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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Sitzreproduziersystem eines Tastkopfes, der in einer Koordinatenmeßmaschine
eingebaut ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Sitzreproduziersystem
eines Tastkopfes, der ein feststehendes Bauteil und ein bewegliches
Bauteil aufweist, wobei das Sitzreproduziersystem eine Verschiebung
des beweglichen Bauteils relativ zu dem feststehenden Bauteil ermöglicht,
wenn auf das bewegliche Bauteil eine äußere Kraft ausgeübt wird,
und eine Rückstellung
des beweglichen Bauteils in eine Ruheposition ermöglicht,
wenn die auf das bewegliche Bauteil ausgeübte Kraft aufhört.
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Ein Tastkopf wird in einer Koordinatenmeßmaschine
zur Feststellung eines Kontakts (einer Berührung) benutzt. Der Tastkopf
der Koordinatenmeßmaschine
ist in Richtung dreier Dimensionen bewegbar und berührt ein
Werkstück
auf einem feststehenden Tisch, und es wird ein Koordinatenwert der
jeweiligen Achsen (der jeweiligen Achsen in den Richtungen der drei
Dimensionen), wenn der Tastkopf das Werkstück berührt, als elektrischer Auslöser erfaßt, so daß Dimension
und Konfiguration des Werkstücks auf
der Basis des Koordinatenwertes gemessen wird. Die Position des
Tastkopfes kann daher als elektrisches Berührungssignal bei der Berührung von
Tastkopf und Werkstück
festgestellt werden.
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5 stellt
einen herkömmlichen
Tastkopf dar. Er hat einen Taststift 1, der an einem beweglichen
Bauteil 2 befestigt ist. Am distalen Ende des Taststiftes 1 ist
eine Kontaktkugel 4 vorgesehen. Am Umfang des beweglichen
Bauteils 2 ragen drei zylindrische Körper 3 in Abständen von
120° um
die Achse des Taststiftes 1 in einer zur Achse des Taststiftes 1 senkrechten
Ebene radial nach außen.
Dagegen hat das feststehende Bauteil 5 drei Paare zylindrischer
Körper 6 in
einer dem zylindrischen Körpern 3 des
beweglichen Bauteils 2 entsprechenden Position. Die zylindrischen
Körper 3 und 6 bilden
eine Sitzrepoduzierkomponente zur Begrenzung der relativen Position
des feststehenden Bauteils 5 und des beweglichen Bauteils 2 auf
eine Stelle.
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Bei dieser Anordnung wird das bewegliche Bauteil 2 durch
eine Vorbelastungskraft F eines (nicht dargestellten) Vorbelastungsbauteils
gegen das feststehende Bauteil 5 gedrückt, und das bewegliche Bauteil 2 zwangsweise
durch das Sitzreproduzierbauteil mit dem feststehenden Bauteil in
Kontakt gebracht. Wenn das Werkstück keine Druckkraft auf das
distale Ende des Taststiftes 1 ausübt, liegt das bewegliche Bauteil 2 an
sechs Kontaktpunkten am feststehenden Bauteil an. Mit anderen Worten,
jeder zylindrische Körper 3 des
beweglichen Bauteils 2 liegt jeweils an zwei Punkten jeweils
eines Paares zylindrischer Körper 6 an,
mithin gibt es insgesamt sechs Berührungspunkte. Das Sitzreproduziersystem
wird daher als Sitzreproduziersystem mit sechs Kontaktpunkten bezeichnet.
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Bei dem Sitzreproduziersystem mit
sechs Kontaktpunkten kann mithin die reproduzierte Position des
beweglichen Bauteils nach einer Wegbewegung auf nur eine Stelle
lo kalisiert werden. Mit anderen Worten, wenn man annimmt, daß der Taststift 1 parallel
zur Axialrichtung in die Ruheposition des Taststiftes 1 gebracht
wird, aber der Kontakt zwischen dem Sitzreproduzierbauteil auf seiten
des beweglichen Bauteils und des Sitzreproduzierbauteils auf seiten
des feststehenden Bauteils zu den jeweiligen Kontaktpunkten hin
beibehalten wird, dann kreuzen die Orte, die das distale Ende des
Taststiftes durchläuft,
die Achse des Taststiftes in der Ruheposition. Bei dieser Anordnung
kehrt der Taststift 1 nur durch Wiederherstellung des Kontakts
mit den jeweiligen Kontaktpunkten durch die Vorbelastungskraft F bei
der Rückbewegung
nach der Wegbewegung des beweglichen Bauteils 2 durch die
Druckkraft des Werkstücks
in eine einzige Ruheposition zurück,
so daß die
Ruheposition des Taststiftes 1 konstant gehalten werden
kann.
