DE4331655C3 - Tastkopf vom messenden Typ für Koordinatenmeßgeräte - Google Patents

Tastkopf vom messenden Typ für Koordinatenmeßgeräte

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DE4331655C3 DE19934331655 DE4331655A DE4331655C3 DE 4331655 C3 DE4331655 C3 DE 4331655C3 DE 19934331655 DE19934331655 DE 19934331655 DE 4331655 A DE4331655 A DE 4331655A DE 4331655 C3 DE4331655 C3 DE 4331655C3
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Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf für einen aus­ weichbar gelagerten mechanischen Taster für die Koor­ dinatenbestimmung von Meßpunkten auf einem Werk­ stück. Derartige Taster sind deshalb ausweichbar gela­ gert, weil der Taster beim Auffahren auf den Meßpunkt des Werkstückes mechanischen Kräften ausgesetzt wird, welche zum Beispiel die Tastkugel des Tasters aus ihrer Soll-Lage auswandern lassen. Soll der Taster an­ schließend für eine neue Anschlußmessung benutzt wer­ den, muß man sicher sein, daß die Tastkugel ihre Aus­ gangslage nach dem Losen vom Werkstück nieder ein­ genommen hat. Dies ist praktisch nicht kontrollierbar.
Um deshalb zu gewährleisten, daß der Taster nach jeder Messung seine Ausgangslage wieder einnimmt, ist der Taster im Tastkopf ausweichbar gelagert, zum Bei­ spiel an einem Blattfederparallelogramm aufgehängt, so daß beim Anfahren des Meßpunktes der Taster auswan­ dern kann und das Federparallelogramm den Taster nach Lösen vom Werkstück in seine Ausgangslage zu­ rückführt. Eine exakte Rückführung des Tasters in seine Ausgangslage gelingt mit einem einfachen Blattfederpa­ rallelogramm jedoch nicht. Deshalb ist für den Taster nach dem Stand der Technik zusätzlich eine Zentrier­ einrichtung vorgesehen, welche insbesondere eine ein­ wandfreie und hysteresefreie Zentrierung des Tasters in seine Ausgangsstellung gewährleistet. Eine solche Zen­ triereinrichtung wirkt beispielsweise gemäß der DE- PS 23 56 030 mit unter Federdruck stehenden Kugeln auf einen mit dem Taster verbundenen Biegestab. Um die einwandfreie und hysteresefreie Zentrierung in der Grundstellung zu gewährleisten, müssen bei dieser Aus­ bildung alle vorgesehenen Berührungsstellen zwischen der Kugel des Mitnehmers und den Kugeln der Anschlä­ ge und der Druckstücke zugleich exakt anliegen. Dieses ist nur mit hohem Fertigungsaufwand mit Bezug auf die Präzision der Kugeln und der Plandruckstücke möglich. Im Gebrauch mindert sich diese Qualität zwangsläufig durch Verschleiß, zum Beispiel durch Schlagwirkung oder zum Beispiel durch Reibung der Kugel des Mitneh­ mers an den Druckstücken.
Eine Weiterentwicklung einer derartigen Zentrierein­ richtung zeigt die DE-OS 40 27 136. Bei dieser Zentrier­ einrichtung sind die in gegensätzlicher Richtung wirken­ den Rückstellmittel derart ausgebildet, daß für ein Rückstellmittel ein, auch mehrteiliger Anschlag vorge­ sehen ist und bei dem das im Ruhe Zustand an dem Anschlag anliegende Rückstellmittel zumindest nahe dem Ruhezustand eine doppelt so große Rückstellkraft ausübt wie das zweite gegenüberliegende Rückstellmit­ tel. Dadurch, daß das am Anschlag anliegende Rück­ stellmittel 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 eine andere Richtung ausgelenkt, so wirkt auf die Kugel des Mitnehmers zwar die doppelt so gro­ ße Rückstellkraft, allerdings wirkt dieser Rückstellkraft die einfache Rückstellkraft des gegenüberliegenden Rückstellmittels entgegen, so daß effektiv nur die Diffe­ renz der beiden Rückstellkräfte wirkt. Hierdurch wird eine gleichgroße Rückstellkraft in beiden Richtungen erreicht. Als Rückstellmittel sind entweder federbela­ stete Kolben oder mittels eines Fluides beaufschlagte Kolben vorgesehen.
