DE4238724C1

DE4238724C1 - Zentriereinrichtung für einen mechanischen Taster

Info

Publication number: DE4238724C1
Application number: DE4238724A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Lindner
Original assignee: Leitz Messtecknik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2012-11-18
Also published as: US5404650A

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentriereinrichtung für einen mechanischen Taster mit einem Mitnehmer und mit zwei in gegensätzlichen Richtungen darauf wirkenden Rückstellmitteln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Nach dem Stand der Technik ist eine Zentriereinrichtung bekannt (DE-PS 23 56 030), bei der zum koordinatenmäßigen Ausmessen eines Werkstückes ein an einem Federparallelogramm angeordneter Taster vorgesehen ist, der beim Auffahren an das Werkstück durch die Durchbiegung eines Biegestabes und aufgrund der Aufhängung am Federparallelogramm auswandern kann. Um den Taster nach jeder Messung in seine exakte Ausgangsposition zurückzubringen, ist eine Zentriereinrichtung vorgesehen. Bei dieser Zentriereinrichtung sind zur Variation der Kraft-Weg-Kennlinie zusätzlich federnde Mittel bei jedem Federparallelogramm vorgesehen. Sinn dieser Ausführung ist es, die auf den Taster wirkende Kraft auch bei Auftreten großer Auslenkungen auf eine annähernd konstant bleibende Maximalkraft zu begrenzen. Der Mitnehmer trägt an seinem Ende eine Kugel, auf die beidseitig Federn gleicher Kraft und kleiner Federkonstante über plane Druckstücke wirken. Eine Anordnung von drei Kugeln in der Zentriereinrichtung wirkt auf beide Druckstücke jeweils unabhängig als erster und als zweiter Anschlag für die von den Federn belasteten Druckstücke.

Um eine einwandfreie und hysteresefreie Zentrierung in der Grundstellung zu gewährleisten, müssen alle vorgesehenen Berührungsstellen zwischen der Kugel des Mitnehmers, den Kugeln der Anschläge und den Druckstücken zugleich exakt anliegen. Dieses ist nur mit hohem Fertigungsaufwand mit Bezug auf die Präzision der Kugeln und der planen Druckstücke möglich. Im Gebrauch mindert sich diese Qualität zwangsläufig durch Verschleiß, zum Beispiel durch Schlagwirkung oder durch Reibung der Kugel des Mitnehmers an den Druckstücken.

Eine Weiterentwicklung stellt die nach der DE-OS 40 27 136 zum Stand der Technik gehörende Zentriereinrichtung dar. Bei dieser Zentriereinrichtung sind die in gegensätzlicher Richtung wirkenden Rückstellmittel derart ausgebildet, daß für ein Rückstellmittel ein, auch mehrteiliger, Anschlag vorgesehen ist, und bei dem das im Ruhezustand an dem Anschlag anliegende Rückstellmittel zumindest nahe dem Ruhezustand eine doppelt so große Rückstellkraft ausübt wie das zweite gegenüberliegende Rückstellmittel. Dadurch, daß das am Anschlag anliegende Rückstellmittel bei Auslenkung des Mitnehmers gegen die Rückstellkraft des gegenüberliegenden Rückstellmittels nicht auf den Mitnehmer wirkt, wirkt nur die einfache Rückstellkraft auf die Kugel des Mitnehmers. Wird der Mitnehmer in die andere Richtung ausgelenkt, so wirkt auf die Kugel des Mitnehmers zwar die doppelt so große Rückstellkraft, allerdings wirkt dieser Rückstellkraft die einfache Rückstellkraft des gegenüberliegenden Rückstellmittels entgegen, so daß effektiv nur die Differenz der beiden Rückstellkräfte wirkt. Hierdurch wird eine gleich große Rückstellkraft in beiden Richtungen erreicht. Als Rückstellmittel sind entweder federbelastete Kolben oder mittels eines Fluides beaufschlagte Kolben vorgesehen.