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Da die Position des beweglichen Bauteils
relativ zu dem feststehenden Bauteil durch das Sitzreproduziersystem
mit sechs Kontaktpunkten immer auf dieselbe Stelle eingestellt werden
kann, hat dieses Sitzreproduziersystem mit sechs Kontaktpunkten eine
hohe Antivibrationssteifigkeit. Ferner hat das Sitzreproduziersystem
mit sechs Kontaktpunkten unabhängig
von der Richtung der äußeren Druckkraft eine
hohe Sitzreproduzierfähigkeit
in einer verhältnismäßig groben
Einheit von beispielsweise 10.m.
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Das obige Sitzreproduziersystem mit
sechs Kontaktpunkten bewirkt jedoch einen Fehler ("Sitzverschiebungsfehler") in einer weiteren
feinen Einheit von beispielsweise 1.m, der bei einer Rückbewegung nach
dem Kontakt festgestellt und dadurch bewirkt wird, daß das Werkstück während der
Wegbewegung des beweglichen Bauteils, um eine Verschiebung relativ
zu dem feststehen den Bauteil zu bewirken, gegen das bewegliche Bauteil
drückt.
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Insbesondere wenn die Kontaktkugel 4 gemäß 6(A) das Werkstück W bei
dem herkömmlichen
Sitzreproduziersystem berührt,
bewegt sich der Taststift 1 nach links in der Figur, wie
es in 6(B) dargestellt
ist. Dabei tritt eine geringe Reaktionskraft zwischen dem beweglichen
Bauteil 2 und dem feststehenden Bauteil 5 auf,
so daß das
bewegliche Bauteil 2 etwas nach links in der Figur ausgelenkt
wird. Wenn das Werkstück
W und der Taststift 1, der mit dem beweglichen Bauteil 2 verbunden
ist, sich nicht mehr berühren,
wie es in 6(C) dargestellt
ist, führt
das bewegliche Bauteil 2 die Rückbewegung aufgrund der Vorbelastungskraft
F aus, wobei die axiale Position des beweglichen Bauteils 2 aufgrund
der erwähnten
Auslenkbewegung verschoben wird. Die Verschiebung beeinträchtigt unmittelbar
die Meßgenauigkeit
des Tastkopfes.
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Der Anmelder vorliegender Erfindung
hat ein Sitzreproduziersystem vorgeschlagen, das in der Lage ist,
eine Positionsverschiebung nach einer Rückbewegung gemäß
7 (europäische Patentanmeldung
0764827 A2 ) zu
korrigieren, wobei der Sitzreproduzierfehler durch ein piezoelektrisches Element
zur Administrierung der Richtung der Reibungskraft, die auf einen
Kontaktpunkt zwischen dem beweglichen Bauteil und dem feststehenden Bauteil
des Sitzreproduziersystems ausgeübt
wird, korrigiert wird.
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Das Sitzreproduziersystem hat ein
feststehendes Bauteil 11, ein bewegliches Bauteil 21 und
einen (nicht dargestellten) Vorbelastungskraftgenerator, der in
der Lage ist, eine Verschiebung des beweglichen Bauteils 21 re lativ
zum feststehenden Bauteil zuzulassen, wenn von außen eine
Kraft auf das bewegliche Bauteil ausgeübt wird, und in der Lage ist,
das bewegliche Bauteil 21 in eine Ruhelage zurückzubringen,
wenn die Kraft nicht auf das bewegliche Bauteil 21 ausgeübt wird.
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Das bewegliche Bauteil 21 hat
einen von diesem abstehenden Taststift 22 mit einer Kontaktkugel 24 zur
Kontaktierung des Werkstücks
und drei zylindrischen Körpern 23,
die in Abständen
von 120° radial
um die Achse des Taststiftes 22 herum abstehen, um mit
dem feststehenden Bauteil 11 in Kontakt gebracht zu werden.