Diese Ausbildung erlaubt höchstens die Variation der bei der Auslenkung auftretenden Maximalkraft durch Variation des Systemdruckes, nicht jedoch eine Verän­ derung des um den Nullpunkt liegenden linearen Berei­ ches der Kennlinie. Soll das Tastsystem verschiedenen Meßaufgaben optimal angepaßt werden, müssen für diese verschiedenen Meßaufgaben verschiedene Zen­ triereinrichtungen verwendet werden, wobei für jede spezielle Meßaufgabe eine spezielle Zentriereinrich­ tung verwendet werden muß, die die für die Meßaufga­ be optimale Kraft-Weg-Kennlinie aufweist.
Darüber hinaus sind diese zum Stand der Technik gehörenden mechanischen Zentriereinrichtungen emp­ findlich gegenüber den Schwingungen des Tasters, die zum Beispiel dann angeregt werden, wenn der Meßkopf zwischen verschiedenen Meßstellungen hin- und herge­ fahren 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 wesentli­ che Beschleunigung an das Werkstück herangefahren werden muß, was verfahrenstechnisch nicht erwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tastkopf für einen mechanischen Taster anzugeben, bei dem die Rückstell­ mittel auf den Taster berührungslos wirken und die vor­ genannten Nachteile nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprü­ che 1 oder 2 gelöst. Dadurch, daß jetzt Magnetkräfte den Taster in seine Ausgangslage zurückführen, und zwar berührungslos, treten keinerlei mechanische Rei­ bungen mehr auf, welche die Rückführung ungünstig beeinflussen. Es ist ferner primär keinerlei Energiezu­ fuhr für die Rückführung des Tasters in seine Ausgangs­ lage erforderlich. Darüber hinaus verwendet eine derar­ tige Zentriereinrichtung nur einfache und preiswerte Teile.
Wie sich gezeigt hat, erhält man mit einer derartigen Magnetzentrierung auch eine gewünschte Kraft-Weg- Kennlinie für den messenden Tastkopf, wenn nur die Geometrie der sich gegenüberstehenden Pole von Ma­ gnet und Gegenpol sowie ihr Abstand entsprechend aufeinander, insbesondere auf ihre Linearität abge­ stimmt werden.
Ist eine Federparallelogrammaufhängung für den Ta­ ster vorgesehen, vorzugsweise eine Blattfederaufhän­ gung, dann übt die Zentriereinrichtung in der Ausfüh­ rung der Fig. 3 durch die magnetische Anziehungskraft bedingt einen Zug auf die Blattfedern aus. Diese Zug­ kraft läßt das Federparallelogramm bei äußerer Druck­ belastung erst später einknicken als üblich, das heißt, die Belastbarkeit durch äußere Kräfte und Momente wird größer, als es bisher der Fall war.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann einer der Magnete oder der Gegenpol von zwei um 90° ge­ geneinander verdrehten Federparallelogrammen getra­ gen sein, so daß eine Rückstellung des Tasters in zwei Koordinatenrichtungen gleichzeitig stattfindet. Die sich gegenüberstehenden Magnete oder der Magnet mit ge­ genüberstehendem ferromagnetischen Gegenpol sind bei dieser Ausbildung vorteilhaft zentral symmetrisch ausgebildet. Grundsätzlich genügt also für die Rückfüh­ rung des Tasters in zwei Koordinatenrichtungen eine einzige aus Pol und Gegenpol bestehende Magnetzen­ trierung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Magnet als Elektromagnet ausgebildet sein, und der ge­ genüberliegende ferromagnetische Körper als Gegen­ pol kann dann in axialer Richtung gegen den Druck einer Feder bewegbar gelagert sein, derart, daß die Kraft der Feder den ferromagnetischen Körper vom Elektromagneten wegzudrücken trachtet. Je nach Stär­ ke des Stromflusses durch die Wicklung des Elektroma­ gneten findet dann die Rückführung des Tasters in seine Ausgangslage statt, wenn die Feder einen Luftabstand zwischen den Polen erzwingt' oder aber der Gegenpol wird gegen die Wirkung der Feder vom Elektromagne­ ten so weit angezogen, daß er den gegenüberstehenden Pol des Elektromagneten berührt. Durch die Berührung wird der Taster dann in seiner Position sozusagen fest­ geklemmt.
