DE3506892A1 - Tastkopf fuer koordinatenmessmaschinen - Google Patents

Tastkopf fuer koordinatenmessmaschinen

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Karl-Eugen Dipl.-Ing. Aubele (FH), 7929 Gerstetten
Dieter 7920 Heidenheim Kaufmann
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Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
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Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/004Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
    • G01B5/008Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B5/012Contact-making feeler heads therefor

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft einen Tastkopf, dessen Taster durch Rückstellkräfte in ein seine Nullstellung bestimmendes Lager gedrängt wird, aus welchem heraus er relativ zu seiner Halterung allseitig kippbar ist.
  • Derartige, z.B. in der DE-PS 23 67 633 oder der DE-OS 27 43 665 beschriebene Tastköpfe finden in Koordinatenmeßgeräten, vorzugsweise Mehrkoordinatenmeßmaschinen Verwendung und dienen dazu ein Signal zu erzeugen, wenn der Taster, d.h. der bewegliche Teil des Tastkopfes, das zu vermessende Werkstück berührt.
  • Zur Erzeugung dieses Signal sind in das die Nullstellung des Tasters bestimmende Lager oftmals Schaltelemente integriert, die bei einem Auslenken des Tasters aus seinem Lager ansprechen. Es sind allerdings beispielsweise aus der DE-PS 27 12 181 auch Taster bekannt, bei denen die Signalerzeugung unabhängig von einer Auslenkung des Tasters ist, bei denen also das die Nullstellung bestimmende Lager lediglich als nachgebende Knickstelle dient, die verhindert, daß der Taster im Zuge des Antastvorganges deformiert wird.
  • In jedem Falle hängt die Genauigkeit des für die Koordinatenmessung benutzten Tastkopfes davon ab, wie gut die Nullstellung des Tasters nach jedem Antastvorgang beim Zurückkehren in sein Lager reproduziert wird.
  • Bei den vorstehend genannten, bekannten Tastköpfen besteht das Lager aus einer selbstzentrierenden Dreipunktauflage am gehäusefesten Teil des Tastkopfes, auf die der Taster mit Federkraft gedrückt bzw.
  • gezogen wird. Um ein Verschieben des Tasters in alle sechs Raumrichtungen zu ermöglichen ist der Taster häufig mittelbar an einem Zwischenring gelagert, der seinerseits über ein weiteres Dreipunktlager am gehäusefesten Teil befestigt ist und mit einer im Vergleich zum Taster entgegengesetzt gerichteten Federkraft gegen das Gehäuse vorgespannt ist.
  • Die verwendeten Dj eipunktlager enthalten V-förmige Vertiefungen, in die Kugeln bzw. Zylinder gleitend einrasten. Die in diesen Lagern auftretende, nicht zu vernachlässigende Gleitreibung beeinträchtigt das Rückkehren des Tasters in seiner exakte Null-Lage und beschränkt daher die Meßgenauigkeit von Koordinatenmeßeinrichtungen. die mit derartigen Tastern ausgerüstet sind.
  • Aus der DE-OS 32 15878 ist ein Tastkopf bekannt, dessen Taster an gegeneinander geneigten Spanndrähten aufgehängt ist. Mit der dort offenbarten Aufhängung an sechs paarweise über Kreuz angeordneten Drähten wird der Taster zwar exakt in seine Null-Lage zentriert. Die Realisierung der Drahtaufhängung ist jedoch mit Aufwand verbunden. Außerdem ist es nicht ohne weiteres möglich, die Drähte einerseits so dünn zu halten, daß sie beim Auslenken des Tasters seitlich weich nachgeben, andererseits aber das elastische Verhalten in Längsrichtung der Drähte zu unterdrücken, damit das Gewicht der unterschiedlich schweren Tasterkombinationen ohne Einfluß auf die Null-Lage des Systems bleibt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Tastkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Lagerung des Tasters einerseits reibungsarm ist und dessen Stützelemente andererseits ein möglich starres Verhalten aufweisen. Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß das Lager des Tasters mehrere gegeneinander geneigte Stäbe umfa3t, deren Ende sich jeweils in einer Kerbe in der Halterung und in einer Kerbe am Taster abstützen, und daß Mittel zur Führung der Stäbe bei Ausrückung aus den betreffenden Kerben vorgesehen sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Tastkopf ist die Reibung in dem durch die Stützstäbe realisierten Auflager für den Taster verglichen mit der Reibung in einer selbstzentrierenden Dreipunktauflage nach dem Stand der Technik stark vermindert. Denn die Stäbe sind jeder für sich frei beweglich und können nach jeder Tasterauslenkung der ihnen zugeordneten Führung leicht folgen und werden dabei exakt mit ihren Enden in die Kerben an der Halterung bzw. dem Taststiftträger zurückgeführt.