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Der mittlere Teil des feststehenden
Bauteils 11 ist an einem (nicht dargestellten) Gehäuse des Tastkopfes
befestigt und mit drei Armen 12 versehen, die sich in Abständen von
120° um
die Achse des Taststiftes 22 herum radial erstrecken. An
einer oberen Oberfläche
eines Endes der betreffenden Arme 12 ist jeweils ein Paar
harter Kugeln 13 angeordnet.
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Ferner ist ein piezoelektrisches
Element 14 als Verschiebungsgenerator als ein inneres Teil
relativ zu den harten Kugeln 13 der jeweiligen Arme 12 vorgesehen,
wobei die piezoelektrischen Elemente radial etwa längs der
Achse des Taststiftes 22 streckbar sind.
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Wenn an die jeweiligen piezoelektrischen Elemente
eine Spannung angelegt wird, verschieben sich die jeweiligen piezoelektrischen
Elemente 14 synchron, so daß die jeweiligen harten Kugeln 13 sich
etwa in radialer Richtung um die Achse des Taststiftes 22 herum
verschieben. Dabei ist die Verschiebung bei der vorliegenden Anordnung
eine Art "statische" Verschiebung und
keine Vibra tion, bei der sich winzige Bewegungen der piezoelektrischen
Elemente wiederholen.
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Die Richtung der Reibungskraft in
den jeweiligen Kontaktpunkten zwischen dem zylindrischen Körper 23 und
der harten Kugel 13 wird durch die Verschiebung geradlinig
ausgerichtet, so daß die Sitzreproduktionsposition
so justiert werden kann, daß das
bewegliche Bauteil durch die Vorbelastungskraft zurückgestellt
wird.
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Bei der vorstehend beschriebenen
Einrichtung kann zwar die "axiale
Verschiebung", d.h.
der Sitzreproduzierungsverschiebungsfehler in axialer Richtung des
zylindrischen Körpers 22 wirksam
korrigiert werden, doch kann der "Fehler in Umfangsrichtung", d.h. der Sitzreproduzierungsverschiebungsfehler
in Umfangsrichtung um die Achse des Taststiftes 22 herum,
nicht hinreichend korrigiert werden.
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Insbesondere, wenn das bewegliche
Bauteil 21 gemäß 8(A) (von oben in 7 gesehen) und 8(B) (von der Seite her auf
die Achse des zylindrischen Körpers 23 gesehen)
die Rückbewegung
ausführt,
nachdem der Taststift 22 das Werkstück berührte, kann der zylindrische
Körper 23 in
Umfangsrichtung um die Achse des Taststiftes 22 herum verschoben
werden, so daß er
nur durch eine der harten Kugeln 13 abgestützt wird.
Wenn der zylindrische Körper 23 in
Richtung der Achse verschoben wird, während er in Umfangsrichtung
verschoben wird, gleitet der zylindrische Körper 23 in Axialrichtung, während er
die Verschiebung in Umfangsrichtung gemäß 8(C) bis 8(H) beibehält, so daß die Verschiebung
in Umfangsrichtung nicht hinreichend eliminiert werden kann.
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Es wird vermutet, daß obiges
Phänomen
dadurch verursacht wird, daß die
Wirkung der Vorbelastungskraft zur Eliminierung der Verschiebung
in Umfangsrichtung durch die Oberflächenverformungsenergie der
harten Kugeln 13 blockiert wird.
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Insbesondere wird eine winzige elastische Verformung
im Kontaktpunkt P1 zwischen dem zylindrischen Körper 23 als das Sitzreproduzierbauteil
auf der Seite des beweglichen Bauteils und der harten Kugel 13 als
das Sitzreproduzierbauteil auf der Seite des feststehenden Bauteils
sowohl auf der Seite des zylindrischen Körpers 23 als auch
der Seite der harten Kugel 13 bewirkt. Unmittelbar nachdem
der Taststift 22 nicht mehr mit dem Werkstück in Berührung steht
und das bewegliche Bauteil 21 die Rückstellbewegung ausführt, gibt
es eine Dispersion in der Richtung der elastischen Verformung in
den jeweiligen Kontaktpunkten P1a und P1b zwischen dem zylindrischen
Körper 23 als
das Sitzreproduzierbauteil auf der Seite des beweglichen Bauteils
und der harten Kugel 13 als das Sitzreproduzierbauteil
auf der Seite des feststehenden Bauteils und der auf den jeweiligen
Kontaktpunkt ausgeübten
Kraft. Obwohl geringfügig,
nimmt der elastisch verformte Teil eine relative Verschiebung des
beweglichen Bauteils 21 und des feststehenden Bauteils 11 auf,
so daß die
Rückstellbewegung
durch die Vorbelastungskraft blockiert wird.