Die Magnetzentrierung bietet bei dieser Ausführung eine äußerst einfache Klemmöglichkeit für den Taster, zum Beispiel beim schnellen Fahren des Tasters von einer Meßposition in die nächste.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze;
Fig. 2 die Kraft-Weg-Kennlinie;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel;
Fig. 5a, 5b ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Gemäß Fig. 1 ist ein Permanentmagnet (1) mit einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) vorgesehen. Dem Nordpol (N) steht unter Belassung eines Luftspaltes (37) ein ferromagnetischer Körper (2) mit seiner Fläche (2a) als Gegenpol gegenüber. Der Körper (2) trägt den Ta­ ster (3) (in Fig. 1 nicht dargestellt) und ist mit Hilfe einer Querführung (15) in Richtung des Pfeiles (8) beweglich. Die zwischen dem Nordpol (N) und dem Körper (2) verlaufenden Feldlinien bewirken, daß bei einer Bewe­ gung des Körpers (2) in Richtung des Pfeiles (8), also aus seiner Grundstellung heraus der Körper (2) stets in sei­ ne dargestellte Ausgangslage zurückgezogen wird.
Die Kraft-Weg-Kennlinie (F = Kraft, s = Weg) die­ ser Ausbildung ist in Fig. 2 dargestellt. Sie hat hinsicht­ lich ihres Anstieges im Bereich des Nullpunktes (0) weit­ gehend die übliche Form der Kraft-Weg-Kennlinie ei­ ner mit einem Federparallelogramm arbeitenden Zen­ triereinrichtung für die Rückführung des Tasters nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Aufhän­ gung des Tasters (3). Der Taster (3) ist an einem Körper (4) befestigt, der mit Hilfe von Blattfedern (5 und 6) an einem ortsfesten Teil (7) der Zentriereinrichtung befe­ stigt ist.
Zur koordinatenmäßigen Antastung des Meßpunktes auf dem Werkstück wird der Teil (7) in Richtung des Pfeiles (16) koordinatenmäßig verschoben. Beim Auf­ treffen der Tastkugel (3a) des Tasters (3) auf das auszu­ messende Werkstück (nicht dargestellt) wandert die Ku­ gel (3a) zum Beispiel in Richtung des Pfeiles (9) aufgrund der Federparallelogrammaufhängung des Tasters (3) aus. Der Körper (4) verschiebt sich hierbei mit Hilfe der Blattfedern (5, 6) parallel zum Körper (7). Wird der Tast­ kopf anschließend in eine Lage gefahren, in der keine Berührung der Kugel (3a) mit dem Werkstück mehr stattfindet, soll der Taster (3) wieder seine Ausgangslage (Nullage) einnehmen.
Gemäß Fig. 3 ist für die Rückführung des Tasters (3) in seine Ausgangslage der als Gegenpol zum Perma­ nentmagneten (1) dienende Körper (2) mit Hilfe von Verbindungsstücken (10) mit dem den Taster (3) tragen­ den Körper (4) verbunden. Das heißt, der Taster (3) kann sich mit dem Körper (4) in Richtung des Pfeiles (8) bewegen. Damit der Körper (2) und damit der Taster (3) in seine exakte Ausgangslage gefahren wird, ist der Nordpol (N) des Permanentmagneten (1) dem Gegen­ pol des Körpers (2) gegenübergestellt. Der Permanent­ magnet (1) ist hierzu über Verbindungsstücke (12) fest mit dem Teil (7) der Zentriereinrichtung verbunden.
Die sich gegenüberliegenden Flächen (13 und 14) des Permanentmagneten (1) und des Körpers (2) sind als parallel zueinander liegende Planflächen ausgebildet. Sie weisen zwischen sich den Luftspalt (37) auf. Die zwischen dem Nordpol (N) und dem Körper (2) verlau­ fenden Kraftlinien des Magnetfeldes bewirken, daß sich der Körper (2) nach einer seitlichen Auslenkung stets exakt in die Ausgangslage zurückbewegt und damit auch der mit dem Körper (2) verbundene Taster (3).
Der Taster gemäß der Fig. 3 ist durch die Aufhän­ gung an den Blattfedern (5, 6) nur in einer Koordinaten­ richtung auslenkbar.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung für die Auslenkung des Tasters in zwei senkrecht zueinander liegenden Koordi­ natenrichtungen (X und Y). An dem vom Tastkopf ge­ tragenen Teil (7) ist wiederum über Blattfedern (5, 6) der Körper (4) in der Zeichenebene in der X-Richtung aus­ lenkbar befestigt. Der Teil (4) trägt jetzt jedoch nicht unmittelbar den Taster (3), sondern des Taster (3) ist über ein weiteres um 90° zu dem Federparallelogramm (5, 6) verdrehtes Federparallelogramm (20, 21) auch in der Y-Richtung, das heißt senkrecht zur zeichenebene, bewegbar. Die Blattfedern (20, 21) sind einerseits am Körper (4) befestigt und andererseits an dem jetzt den Taster (3) tragenden Körper (22). Der Körper (22) ist damit in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene aus­ lenkbar.