Diese Ausbildung erlaubt höchstens die Variation der bei Auslenkung auftretenden Maximalkraft durch Variation des Systemdruckes, nicht jedoch eine Veränderung des um den Nullpunkt linearen Bereichs der Kennlinie. Soll das Tastsystem verschiedenen Meßaufgaben optimal angepaßt werden, müssen für diese verschiedenen Meßaufgaben verschiedene Zentriereinrichtungen verwendet werden, wobei für jede spezielle Meßaufgabe eine spezielle Zentriereinrichtung verwendet werden muß, die die für die Meßaufgabe optimale Kraft-Weg-Kennlinie aufweist.

Darüber hinaus sind diese zum Stand der Technik gehörenden Zentriereinrichtungen empfindlich gegenüber den Schwingungen des Tasters, die zum Beispiel dann angeregt werden, wenn der Meßkopf zwischen verschiedenen Meßstellungen hin- und hergefahren wird. Diese Schwingungen sind abhängig von den Beschleunigungen des Tasters. Die Schwingungen stören die Messung beim Anfahren des Tasters an das Werkstück erheblich, so daß der Taster ohne wesentliche Beschleunigung an das Werkstück herangefahren werden muß, was verfahrenstechnisch nicht erwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zentriereinrichtung für einen mechanischen Taster anzugeben, mit der eine Anpassung an die vorliegende Meßaufgabe in einfachster Weise durchgeführt werden kann, je nachdem, ob eine hohe oder niedrige Steifigkeit des Systems für die Messung oder sogar eine sehr steife Klemmung bei der Positionierung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß die Zentriereinrichtung wenigstens zwei Zentriersysteme aufweist, derart, daß die einzelnen Zentriersysteme beispielsweise mit Kolben über Stäbe wahlweise gemeinsam oder einzeln auf den Biegestab wirken, können dem Taster ausgewählte Kraft-Weg-Kennlinien aufgezwungen werden.

Geht man von zwei vorgesehenen Zentriersystemen A und B aus, so wirken diese beiden Zentriersysteme auf den Biegestab, jedoch mit unterschiedlichen Wirklängen, die dann dem Taster unterschiedliche Kraft-Weg- Kennlinien aufzwingen.

Im Meßbetrieb kann also je nach Meßaufgabe entweder eine höhere oder niedrigere Steifigkeit des Systems gewählt werden. Die Umschaltung erfolgt in einfachster Weise durch Umschalten des Systemdruckes zwischen den beiden Zentriersystemen A und B.

Die erfindungsgemäße Zentriereinrichtung kann also durch einfaches Umschalten für verschiedene Meßaufgaben verwendet werden; beispielsweise ist für eine Messung, bei der sich der Taster in ständigem Kontakt mit dem Werkstück befindet, eine andere Steifigkeit notwendig als für den Fall einer Einzelmessung, bei der der Taster an verschiedene Meßstellen des Werkstückes herangefahren wird.

Die Zentriersysteme A und B können darüber hinaus gleichzeitig aktiviert werden, das heißt, es erfolgt eine gleichzeitige Druckbeaufschlagung beider Zentriersysteme. Die gleichzeitige Druckbeaufschlagung beider Zentriersysteme A und B erhöht die resultierende Steifigkeit des Systems erheblich. Entsprechend steigt die Eigenfrequenz des aus bewegter Tastermasse und Biegestab gebildeten Feder-Masse-Systems an. Dieses ist von großem Vorteil während der Positionierung des Tasters, da die in dieser Phase angeregten Amplituden des Tasters wesentlich reduziert werden. Die vom Taster ohne Ausrücken ertragenen Beschleunigungen während der Positionierung werden dadurch auch erhöht, zum Beispiel bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung etwa verdoppelt. Durch die gleichzeitige Druckbeaufschlagung beider Zentriersysteme A und B wird also eine Klemmung des Tasters erreicht, welche ein schnelles Hin- und Herfahren des Meßkopfes zwischen den einzelnen Meßpositionen erlaubt.

