DE4300026A1 - Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte zur räumlichen Antastung von auszumessenden Werkstücken (3D- Tastkopf).

Bekannte messende 3D-Tastköpfe sind üblicherweise so ausgeführt, daß für die drei Raumrichtungen des Maschinenkoordinatensystems Führungen vorgesehen sind, die eine Parallelverschiebung der des Taststiftes und der daran befestigten Tastkugel in je eine Koordinatenrichtung realisieren und denen jeweils Sensoren zur Messung der Auslenkung in den Tasterkoordinaten zugeordnet sind. Als Führungen werden insbesondere drei orthogonal hintereinandergeschaltete Geradführungen verwendet, die zur Gewährleistung einer reibungs- und spiel freien Bewegung vorzugsweise als Federparallelogramme ausgeführt werden (Parallelfederführungen).

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Tasterausführungen ist, daß das Tasterkoordinatensystem mit großer Genauigkeit nach dem Maschinenkoordinatensystem orientiert ist und die Verschiebungen sich additiv aus drei einzelnen Verschiebungswegen überlagern.

Nachteil dieser Anordnungen ist, daß sie aus vielen Elementen zusammengesetzt sind, einen großen Raum erfordern und eine beträchtliche Masse aufweisen. Außerdem kann der Gesamtfehler, z. B. durch die dreimalige Kreisbogenführung der Parallelfederführungen und ihre Hintereinanderschaltung, groß sein.

Es sind auch Taster bekannt, bei denen zwei der räumlichen Freiheitsgrade als Schwenkbewegungen mittels zweier gekreuzter Drehlager im Sinne eines kardanischen Gelenkes, vorzugsweise als reibungsfrei arbeitenden Blattfeder- oder Kreuzfedergelenke, ausgeführt sind. Nachteil dieser Anordnungen ist, daß die räumliche Bewegung der Tastkugel auf Kreisbögen erfolgt, und daß sich die Übersetzung des Tasters in Abhängigkeit von der Gestalt und der Länge des Taststiftes ändert. Außerdem ist die Auslenkung der Tastkugel in Richtung auf den Mittelpunkt des Kardangelenkes behindert. Zu diesen Lösungen gehört auch eine Ausführung gemäß DE-OS 32 15 878, bei der der Taststift nach unten, in Z-Richtung hängend, an einem Wellrohr befestigt ist. Die Nachteile aus der Schwenkbarkeit des Taststiftes bleiben bestehen. Der Taststift ist aber in Z-Richtung verschiebbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Taststift mit wenigen Elementen reibungs- und spielfrei in den drei Raumrichtungen eines Koordinatenmeßgerätes parallel zu sich selbst zu führen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Taststift an drei Wellrohrfedern oder ähnlich torsionssteifen und ansonsten elastisch auslenkbaren Elementen, deren Achsen nicht in einer Ebenen liegen, befestigt ist.

In einer solchen Anordnung kann der Taststift nicht verdreht oder geschwenkt, sonder nur zu sich selbst parallel bzw. in den Achsrichtungen verschoben werden. Unter Verwendung von nur drei Elementen sind die Bewegungsmöglichkeiten des Tasters auf drei translatorische Freiheitsgrade eingeschränkt.

Die Wellrohrfedern können orthogonal zueinander angeordnet sein. In einer vorzugsweisen Ausführung liegen die Achsen der Wellrohrfedern auf dem Mantel eines Kegels, symmetrisch zur Kegelachse, die zugleich Achse des Tastkopfes sein kann.

In der Kegelachse kann ein optisches System angeordnet werden. Übliche Wechselbarkeit bzw. Gestaltung des Taststiftes vorausgesetzt, ist es dadurch möglich, das Werkstück oder ein Justierelement in der Z-Achse optisch anzutasten.

Vorzugsweise sind die Wellrohrfedern mit einem Druckmittel gefüllt und an ein System zur Einstellung des Innendruckes angeschlossen. Durch Änderung des Druckes in den Wellrohrfedern kann der Taster, beispielsweise nach einem Wechsel des Taststiftes mit unterschiedlichem Gewicht, in einfacher Weise justiert werden.

Die Wellrohrfedern können gemeinsam oder getrennt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Ist- und Sollage und der Temperatur angesteuert werden. Außerdem können mit einem hydraulischen Druckmittel Tasterschwingungen gedämpft werden.