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Wenn die Verschiebungsspannung synchron an
die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 14 angelegt wird,
bewegen sich die jeweiligen harten Kugeln 13 radial zur
Achse des Taststiftes 22 relativ zu ihrer Ruhelage vor
und zurück.
Mithin gleitet der zylindrische Körper 23 kurzzeitig
in Axialrichtung relativ zur harten Kugel 13. Und der Kontaktpunkt
am zylindrischen Körper 23 be wegt
sich der Reihe nach von P1a in 8(A) nach
P2 in 8(C), P3 in 8(E) und P4 in 8(G). Daher kann die Richtung
der elastischen Verformung an den Kontaktpunkten und die auf die
Kontaktpunkte ausgeübte
Kraft auf der Seite des zylindrischen Körpers 23 ausgeglichen
und mithin die axiale Verschiebung eliminiert werden.
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Wie jedoch die 8(B), 8(D), 8(F) und 8(H) zeigen, bleibt der Kontaktpunkt
P1B auf der harten Kugel 13 an derselben Stelle, und zwar
unabhängig von
der Verschiebung des zylindrischen Körpers 23, so daß die elastische
Verformung nicht ausgeglichen werden kann. Daher wirkt die Oberflächenverformungsenergie
zur Verhinderung der Rückstellung des
zylindrischen Körpers 23 in
Umfangsrichtung weiter auf den Kontaktpunkt P1B auf der Seite der harten
Kugel 13, was als Ursache dafür angesehen wird, daß die Umfangsverschiebung
nicht beseitigt wird. Da die Umfangsveruschiebung weiterhin bestehen
bleibt, kann die Sitzverschiebung nicht mit sehr hoher Genauigkeit
korrigiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Sitzreproduziersystem eines Tastkopfes anzugeben, das in der Lage
ist, einen Sitzverschiebungsfehler nach der Rückbewegung des beweglichen
Bauteils mit hoher Genauigkeit zu korrigieren.
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Die Erfindung besteht in einem Sitzreproduziersystem
eines Tastkopfes, das aufweist: ein feststehendes Bauteil, ein bewegliches
Bauteil mit einem Taststift; ein erstes Sitzreproduzierbauteil an
dem feststehenden Bauteil und ein zweites Sitzreproduzierbauteil
an dem beweglichen Bauteil, wobei das zweite Sitzreproduzierbauteil
das erste Sitzreproduzierbauteil an einem Kontakt punktpaar an drei
auseinanderliegenden Stellen berührt,
wobei das Sitzreproduziersystem eines Tastkopfes eine Verschiebung
des beweglichen Bauteils relativ zu dem feststehenden Bauteil ermöglicht,
wenn auf den Taststift eine äußere Kraft
ausgeübt
wird, und eine Rückstellung
des beweglichen Bauteils in eine Ruheposition ermöglicht,
wenn die äußere Kraft
nicht aufgrund einer Vorbelastungskraft auf den Taststift ausgeübt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das
erste und das zweite Sitzreproduzierbbauteil so geformt sind, daß sich die
Kontaktpunkte an dem feststehenden Bauteil und die Kontaktpunkte
an dem beweglichen Bauteil während
einer relativen gleitenden Verschiebung der Bauteile während der
Rückkehr
des beweglichen Bauteils in die Ruheposition um wenigstens einen
vorbestimmten Weg ändern.
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Erfindungsgemäß ändern der Kontaktpunkt an dem
feststehenden Bauteil und der Kontaktpunkt an dem beweglichen Bauteil
während
der Rückstellbewegung
des beweglichen Bauteils ihre Position. Daher behält weder
der Kontaktpunkt an dem feststehenden Bauteil noch der Kontaktpunkt
an dem beweglichen Bauteil seine elastische Verformung während der
Verschiebung bei, im Gegensatz zu der herkömmlichen Anordnung, so daß die Oberflächenverformungsenergie
durch die elastische Verformung durch die Verschiebung eliminiert
wird. Daher wirkt keine Kraft zur Verhinderung der Rückstellung
in die Ruheposition auf einen der Kontaktpunkte am feststehenden
Bauteil und dem beweglichen Bauteil, so daß der Verschiebungsfehler bei
der Sitzreproduktion wirksam korrigiert werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sitzreproduziersystem
eines Tastkopfes kann der vorbestimmte Weg größer als die hertzsche elastische
Verformung sein, die an den Berüh rungspunkten
auf dem feststehenden Bauteil und dem beweglichen Bauteil bewirkt wird.