  • Bei einer selbstzentrierenden Dreipunktauflage nach dem Stand der Technik dagegen sind die drei Stützstellen starr miteinander verbunden und nach jeder Tasterauslenkung gleitet mindestens einer der Stützpunkte unter der Kraft der den Taster vorspannenden Feder zwangsweise mit Reibung in sein Lager zurück.
  • Zudem können die Stäbe ausreichend dick und damit starr gehalten werden, was bei einer Aufhängung an Drähten nicht ohne weiteres möglich ist. Deshalb ist die vom Taster eingenommene Null-Lage unempfindlich gegenüber Änderungen des Gewichts der angesetzten Taststiftkombinationen oder davon ausgeübter Momente. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Tastkopf verschwenkt werden können soll.
  • Es ist vorteilhaft jedem Stab eine Zugfeder zuzuordnen, die ihn umgibt und die einander entsprechenden Kerben am Taster und an der Halterung miteinander verbindet. Diese Zugfedern bringen nicht nur die Rückstellkraft auf, die den Taster in seine Ruhelage drängt, sondern dienen gleichzeitig als Führung für die Stäbe und verhindern, daß die Stäbe,bei starker Tasterauslenkung aus ihren Stützstellen herausfallen.
  • Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, insbeson- dere Ausführungsformen für die Kerben, in denen sich die Stabenden abstützen, werden nachfolgend anhand der Fig. 1 - 3 der beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • Dabei zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einfachen,gemäß der Erfindung aufgebauten Tastkopfes, Fig. 2 eine detaillierte Schnittdarstellung einer der Kerben, in denen sich die Stäbe des in Fig. 1 gezeigten Tastkopfs abstützen, Fig. 3 eine alternative Ausführungsform für die in Fig. 2 dargestellte Kerbe.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf besitzt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1, an dessen Oberseite ein Befestigungskegel 2 angebracht ist, mit dem er in einer entsprechenden Aufnahme an der Pinole einer Meßmaschine befestigt werden kann.
  • An der Unterseite des Gehäuses 1 ist eine kreisförmige Platte 3 angeordnet, die als Träger für den abnehmbar daran befestigten Taststift 4 dient. Dieser Taststift 4 trägt an seinem Ende eine Tastkugel 5. Es ist klar, daß anstelle des gezeigten Taststifts auch Tasterkombinationen mit einer Vielzahl sich verzweigender Einzeltaster angesetzt sein können.
  • Die Platte 3 stützt sich gegenüber der Oberseite 2 des Gehäuses 1 über sechs Stäbe 8a-8f ab. Die Enden dieser Stäbe 8 sind jeweils in Kerben eingesetzt, die in sechs auf der Platte 3 befestigten Lagerkörpern 7a - f und sechs an der inneren Oberseite des Gehäuses 1 befestigten Lagerkörpern 6a-feingearbeitet sind.
  • Die Stäbe 8 und die Lagerkörper 6 und 7 sind in zwei Gruppen zu jeweils drei Exemplaren angeordnet. So bilden die Stäbe 8a,8c und 8e mit ihren Lagerkörpern eine Gruppe, die unter gleichem Winkel gegen die Platte 3 verdrillt in gleichmäßigen Abständen auf der Oberfläche eines koaxial zum zylindrischen Gehäuse 1 gedachten Zylinders angeordnet sind. Die Stäbe 8b, 8d und 8f bilden mit ihren Lagerkörpern eine zweite Gruppe von Stützelementen, die aber verglichen mit den Stäben der ersten Gruppe entgegengesetzt verdrillt angeordnet sind. Demzufolge überkreuzen sich die Stäbe 8 der Gruppe 1 und 2 jeweils paarweise wie z.B. die Stäbe 8a und 8b. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stäbe 8a, c, ender ersten Gruppe und die Stäbe 8b, d, f der zweiten Gruppe auf Zylindern mit unterschiedlichem Radius angeordnet, wodurch eine im Verhältnis zum Durchmesser der Platte 3 recht starke Neigung der Stäbe 8 erreichbar ist, ohne daß diese sich stören. Es ist jedoch auch möglich die Stäbe 8 und die zugehörigen Lagerkörper alle auf dem gleichen Radius anzuordnen.