In weiteren vorzugsweisen Ausführungen ist jeder Wellrohrfeder ein Wellrohr zugeordnet, wobei beide über das Druckmittel miteinander verbunden sind. Bei jeder Tasterbewegung ändert sich mit der Länge auch das eingeschlossene Volumen der Wellrohre. Hieraus ergeben sich mehrere Anwendungsmöglichkeiten.

Den Wellrohren können in einfacher Weise Weggeber zur Messung der Längenänderung zugeordnet werden. Aus den drei Wegen kann die Tasterposition berechnet werden. Durch die räumliche Trennung der Sensoren und des Tastkopfes kann dieser sehr klein ausgeführt werden.

Wellrohr und zugehörige Wellrohrfeder können jeweils in Bezug auf das eingeschlossene Druckmittel ein abgeschlossenes System bilden, wodurch sich eine in den Ausführungsmöglichkeiten näher erläuterte mechanische Einstellmöglichkeit ergibt. Außerdem kann bei einer solchen Ausführung die Dehnbarkeit eines Wellrohres und damit der translatorischer Freiheitsgrad der angeschlossenen Wellrohrfeder in Richtung ihrer Achse gesperrt werden. Es entsteht ein 2D-Taster.

Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Taster mit orthogonal angeordneten Wellrohrfedern,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Taster mit Wellrohrfedern, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen und symmetrisch um die Z-Achse des Tasters verteilt sind,

Fig. 3 eine hydraulische Schaltung zum Anschluß der Wellrohrfedern,

Fig. 4 einen Taster gemäß Fig. 2 und ein ihm zugeordnetes optisches Meßsystem.

In einer ersten Ausführung (Fig. 1) sind an einem Gehäuse 1 drei Wellrohrfedern 5 befestigt. Ihre Achsen liegen orthogonal zueinander in dem X-, Y-, Z-Koordinatensystem der Meßeinrichtung. Im Schnittpunkt der Achsen ist mit den Wellrohren 5 der Grundkörper 2 eines Taststiftes 3 verbunden. Der Taststift 3 trägt an seiner Spitze eine Tastkugel 4.

Jede Wellrohrfeder 5 kann entlang ihrer Achse zusammengedrückt bzw. auseinandergezogen werden. Ansonsten sind die Wellrohrfedern 5 torsionssteif. Das bedeutet, daß der Grundkörper 2 nur in Richtung der X-, Y-, Z-Koordinaten verschoben und nicht um eine dieser Achsen verdreht werden kann. Der Taststift 3 kann damit immer nur parallel zu sich selbst bzw. in seiner Achsrichtung verschoben werden. Die Auslenkung der Tastkugel 4 bei einer Antastung ergibt sich demzufolge als geometrische Summe der Verschiebung in den Koordinatenrichtungen.

In Fig. 2 liegen die Achsen der drei Wellrohrfedern 5 auf einem Kegelmantel und schneiden sich in dessen Spitze. Sie sind symmetrisch um die Achse des Taststiftes 3, die zugleich die Kegelachse bildet, verteilt. In der Draufsicht schließen je zwei Wellrohrachsen einen Winkel von 120° ein. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Grundkörper 2 sind je drei Anschläge 8 und 9 angeordnet. Sie schützen den Taster gegen unzulässige Beanspruchung. Die Elemente 8 und 9 könnten ebenso induktive, kapazitive oder optische Weggeber sein. Derartige Weggeber müßten ein größeres radiales Spiel, als sonst üblich, aufweisen. In der Ausführung nach Fig. 2 wird der Weg aber in anderer Weise gemessen.

In Verlängerung der Wellrohrfedern 5 sind auf der anderen Seite des Gehäuses 1 drei Wellrohre 6 befestigt. Wellrohr 6 und Wellrohrfeder 5 sind mit Hydrauliköl gefüllt, wobei kein Anschluß nach außen besteht. Die Bewegungen der Tastkugel 4 führen zu Längenänderungen des Wellrohres 6 und können mit einem Weggeber 7 erfaßt werden. Aus den gemessenen Wegen der drei Wellrohre 6 kann mathematisch eindeutig der Weg der Tastkugel 4 berechnet werden.

Mit einer nicht näher dargestellten mechanischen Verstelleinrichtung 15 kann über eine Feder 16 eine Kraft auf jedes Wellrohr 6 eingeleitet werden. Das Wellrohr 6 wird vorgespannt und dadurch ein Innendruck in dem abgeschlossenen hydraulischen System - Wellrohrfeder 5 und Wellrohr 6 - eingestellt. Durch Veränderung der Kraft kann die Position der Tastkugel im Raum justiert werden. An die Verstelleinrichtung kann ein geregelter elektrischer Stellantrieb angeschlossen werden, so daß beispielsweise auch eine automatische Nachstellung der Tasterposition beim Wechseln der Taststifte oder/und in Abhängigkeit von Temperaturänderungen möglich wird.

