauteile (2, 3, 4) aus Materialien bestehen, von denen mindestens eines einen
positiven und mindestens eines einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
2. Taststiftverlängerung (6) zur Verbindung des Tastkopfes eines Koordinatenmeßgerätes mit einem Taststift, wobei die'
die wirksame Länge (h) der Taststiftverlängerung bestimmenden Bauteile (7, 8, 9) aus Materialien bestehen,
von denen mindestens eines einen positiven und mindestens eines einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist.
3. Tasterverlängerung zur Verbindung eines aktiven Tasters
oder eines Tastkopfes mit einem Koordinatenmeßgerät wobei die die wirksame Länge der Tasterverlängerung (13)
bestimmenden Bauteile (11, 15, 16) aus Materialien bestehen, von denen mindestens eines einen positiven und
mindestens eines einen negativen Thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist.
4. Taststift oder Taststiftverlängerung oder Tasterverlängerung
nach Anspruch 1-3, wobei mindestens eines der Bauteile (3, 8, 15) aus einem Faserverstärkten Kunststoff
(CFK) besteht, der in Richtung der wirksamen Länge (d,h,l) einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten {ab,
at, a j) besitzt.
5. Taststift oder Taststiftverlängerung oder Tasterverlängerung nach Ansprüchen 1-4, wobei andere der Bauteile
(2, 4, 7, 9, 11, 16) aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Keramikmaterial und/oder Diamant und/oder Titan
bestehen.
6. Taststift oder Taststiftverlängerung oder Tasterverlängerung nach Ansprüchen 1-5, wobei der gesamte
thermische Längenausdehnungskoeffizient der wirksamen Länge (d,h,l) kleiner als 1.0 * 10~6 l/K ist.
7. Tastkopf (17) für ein Koordinatenmeßgerät mit einem am
Tastkopf (17) befestigten Taststift (5), wobei die die wirksame Länge (d) des Taststiftes (5) bestimmenden Bauteile
(2, 3, 4) aus Materialien bestehen, von denen mindestens eines einen positiven und mindestens eines
einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
8. Tastkopf nach Anspruch 7, wobei der Taststift (5) über wenigstens eine Taststiftverlängerung (6) befestigt ist
und die die wirksame Länge der Taststiftverlängerung (6) bestimmenden Bauteile (7, 8, 9} aus Materialien bestehen,
von denen mindestens eines einen positiven und mindestens eines einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist.
9. Tastkopf nach Ansprüchen 7 oder 8, wobei mindestens eines
der Bauteile {3, 8) aus einem faserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht, der in Richtung der wirksamen Länge (d,h)
einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ab, o;f) besitzt.
10. Tastkopf nach Ansprüchen 7-9, wobei andere der Bauteile aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Keramikmaterial
und/oder Diamant und/oder Titan bestehen.
11. Tastkopf nach Ansprüchen 7-10, wobei der gesamte thermische Längenausdehnungskoeffizient der wirksamen
Länge (d,h) des Taststiftes und/oder der Taststiftverlängerung
kleiner als 1.0 * 10~6 l/K ist.
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