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Da der Bewegungsbetrag an den Kontaktpunkten
auf dem feststehenden Bauteil und dem beweglichen Bauteil die hertzsche
elastische Verformung überschreitet,
kann die Oberflächenverformungsenergie
hinreichend durch elastische Verformung beseitigt werden, so daß eine wirksame
Verschiebungskorrektur möglich
ist.
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Bei obiger Anordnung kann der Kontaktpunktverschieber
vorzugsweise aufweisen: eine gekrümmte Oberfläche auf dem einen der beiden
Sitzreproduzierbauteile; eine geneigte Oberfläche auf dem anderen der beiden
Sitzreproduzierbauteile, wobei die geneigte Oberfläche relativ
zu einer Radialrichtung zu einer Achse des Taststiftes geneigt ist; und
eine Antriebsquelle zur Relativverschiebung des ersten Sitzreproduzierbauteils
und des zweiten Sitzreproduzierbauteils.
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Bei dieser Anordnung kann die Position
beider Kontaktteile auf dem beweglichen Bauteil und dem feststehenden
Bauteil durch eine einzige Antriebsquelle geändert werden. Daher kann der
Aufbau des Sitzreproduziersystems vereinfacht werden.
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Vorzugsweise ist das eine der beiden
Sitzreproduzierbauteile ein Paar harte Kugeln und das andere ein
zylindrischer Körper
mit einem konischen äußeren Umfang.
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Alternativ kann das eine der beiden
Sitzreproduzierbauteile ein Paar zylindrischer Körper in V-förmiger Anordnung und das andere
ein zylindrischer Körper
mit konischem äußeren Umfang
sein.
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Als weitere Alternative kann das
eine der beiden Sitzreproduzierbauteile eine harte Kugel und das andere
eine V-förmige
Nut mit einer relativ zur Radialrichtung der Achse des Taststiftes
geneigten Schnittfläche
sein.
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Bei obiger Konfiguration kann der
erfindungsgemäße Effekt
nur durch Änderung
eines Teils eines Bauteils des herkömmlichen Sitzreproduziersystems
erzielt werden. Daher können
herkömmliche Herstellungseinrichtungen,
Fertigungsteile und Herstellungsverfahren bei der Herstellung des
erfindungsgemäßen Erzeugnisses
benutzt bzw. angewandt werden, so daß wesentlich höhere Herstellungskosten
vermieden werden. Ferner kann ein Bauteil auf einfache Weise mit
hoher Genauigkeit hergestellt werden, so daß es einfach ist, den erfindungsgemäßen Effekt
zu realisieren.
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Bei dem obigen System enthält der Kontaktpunktverschieber
vorzugsweise einen Verschiebungsgenerator zur relativen Verschiebung
des ersten Sitzreproduzierbauteils und des zweiten Sitzreproduzierbauteils
auf jeweiligen Berührungspunkten zwischen
dem ersten Sitzreproduzierbauteil und dem zweiten Sitzreproduzierbauteil
unter Aufrechterhaltung der Berührung
zwischen dem beweglichen Bauteil und dem feststehenden Bauteil,
nachdem die äußere Kraft
nicht mehr auf das bewegliche Bauteil ausgeübt wird, um schließlich das
bewegliche Bauteil in die Ruheposition zurückzubringen, wobei der Verschiebungsgenerator
auch als Antriebsquelle dient.
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Bei vorliegender Erfindung kann die
Verschiebung in Umfangsrichtung während der Rückbewegung selbst ohne Verschiebungsgenerator
durch Änderungen
der Positionen beider Kontaktpunkte auf dem feststehenden Bauteil
und dem beweglichen Bauteil, beispielsweise während einer winzigen Gleitverschiebung
bei der Rückstellung
des beweglichen Bauteils in die Ruhelage korrigiert werden. In diesem Fall
ist die Antriebsquelle ein Mechanismus zur Rückstellung des beweglichen
Bauteils in eine Anfangslage.