In Fig. 3 sind die Wellrohrfedern 5 über Dreiwegehähne 11 zum einen mit der Ringleitung 17 und zum anderen mit einem hydraulischen System 12, das vereinfacht als Gefäß dargestellt wurde, verbunden bzw. verbindbar. In der gezeichneten Situation sind die Wellrohre 5 mit dem System 12 verbunden. Der Taststift kann sich, wie bisher geschildert, bewegen.

Dreht man einen der Dreiwegehähne 11 so, daß keine hydraulische Verbindung des zugehörigen Wellrohres 5 nach außen besteht, d. h., das Wellrohr 5 ist weder mit der Ringleitung 17, noch mit dem System 12 verbunden, so kann der Grundkörper 2 in der Achsrichtung des gesperrten Wellrohrs 5 nicht mehr bewegt werden. Der 3D-Taster wird zum 2D-Taster. Wird z. B. in Fig. 1 das in Z- Richtung liegende Wellrohr 5 gesperrt, so kann sich der Grundkörper 2 nur noch in X- und Y-Richtung bewegen.

Bei einer Verbindung der Wellrohre 5 mit dem System 12 kann je nach Ausstattung dieses Systems der Innendruck in allen drei Wellrohren gleichzeitig oder einzeln geändert werden. Die dadurch gegebenen Einstellmöglichkeiten wurden bereits genannt.

In Fig. 4 sind die Wellrohrfedern 5 wie in Fig. 2 angeordnet. Die kegelförmige Anordnung bietet die Möglichkeit, in der Kegelachse ein optisches Meßsystem 13 anzuordnen. Zum optischen Antasten kann der Taststift 3 abgenommen bzw. zur Seite geschwenkt werden. Die beiden Grundkörper 2 und 14 tragen entsprechende Zentrierungen, so daß eine sehr genaue Justierung von optischer Achse und Nullpunktstellung der Tastkugel möglich ist.

Claims (10)

1. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte mit einem räumlichen Federsystem, das einen in allen drei Raumrichtungen parallel zu sich verschiebbaren Taststift trägt und Sensoren zur Aufnahme der räumlichen Verschiebung der Tastkugel, gekennzeichnet dadurch, daß der Taststift (3) an drei Wellrohrfedern (5) oder ähnlich torsionssteifen und ansonsten elastisch auslenkbaren Elementen, deren Achsen nicht in einer Ebene liegen, befestigt ist.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Achsen der Wellrohrfedern (5) auf dem Mantel eines Kegels, symmetrisch zur Kegelachse, liegen.

3. Tastkopf nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Kegelachse ein optisches Meßsystem (13) angeordnet ist.

4. Tastkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellrohrfedern (5) mit einem Druckmittel (10) gefüllt und an ein System zur Einstellung des Innendrucks und/oder zur Schwingungsdämpfung angeschlossen sind.

5. Tastkopf nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellrohrfedern (5) an ein Druckmittelsystem mit einer Einstellbarkeit des Drucks in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Ist- und Nullposition der Tastkugel oder/und der Temperatur angeschlossen ist.

6. Tastkopf nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß jeder Wellrohrfeder (5) ein Wellrohr (6) oder ein ähnlich elastischer, dehnbarer Arbeitszylinder zugeordnet ist, und die Wellrohrfedern (5) mit ihren zugehörigem Wellrohren (6) jeweils über das Druckmittel miteinander verbunden sind.

7. Tastkopf nach Anspruch 4 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellrohre (6) über Dreiwegehähne (11) und angeschlossene Leitungen untereinander oder/und mit einem Druckmittelsystem (12) verbindbar sind.

8. Tastkopf nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß jede Wellrohrfeder (5) mit dem zugehörigen Wellrohr (6) in Bezug auf das von beiden eingeschlossene Druckmittel ein geschlossenes System bilden und jedem Wellrohr (6) über eine Feder (16) eine mechanische Verstellvorrichtung zur Veränderung seines Rauminhalts zugeordnet ist.

9. Tastkopf nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß mit der mechanischen Verstellvorrichtung ein elektrischer Stellantrieb verbunden ist.

10. Tastkopf nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß jedem Wellrohr (6) ein Weggeber (7) zugeordnet ist.