Sind, wie eben ausgeführt, zwei Zentriersysteme vorgesehen, so kann bei dem erfindungsgemäßen Taster zwischen drei Kraft-Weg-Kennlinien, nämlich I, II und III, gewählt werden, um eine optimale Anpassung an die jeweilige Meßaufgabe zu erreichen. Bei Kurve I wird das System A, bei Kurve II das System B und bei Kurve III werden beide Systeme druckbeaufschlagt.

Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei Zentriersysteme vorgesehen, so daß bei steigender Anzahl der Zentriersysteme zwischen einer Vielzahl von Kraft-Weg- Kennlinien gewählt werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen sowie der Zeichnung entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Zentriereinrichtung im Schnitt;

Fig. 2 ein Diagramm der Kraft-Weg-Kennlinien.

Fig. 1 zeigt eine Zentriereinrichtung (20). Das Gehäuse (1) der Zentriereinrichtung (20) weist Zylinder (23, 43; 33, 53) für Kugelkolben (2, 4; 3, 5) auf. Die Kugelkolben (2, 4; 3, 5) sind pneumatisch druckbeaufschlagbar. Für die Druckbeaufschlagung der Zylinder (23, 43; 33, 53) sind Leitungen (60, 61) vorgesehen, in die Druckluft über pneumatische Anschlüsse (12, 13) aus einem Druckreservoir (nicht dargestellt) geleitet wird. Die druckbeaufschlagten Flächen (42, 52) der Kugelkolben (4, 5) sind doppelt so groß wie die druckbeaufschlagten Flächen (22, 32) der Kugelkolben (2, 3). Für die Kugelkolben (4, 5) sind Anschläge (41, 51) vorgesehen.

Die Kugelkolben (2, 4) bilden das Zentriersystem (A). Die Kugelkolben (3, 5) bilden das Zentriersystem (B).

Die Zentriersysteme (A, B) wirken auf Stäbe (24, 44; 34, 54), die mit einem Biegestab (6) verbunden sind. Der Biegestab (6) ist mit einer Platte (8) fest verbunden. Die Platte (8) trägt eine Aufnahme für einen Taster (14). Der Taster (14) weist einen Schaft (11) sowie eine Tastkugel (9) auf. Die Platte (8) ist über Federbleche (10a, 10b) mit dem Gehäuse (1) der Zentriereinrichtung (20) verbunden. Der Biegestab (6) weist eine flexible Zone (7) auf.

Die flexible Zone (7) des Biegestabes (6) definiert die Steigung der Kennlinien im Bereich um den Nullpunkt. Ab der Knickstelle im Diagramm der Fig. 2 werden die Kennlinien von dem auf die Kugelkolben (2, 4; 3, 5) wirkenden Druck bestimmt.

Zunächst wächst also die Antastkraft linear mit der Auslenkung an und ist bestimmt durch die Ausbildung der flexiblen Zone (7) und die Länge des Biegestabes (6).

Bei Erreichen einer dem Systemdruck und der druckbeaufschlagten Fläche (22, 32; 42, 52) entsprechenden Kraft wird einer der Kugelkolben ausgelenkt und die Antastkraft bleibt dann bei weiter steigender Auslenkung konstant.

Die Kugel (9) des Tasters (14) wird also bei einem Meßvorgang in Richtung des Pfeiles (15) ausgelenkt. Dieser Auslenkung wirken die mit Druck beaufschlagten Kugelkolben (2, 4; 3, 5) entgegen.

Für eine vorliegende Meßaufgabe kann mit Hilfe der Zentriersysteme (A und B) die für die Meßaufgabe erforderliche Steifigkeit des Systems eingestellt werden. Da die Zentriersysteme (A, B) getrennt druckbeaufschlagbar sind, können im Meßbetrieb entweder die höhere Steifigkeit, das heißt Druckbeaufschlagung des Zentriersystems (B) oder die niedrigere Steifigkeit, das heißt Druckbeaufschlagung des Zentriersystems (A) gewählt werden. Die Anpassung an die Meßaufgabe erfolgt in einfachster Weise durch Umschalten des Systemdruckes zwischen den pneumatischen Anschlüssen (12, 13). Der jeweils andere Anschluß wird belüftet und dadurch deaktiviert.