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Ferner kann wenigstens eines der
beiden Sitzreproduzierbauteile gedreht werden, um die Positionen
der Kontaktpunkte sowohl auf dem feststehenden Bauteil als auch
dem beweglichen Bauteil ohne Relativverschiebung des feststehenden
und des beweglichen Bauteils zu ändern.
In diesem Fall dient der Drehmechanismus als Antriebsquelle.
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Wenn der Verschiebungsgenerator jedoch vorgesehen
ist, um eine Relativverschiebung des feststehenden und des beweglichen
Bauteils nach ihrer Rückbewegung
zu bewirken, kann die Verschiebung in Umfangsrichtung durch einen
einfachen Aufbau mit hoher Genauigkeit korrigiert werden.
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Hierbei ist vorzugsweise dafür gesorgt,
daß der
Verschiebungsgenerator das jeweilige feststehende und das jeweilige
bewegliche Bauteil nur in einer einzigen Richtung verschiebt.
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Obwohl die vorstehend beschriebene
Erfindung mittels piezoelektrischer Elemente zur Verschiebung in
einer Vielzahl verschiedener Richtungen realisiert werden kann,
kann der Aufbau kompliziert sein. Bei obiger Anordnung kann der
Effekt der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, daß nur ein
Verschiebungsgenerator für
jede Kombination aus feststehendem und beweglichem Bauteil vorgesehen
wird. Daher kann der Aufbau des Sitzreproduziersystems vereinfacht
werden, ohne seine Herstellungskosten wesentlich zu erhöhen.
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In den beiliegenden Zeichnungen stellen
dar:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzreproduziersystems
für einen
Tastkopf,
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2(A) bis (H) Darstellungen zur Veranschaulichung
eines Effekts der ersten Ausführungsform,
wobei (A), (C), (E) und (G) Darstellungen
der relativen Verschiebung eines zylindrischen Körpers 44 und einer
harten Kugel 34, von dem beweglichen Bauteil aus gesehen,
und (B), (D), (F) und (H) Endansichten
von Querschnitten senkrecht zur Verschiebungsrichtung sind, wobei
der Querschnitt den zylindrischen Körper 44, die harte
Kugel 34 und deren Kontaktpunkt aufweist;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzreproduziersystems
eines Tastkopfes;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzreproduziersystems
eines Tastkopfes;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Sitzreproduziersystems
eines Tastkopfes;
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6 eine
Darstellung zur Veranschaulichung des bei dem herkömmlichen
Sitzreproduziersystem eines Tastkopfes auftretenden Problems,
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7 eine
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Sitzreproduziersystems
mit einem Verschiebungsgenerator und
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8(A) bis (H) Darstellungen eines Problems, das bei
dem herkömmlichen
Sitzreproduziersystem mit dem Verschiebungsgenerator auftritt, wobei (A), (C), (E) und (G) Darstellungen
der relativen Verschiebung des zylindrischen Körpers 23 und der harten
Kugel 13, von dem beweglichen Bauteil aus gesehen, und (B), (D), (F) und (H) Endansichten von Querschnitten
senkrecht zur Verschiebungsrichtung sind, wobei der Querschnitt
den zylindrischen Körper 23,
die harte Kugel 13 und deren Kontaktpunkt aufweist.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Dabei sind bei den jeweiligen Ausführungsformen die gleichen Bezugszahlen an
den gleichen Bauteilen angebracht, um deren Beschreibung zu erübrigen oder
zu vereinfachen.
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[Erste Ausführungsform]
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1 stellt
eine erste Ausführungsform
der Erfindung dar. Der Tastkopf 10 der ersten Ausführungsform
weist ein feststehendes Bauteil 31, ein bewegliches Bauteil 41 mit
einem Taststift 42 und ein Sitzreproduziersystem
10A zwischen
dem feststehenden Bauteil 31 und dem beweglichen Bauteil 41 auf.
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Das feststehende Bauteil 31 hat
einen Basisteil mit einem durchgehenden Loch 35 zur Durchführung des
Taststiftes 42 und drei Tragarme 32, die sich von
dem Basisteil radial zur Taststiftachse in Abständen von 120° erstrecken.