Um nach einer Antastung eines Werkstückes (nicht dargestellt) den Taster (3) wieder in seine Ausgangslage zurückzuführen, trägt der Körper (22) den Permanent­ magneten (1). Dem Nordpol (N) des Permanentmagne­ ten (1) steht der Körper (2) mit seiner Fläche (2a) gegen­ über. Der Körper (2) ist bei dieser Ausbildung am Kör­ per (7) befestigt. Diese Befestigung ist nicht zwingend. Sie kann auch in umgekehrter Weise getroffen werden, das heißt derart, daß der Körper (2) und der Permanent­ magnet (1) gegeneinander vertauscht werden, bezie­ hungsweise daß zwei ähnliche Permanente gegenüber­ gestellt werden. Dies gilt auch für die Anordnung nach Fig. 3.
Bei der Ausbildung nach Fig. 4 wird durch die Anzie­ hungskraft zwischen dem Körper (2) und dem Nordpol (N) des Magneten (1) der Taster (3) in seine Ausgangsla­ ge zurückgefahren, ohne daß es einer weiteren Magnet­ anordnung bedarf. Vorteilhaft sind bei dieser Anwen­ dung der Körper (2) und der Permanentmagnet (1) zen­ tralsymmetrisch zur Achse (A-A) ausgebildet, um ein rotationssymmetrisches Magnetfeld zwischen dem Ma­ gneten (1) und dem Körper (2) zu erhalten.
Die Fig. 5a und 5b zeigen ein weiteres Ausführungs­ beispiel. Der Permanentmagnet (1) ist durch einen Elek­ tromagneten (30) ersetzt. Über die Leitungen (31) kann ein Strom durch eine Wicklung (32) des Elektromagne­ ten (30) fließen. Der Körper (2) mit seiner als Gegenpol dienenden Fläche (2a) ist in einer Führung (33) eines Körpers (35) angeordnet. Der Körper (35) trägt den Taster (3). Eine Feder (34) stützt sich einerseits an einem eingewinkelten Teil (33a) der Führung (33) ab und ande­ rerseits mit einem Teiler (36) des Körpers (2) in der Führung (33). Die Feder (34) bewirkt, daß sich die Flä­ chen (2a) des Körpers (2) und die Fläche (38a) des Ker­ nes (38) des Elektromagneten (30) mit Luftabstand ge­ genüberstehen.
Bei dieser Ausbildung ist es möglich, den für die Rückführung des Tasters in seine Ausgangslage not­ wendigen Luftspalt (37) zwischen dem Kern (38) und dem Körper (2) aufzuheben, indem man über die Lei­ tung (31) einen genügend starken Strom durch die Wicklung (32) um den Kern (38) des Elektromagneten (30) fließen läßt. In diesem Fall zieht der Elektromagnet (30) den Körper (2) in die Stellung (2b) (Fig. 5b), so daß sich die Flächen (40 und 41) des Elektromagneten (30) und des Körpers (2) berühren. Findet eine solche Berüh­ rung statt kann sich der Körper (2) zum Elektromagne­ ten (30) nicht mehr verschieben. Mit anderen Worten, er ist festgeklemmt und damit auch der Taster (3), was für das schnelle Anfahren eines neuen Meßpunktes vorteil­ haft ist.
Wird ein schwacher Strom durch die Wicklung (32) des Elektromagneten (30) geschickt, hält die Feder (34) den Körper (2) mit Luftabstand (37) zum Elektromagne­ ten (30), so daß dieser die Wirkung des Permanentma­ gneten (1) gemäß den Fig. 3 und 4 zeigt.
Wird überhaupt kein Strom durch die Wicklung (32) des Elektromagneten (30) geschickt, findet keine selbst­ tätige Rückführung des Tasters in die Ausgangslage statt.