Wird das Zentriersystem (B) aktiviert, hat die Zentriereinrichtung (20) eine hohe Steifigkeit, wie in Fig. 2 durch die Kraft-Weg-Kennlinie (II) gekennzeichnet. Wird das Zentriersystem (B) deaktiviert und das Zentriersystem (A) aktiviert, dann weist die Zentriereinrichtung (20) die Kraft-Weg-Kennlinie (I) auf.

Bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung der pneumatischen Anschlüsse (12 und 13) wirkt die Kombination der Zentriersysteme (A, B). Hierdurch wird die resultierende Federsteifigkeit, wie auch die Ausrückkraft erhöht, so daß zum Beispiel während der Positionierung des Tasters (14) die Zentriersysteme (A und B) zusammen wie eine Klemmung wirken.

Die Kraft-Weg-Charakteristik für diesen Fall ist in Fig. 2 mit der Kurve (III) dargestellt.

Bezugszeichen

1 Gehäuse
2, 3, 4, 5 Kugelkolben
6 Biegestab
7 flexible Zone
8 Platte
9 Tastkugel
10a, 10b Federblech
11 Tasterschaft
12, 13 pneumatische Anschlüsse
14 Taster
15 Pfeil
20 Zentriereinrichtung
22 Fläche des Kugelkolbens (2)
23 Zylinder
24 Stab
32 Fläche des Kugelkolbens (3)
33 Zylinder
34 Stab
41 Anschlag
42 Fläche des Kugelkolbens (4)
43 Zylinder
44 Stab
51 Anschlag
52 Fläche des Kugelkolbens (5)
53 Zylinder
54 Stab
60, 61 Leitungen
a, b Wirklängen des Biegestabes (6)
A oberes Zentriersystem
B unteres Zentriersystem
I, II, III Kraft-Weg-Kennlinien

Claims

1. Zentriereinrichtung für einen mechanischen Taster, welche mindestens ein Zentriersystem mit einem Biegestab und mit zwei in gegensätzlichen Richtungen darauf wirkenden Rückstellmitteln aufweist, bei dem ein, auch mehrteiliger, Anschlag für ein Rückstellmittel vorgesehen ist und bei dem das im Ruhezustand an den Anschlag anliegende Rückstellmittel zumindest nahe dem Ruhezustand eine doppelt so große Rückstellkraft ausübt wie das zweite Rückstellmittel, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Zentriersysteme (A, B) vorgesehen sind, derart, daß dem Taster (14) unterschiedliche Kraft-Weg-Kennlinien (I, II, III) aufzwingbar sind.

2. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellmittel Fluidkolben in Fluidzylindern sind.

3. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellmittel Kugelkolben (2, 4; 3, 5) aufweisen.

4. Zentriereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagten Flächen (22, 42; 32, 52) der sich gegenüberliegenden Kolben (2, 4; 3, 5) ein Verhältnis von 1 : 2 aufweisen und daß die sich gegenüberliegenden Zylinder (23, 43; 33, 53) mit den Kolben (2, 4; 3, 5) an ein gemeinsames Druckreservoir angeschlossen sind.

5. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Zentriersysteme (A, B) an getrennte Druckreservoire angeschlossen sind.

6. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Zentriersysteme (A, B) an ein gemeinsames Druckreservoir angeschlossen sind.

7. Zentriereinrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke in den Druckreservoiren einstellbar sind.

8. Zentriereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Druckluft ist.

9. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestab (6) eine flexible Zone (7) aufweist.

10. Zentriereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkolben (2, 4; 3, 5) über am Biegestab (6) befestigte Stäbe (24, 44; 34, 54) auf diesen wirken.

11. Zentriereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Zentriersysteme (A, B) unterschiedliche Wirkabstände (a, b) von der flexiblen Zone (7) aufweisen.