Auf jedem Tragarm 32 ist jeweils ein Paar harte Kugeln 34 neben
dessen distalen Ende und ferner ein piezoelektrisches Element 33 zum
Ausdehnen und Zusammenziehen des Tragarms durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zwischen den harten Kugeln 34 und dem Basisteil vorgesehen.
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Die harte Kugel 34 bildet
ein Sitzreproduzierbauteil auf seiten des feststehenden Bauteils
und das piezoelektrische Element 33 einen erfindungsgemäßen Verschiebungsgenerator.
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Am freien Ende des Taststiftes 42 ist
eine Kontaktkugel 43 vorgesehen, die mit dem Werkstück in Kontakt
gebracht werden soll. Ferner hat das bewegliche Bauteil 41 drei
zylindrische Körper 44,
die sich radial zur Achse des Taststiftes 42 in Abständen von
120° erstrecken
und einen äußeren Umfang
mit einem sich auf einen Durchmesser verringernden Ende aufweisen,
der kleiner als der am basisseitigen Ende ist, wobei das zugespitzte
Ende eine Position einnimmt, die der Mitte der Basis des Paares
aus harten Kugeln 34 entspricht. Der zylindrische Körper 44 bildet
ein erfindungsgemäßes Sitzreproduzierbauteil auf
seiten des beweglichen Bauteils.
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Wenn die Kontaktkugel 43 bei
obiger Anordnung mit dem Werkstück
außer
Kontakt kommt und das bewegliche Bauteil 41 eine Rückstellbewegung ausführt, stellt
das be wegliche Bauteil 41 durch eine Vorbelastungskraft
wieder den Kontakt mit dem feststehenden Bauteil her. Bei dieser
Kontakt- und Rückstellbewegung
gleiten die zylindrischen Körper 44 jeweils
in einer Richtung, die annähernd
entgegengesetzt zu dem Kontaktpunkt mit dem Werkstück relativ zu
den jeweiligen harten Kugeln 34 ist, um verschoben zu werden.
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Da die zylindrischen Körper 44 jedoch
eine schräge
Oberfläche
haben, verschieben die Kontaktpunkte sowohl am zylindrischen Körper 44 als
auch an der jeweiligen harten Kugel 34 ihre Lage. Daher wird
die durch die Vorbelastungskraft bewirkte Rückstellung mit geringerer Wahrscheinlichkeit
durch die elastische Verformung der jeweiligen Kontaktpunkte behindert,
so daß die
Umfangsverschiebung mit hoher Genauigkeit verhindert wird.
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Nach dieser Rückstellbewegung wird eine Verschiebungsspannung
jeweils an die piezoelektrischen Elemente 33 angelegt,
um eine Verschiebungsbewegung synchron auszuführen.
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Wenn die Verschiebungsspannung angelegt wird,
verschieben sich die piezoelektrischen Elemente annähernd radial
zur Achse des Taststiftes 42. Dabei überschreitet die Verschiebung
die hertzsche elastische Verformung. Mit "Verschiebung" wird hier eine statische Verschiebung
und keine "Vibration" bezeichnet, bei
der eine winzige Bewegung durch das piezoelektrische Element wiederholt
wird.
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Bei dieser Verschiebung verschieben
sich auch die harten Kugeln 34 jeweils in Verschiebungsrichtung
des piezoelektrischen Elements, so daß sie eine relative Gleitbewegung
der entsprechenden zylindrischen Körper
44 bewirken.
Die betreffende harte Kugel 34 und der betreffende zylindrische
Körper 44 werden
durch die Gleitbewegung relativ zueinander verschoben, wie es in 2 dargestellt ist.
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Insbesondere wird die Umfangsverschiebung,
wie 2(A) zeigt, unmittelbar
vor dem Anlegen der Verschiebungsspannung an die jeweiligen piezoelektrischen
Elemente 33 bewirkt, und der zylindrische Körper 44 nur
durch ein Paar harte Kugeln 34 (rechte Seite in der Figur)
abgestützt.
In diesem Augenblick stehen gemäß 2(B) der zylindrische Körper 44 und
eine der harten Kugeln 34 im Kontaktpunkt P1 miteinander
in Berührung.
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Wenn die Verschiebungsspannung an
die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 33 angelegt wird
und die piezoelektrischen Elemente 33 verformt werden,
so daß sie
sich vom Basisteil des feststehenden Bauteils 31 weg zu
den harten Kugeln 34 ausdehnen, zieht sich der zylindrische
Körper 44 relativ zu
den harten Kugeln 34 in radialer Richtung zur Achse des
Taststiftes zurück.