  • Die beschriebene Anordnung von Stäben und Lagerkörpern stellt ein stabiles, verdrehsicheres und in seiner räumlichen Lage eindeutig bestimmtes Stützlager für die den Taststift 4 haltende Platte 3 in Bezug auf das Gehäuse 1 dar. In dieses Lager wird die Platte 3 von sechs jeweils um die Stäbe 8 gelegten Zugfedern 9a-f gezogen. Die Zugfedern 9 sind an den Lagerkörpern 6 und 7 befestigt und verhindern, daß die Stäbe 8 bei einer Auslenkung des Tasters aus den ihnen zugeordneten Lagerkörpern herausfallen. Vielmehr führen die Federn 9 die Stäbe 8 nach jeder Auslenkung, infolge der die Stäbe aus den Lagerkörpern ausrasten, wieder dorthin zurück.
  • In Fig. 2 ist detaillierter der Aufbau der Lagerkörper 6 bzw. 7 dargestellt. Jeder Lagerkörper enthält eine Vertiefung 10, in die drei Kugeln 12a -c eingelegt sind. Dies Kugeltrippel bildet die eigentliche Kerbe, in der sich die konische Spitze 11a des hier dargestellten Stabes 8a abstützt. Ein ebenfalls konisch in Richtung auf die Kugeln 12 sich verjüngender Plastik- oder Tefloneinsatz 13a dient ebenso wie die darin eingesetzte Zugfeder 9a als Führung, entlang der das Ende des Stabes 8a in die durch das Kugeltrippel gebildete Kerbe zurückgesetzt wird.
  • Natürlich ist es auch möglich, die Kerbe im Stützelement 7a anders zu gestalten, indem beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, drei gegeneinander geneigte Zylinderkörper 17, 14, 15 als Wiederlager für das mit einer Kugel 16 versehene Ende des dort gezeigten Stabes 18 dienen. Genausogut kann eine Vertiefung in Form einer Pyramidenspitze zur Aufnahme des mit einer Kugel versehenen Stabendes dienen.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Taststift 4 läßt sich in jeder beliebigen Richtung gegen die Längsachse des zylindrischen Gehäuses 1 kippen. Bei dieser Kippbewegung rasten nur einige der Stäbe 8 aus ihren Kerben aus, während die anderen mit ihren Enden in den Kerben verbleiben und dort eine Drehbewegung ausführen. Außerdem ist es möglich, den Taster 4 in der gezeigten Darstellung nach unten aus dem Gehäuse 1 herauszuziehen.
  • Um auch eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung, also in Richtung auf das Gehäuse 11 zu ermöglichen, kann eine Zwischenringlagerung eingesetzt werden, wie sie z.B. in der DE-PS 27 12 181 beschrieben ist.
  • Dazu wird die Platte 3 des Tasters wie dargestellt über die Stützstäbe 8, jedoch mittelbar auf einen Zwischenkörper gelagert, der sich seinerseits in entgegengesetzter Richtung vorgespannt ebenfalls über sechs Stäbe am Gehäuse 1 abstützt.
  • Weiterhin kann es zweckmäßig sein zusätzlich oder anstelle der Federn 9 eine einzige, z.B. zentral angeordnete Feder einzusetzen, die die Platte 3 gegen das Gehäuse 1 zieht, und zur Führung der Stäbe die Plastikeinsätze 13a (siehe Fig. 2) zu verlängern und entsprechend zu formen.

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Tastkopf, dessen Taster durch Rückstellkräfte in ein seine Nullstellung bestimmendes Lager gedrängt wird, aus welchem heraus er relativ zu seiner Halterung allseitig kippbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager des Tasters (3/4) mehrere gegeneinander geneigte Stäbe (8) umfaßt, deren Enden (11) sich jeweils in einer Kerbe (12) in der Halterung (1) und in einer Kerbe (12) am Taster (3/4) abstützen, und daß Mittel (9,13a) zur Führung der Stäbe (8) bei Ausrückung aus den betreffenden Kerben (12) vorgesehen sind.
  2. 2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben am Taster (3/4) bzw. der Halterung (1) jeweils aus drei Kugeln (12a-c) gebildet sind und die Enden (11a) der Stäbe (8) konisch geformt sind.
  3. 3. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben am Taster (3/4) bzw. der Halterung (1) aus drei gegeneinander geneigten Zylindern (17,14,15) gebildet sind und in die Enden der Stäbe (18) Kugeln (16) eingesetzt sind.
  4. 4. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Stab (8) eine ihn umgebende Zugfeder (9) zugeordnet ist, die die einander entsprechenden Kerben (12) am Taster (3/4) und der Halterung (1) miteinander verbindet.
  5. 5. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Stabende (11) eine sich in Richtung auf die Kerbe (12) konisch verjüngende Kunststoffhülse (13a) als Führung zugeordnet ist.
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