DE4300026A1 - Sensing head for coordinate measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte zur räumlichen Antastung von auszumessenden Werkstücken (3D- Tastkopf).The invention relates to a probe for coordinate measuring machines for spatial probing of workpieces to be measured (3D Probe).
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).Known measuring 3D probes are usually designed that for the three spatial directions of the machine coordinate system Guides are provided that a parallel displacement of the Stylus and the probe ball attached to it in one Realize coordinate direction and which sensors for each Measurement of the deflection are assigned in the push button coordinates. In particular, three are orthogonal as guides series-connected straight guides used for Ensuring smooth and play-free movement preferably be executed as spring parallelograms (Parallel spring guides).
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.A major advantage of such a button design is that the probe coordinate system with great accuracy after the Machine coordinate system is oriented and the displacements additively overlap from three individual displacement paths.
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.The disadvantage of these arrangements is that they consist of many elements are composed, require a large space and one have considerable mass. In addition, the overall error, e.g. B. by three times the circular arc Parallel spring guides and their series connection, great his.
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.Buttons are also known in which two of the spatial Degrees of freedom as swivel movements using two crossed Pivot bearing in the sense of a cardan joint, preferably as friction-free leaf spring or cross spring joints, are executed. The disadvantage of these arrangements is that the spatial movement of the probe ball takes place on arcs, and that the translation of the button depending on the shape and the length of the stylus changes. In addition, the deflection the probe ball in the direction of the center of the universal joint with special needs. These solutions also include a design according to DE-OS 32 15 878, in which the stylus is down, in the Z direction hanging, attached to a corrugated pipe. The disadvantages from the Swiveling of the stylus remains. The stylus but can be moved in the Z direction.
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.The object of the invention is a stylus with a few Elements without friction and play in the three spatial directions to run a coordinate measuring machine parallel to itself.
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.According to the invention the object is achieved in that the Stylus on three corrugated tube springs or similar torsionally stiff and otherwise elastically deflectable elements whose axes are not in one level is attached.
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.In such an arrangement, the stylus cannot be twisted or panned, only parallel to itself or in the Axis directions are shifted. Using only three Elements are the movement options of the button on three translational degrees of freedom restricted.
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.The corrugated tube springs can be arranged orthogonally to one another. In a preferred embodiment, the axes of the Corrugated tube springs on the surface of a cone, symmetrical to the Cone axis, which can also be the axis of the probe.
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.An optical system can be arranged in the cone axis. Usual interchangeability or design of the stylus provided it is possible to use the workpiece or a Touch the adjustment element optically in the Z axis.
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. The corrugated tube springs are preferably with a pressure medium filled and to a system for adjusting the internal pressure connected. By changing the pressure in the corrugated tube springs the button, for example after changing the Stylus with different weights, in a simple way be adjusted.
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.The corrugated tube springs can be used together or separately depending of the difference between the actual and target position and the Temperature can be controlled. You can also use a hydraulic pressure medium can be damped vibrations.
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.In other preferred versions, each corrugated tube spring assigned a corrugated pipe, both of them via the pressure medium are interconnected. With each push of a button changes with the length also the enclosed volume of the corrugated pipes. This results in several possible uses.
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.The corrugated pipes can be used in a simple way to measure the Length change can be assigned. From the three ways, the Button position can be calculated. Due to the spatial separation of the Sensors and the probe can be made very small become.
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.Corrugated tube and associated corrugated tube spring can each refer to the enclosed pressure medium is a closed system form, which is one in the execution options closer explained mechanical adjustment results. Besides, can in such an embodiment the ductility of a corrugated pipe and thus the translational degree of freedom of the connected Corrugated tube spring can be locked in the direction of their axis. It a 2D button is created.
Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigenThe invention is illustrated below using some exemplary embodiments explained in more detail. Show in the drawings
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Taster mit orthogonal angeordneten Wellrohrfedern, Fig. 1 shows a button according to the invention with orthogonally arranged corrugated tube springs,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Taster mit Wellrohrfedern, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen und symmetrisch um die Z-Achse des Tasters verteilt sind, Fig. 2 shows a probe according to the invention with bellows springs, the axes of which lie on a conical surface and symmetrical about the Z-axis of the sensor are distributed,
Fig. 3 eine hydraulische Schaltung zum Anschluß der Wellrohrfedern, Fig. 3 shows a hydraulic circuit for connecting the bellows springs,
Fig. 4 einen Taster gemäß Fig. 2 und ein ihm zugeordnetes optisches Meßsystem. Fig. 4 shows a button according to Fig. 2 and an optical measuring system assigned to it.
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.In a first embodiment ( FIG. 1), three corrugated tube springs 5 are attached to a housing 1 . Their axes are orthogonal to each other in the X, Y, Z coordinate system of the measuring device. At the intersection of the axes, the base body 2 of a stylus 3 is connected to the corrugated tubes 5 . The stylus 3 carries a stylus ball 4 at its tip.
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.Each corrugated tube spring 5 can be compressed or pulled apart along its axis. Otherwise, the corrugated tube springs 5 are torsionally rigid. This means that the base body 2 can only be displaced in the direction of the X, Y, Z coordinates and cannot be rotated about one of these axes. The stylus 3 can thus only be moved parallel to itself or in its axial direction. The deflection of the probe ball 4 during probing is therefore a geometric sum of the displacement in the coordinate directions.
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 Fig. 2, the axes of the three corrugated tube springs 5 lie on a conical jacket and intersect in the tip. They are distributed symmetrically around the axis of the stylus 3 , which also forms the cone axis. In the top view, two corrugated pipe axes enclose an angle of 120 °. Three stops 8 and 9 are arranged between the housing 1 and the base body 2 . They protect the button against impermissible loads. The elements 8 and 9 could also be inductive, capacitive or optical position sensors. Such position transducers would have to have a greater radial play than usual. In the embodiment according to FIG. 2, the path is measured in a different way.
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.In an extension of the corrugated tube springs 5 , three corrugated tubes 6 are fastened on the other side of the housing 1 . Corrugated tube 6 and corrugated tube spring 5 are filled with hydraulic oil, with no connection to the outside. The movements of the probe ball 4 lead to changes in the length of the corrugated tube 6 and can be detected with a displacement sensor 7 . The path of the probe ball 4 can be mathematically clearly calculated from the measured paths of the three corrugated tubes 6 .
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.With a mechanical adjusting device 15 , not shown, a force can be applied to each corrugated tube 6 via a spring 16 . The corrugated tube 6 is preloaded and an internal pressure in the closed hydraulic system - corrugated tube spring 5 and corrugated tube 6 - is thereby set. The position of the probe ball in the room can be adjusted by changing the force. A regulated electric actuator can be connected to the adjustment device, so that, for example, automatic adjustment of the button position when changing the stylus or / and depending on temperature changes is possible.
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.In Fig. 3, the corrugated tube springs 5 are connected or connectable via three-way cocks 11 on the one hand to the ring line 17 and on the other hand to a hydraulic system 12 , which has been shown simply as a vessel. In the situation shown, the corrugated tubes 5 are connected to the system 12 . The stylus can move, as previously described.
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.If you turn one of the three-way cocks 11 so that there is no hydraulic connection of the associated corrugated pipe 5 to the outside, ie the corrugated pipe 5 is neither connected to the ring line 17 nor to the system 12 , the base body 2 can be in the axial direction of the blocked corrugated pipe 5 can no longer be moved. The 3D button becomes a 2D button. Is z. B. in Fig. 1 the corrugated tube 5 lying in the Z direction, the base body 2 can only move in the X and Y directions.
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. When the corrugated pipes 5 are connected to the system 12 , the internal pressure in all three corrugated pipes can be changed simultaneously or individually, depending on the equipment of this system. The setting options that this gives have already been mentioned.
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.In Fig. 4 the corrugated tube springs 5 are arranged as in Fig. 2. The conical arrangement offers the possibility of arranging an optical measuring system 13 in the cone axis. For optical probing, the stylus 3 can be removed or swiveled to the side. The two base bodies 2 and 14 have corresponding centerings, so that a very precise adjustment of the optical axis and zero position of the probe ball is possible.
Claims (10)
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