DE4300026A1 - Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte - Google Patents
Tastkopf für KoordinatenmeßgeräteInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934300026 DE4300026A1 (de) | 1993-01-02 | 1993-01-02 | Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934300026 DE4300026A1 (de) | 1993-01-02 | 1993-01-02 | Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4300026A1 true DE4300026A1 (de) | 1994-07-07 |
Family
ID=6477705
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19934300026 Withdrawn DE4300026A1 (de) | 1993-01-02 | 1993-01-02 | Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte |
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Country | Link |
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- 1993-01-02 DE DE19934300026 patent/DE4300026A1/de not_active Withdrawn
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