Bezugszeichenliste
1
Permanentmagnet
2
ferromagnetischer Körper
2
a Fläche
2
b Stellung des Körpers (
2
)
3
Taster
3
a Tastkugel
4
Körper
5
Blattfeder
6
Blattfeder
5
,
6
Federparallelogramm
7
ortsfester Teil
8
Pfeil
9
Pfeil
10
Verbindungsstück
12
Verbindungsstück
13
,
14
Flächen
15
Querführung
16
Pfeil
20
Blattfeder
21
Blattfeder
20
,
21
Federparallelogramm
22
Körper
30
Elektromagnet
31
Leitung
32
Wicklung
30
,
32
Elektromagnet
33
Führung
33
a eingewinkelter Teil der Führung (
33
)
34
Feder
35
Körper
36
Teller
37
Luftspalt
38
Kern
38
a Fläche des Kernes
40
Fläche
41
Fläche
N Nordpol
S Südpol
F Kraft
s Weg
0 Nullpunkt
X X-Richtung
Y Y-Richtung
A-A Symmetrieachse

Claims (11)

1. Tastkopf vom messenden Typ für Koordinatenmeßgeräte mit einem den Taststift (3) tragenden Teil, das in minde­ stens einer Raumrichtung gegenüber einem ortsfesten Teil beweglich gelagert ist, bei dem der Tastkopf zur Zentrie­ rung und zur Erzeugung einer Rückstellkraft bei einer Aus­ lenkung des den Taststift (3) tragenden Teiles, die wenig­ stens in einem Bereich um den Nullpunkt herum proportional zur Auslenkung ist, einen ortsfest angeordneten ersten Ma­ gneten (1) aufweist sowie einen zweiten Magneten oder einen ferromagnetischen Körper (2), der mit dem Taststift (3) verbunden ist, derart, daß sich ein Pol des Magneten (1) und der zweite Magnet oder der ferromagnetische Körper (2) als Gegenpol unter Belassung eines Luftspaltes (37) gegen­ überstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnet oder der ferromagnetische Körper (2) zum er­ sten Magneten (1) seitlich ausweichbar gelagert ist, der­ art, daß der Luftspalt (37) eine wenigstens annähernd kon­ stante Dicke behält.
2. Tastkopf vom messenden Typ für Koordinatenmeßgeräte mit einem den Taststift (3) tragenden Teil, das in minde­ stens einer Raumrichtung gegenüber einem ortsfesten Teil beweglich gelagert ist, bei dem der Tastkopf zur Zentrie­ rung und zur Erzeugung einer Rückstellkraft bei einer Aus­ lenkung des den Taststift (3) tragenden Teiles, die wenig­ stens in einem Bereich um den Nullpunkt herum proportional zur Auslenkung ist, einen ortsfest angeordneten ferromagne­ tischen Körper aufweist sowie einen Magneten, der mit dem Taststift (3) verbunden ist, derart, daß sich ein Pol des Magneten und der ferromagnetische Körper als Gegenpol unter Belassung eines Luftspaltes gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet zum ferromagnetischen Körper seitlich ausweichbar gelagert ist, derart, daß der Luftspalt eine wenigstens annähernd konstante Dicke behält.
3. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (3) mit Hilfe wenigstens eines Federparallelogrammes (5, 6) mit dem ortsfesten Teil (7) des Tastkopf es verbunden ist.
4. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (3) mit Hilfe von zwei Federparallelogrammen (5, 6; 20, 21) mit dem ortsfesten Teil (7) des Tastkopfes verbunden ist und das eine Federparallelogramm (20, 21) gegen das andere Feder­ parallelogramm (5, 6) um 90° verdreht angeordnet ist.
5. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete oder der Magnet (1) und der ferromagnetische Körper (2) rotations­ symmetrisch ausgebildet sind.
6. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (1) als Elektromagnet (30) ausgebildet ist.
7. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Elektromagneten (30) als Gegenpol gegenüberstehende ferromagnetische Körper (2) gegen den Druck einer Feder (34) bis zur Berührung der ein­ ander gegenüberstehenden Pole (40, 41) des Elektromagneten (30) und des ferromagnetischen Körpers (2) bewegbar ist.
8. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Elektromagneten (30) gegenüberstehende ferromagnetische Körper (2) in einer Füh­ rung (33) angeordnet ist.
9. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberste­ henden Pole der Magnete oder des Magneten (1) und des fer­ romagnetischen Körpers (2) als plane Flächen (13, 14; 40, 41) ausgebildet sind, welche wenigstens annähernd parallel zueinanderliegend ausgerichtet sind.
10. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Linearführung für den auswandernden Magneten oder Gegenpol.
11. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung als Gleit-, Luft- oder Wälzlager ausgebildet ist.
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