Dabei bewegt sich der Kontaktpunkt an der Seite des zylindrischen
Körpers 44 durch
die relative Rückzugsbewegung
des zylindrischen Körpers 44 von
P1 nach P2 in der Figur. Ferner bewegt sich nach 2(D) der Kontaktpunkt P1 auf der Seite
der harten Kugel 34 auch nach P3. Dies deshalb, weil die
schräge
Oberfläche
des zylindrischen Körpers 44 aufgrund
der auf das bewegliche Bauteil 41 ausgeübten Vorbelastungskraft in
Umfangsrichtung (Richtung D in der Figur) gleitet. Dabei können die
andere harte Kugel 34 (links in der Figur) und der zylindrische
Körper 44 entsprechend
der Größe der anfänglichen
Umfangsverschiebung nicht miteinander in Berührung stehen.
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Wenn sich die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 33 danach
verformen, so daß sie
sich von der harten Kugel 34 aus zum Basisteil des feststehenden
Bauteils 31 hin zusammenziehen, verschiebt sich der zylindrische
Körper 44 in
radialer Richtung zur Achse des Taststiftes relativ zu der harten
Kugel 34. Dabei gleitet die schräge Oberfläche des zylindrischen Körpers 44 durch
die auf das bewegliche Bauteil 41 ausgeübte Vorbelastungskraft weiter
in Richtung D, so daß der
zylindrische Körper 44 und
das Paar Hartkugeln 34 einander berühren und sich der Kontaktpunkt
auf dem zylindrischen Körper 44 von P2
nach P4 in der Figur durch die relative Rückzugsbewegung des zylindrischen
Körpers 44 bewegt.
Ferner bewegt sich gemäß 2(F) auch der Kontaktpunkt
P3 auf der harten Kugel 34 nach P5.
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Wenn dann die Verschiebungsspannung nicht
mehr angelegt wird und der zylindrische Körper 44 und die harte
Kugel 34 stillstehen, bleiben der zylindrische Körper 44 und
die harte Kugel 34 an zwei Punkten in Kontakt, wie es in 2(G) und 2(H) dargestellt ist.
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Bei dieser Ausführungsform ändert der Kontaktpunkt sowohl
auf dem zylindrischen Körper 44 als auch
auf der harten Kugel 34 jeweils seine Position entsprechend
der relativen Gleitbewegung des zylindrischen Körpers 44 und der harten
Kugel 34 durch das piezoelektrische Element 33.
Die elastische Verformung am Kontaktpunkt des zylindrischen Körpers 44 mit
der harten Kugel 34 hindert den zylindrischen Körper 44 daher
nicht an einer Gleitbewegung sowohl in Umfangsrichtung als auch
in Axialrichtung. Daher kann ein Verschiebungsfehler bei der Sitzreproduzierung
durch die durch das piezoelektrische Element 33 bewirkte
Verschiebung mit hoher Genauigkeit korrigiert werden.
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Da der zylindrische Körper 44 ferner
eine schräge
Oberfläche
hat, die sich zum einen Ende hin von der Basis weg verjüngt, bewegt
sich der zylindrische Körper 44 während der
relativen Gleitbewegung durch das piezoelektrische Element 33 in
Richtung einer Korrektur der Umgangsverschiebung in Abhängigkeit
von der Vorbelastungskraft. Ferner ist eine weitere genaue Korrektur
des bei der Sitzreproduzierung bewirkten Verschiebungsfehlers durch
Anwendung eines piezoelektrischen Elements 33 möglich, das
eine Verschiebung in nur einer Richtung bewirken kann. Da ferner
die gleiche Anordnung wie bei den herkömmlichen Erzeugnissen, bis
auf den zylindrischen Körper 44,
benutzt werden kann, kann das Herstellungsverfahren und die Herstellungseinrichtung
auch zur Herstellung des vorliegenden Erzeugnisses angewandt werden,
so daß die
Herstellungskosten nicht erhöht
werden.
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[Zweite Ausführungsform]
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3 stellt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Diese Ausführungsform unterscheidet sich
von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform darin, daß ein sich
umgekehrt verjüngender
zylindrischer Körper 45 mit
umgekehrt schräger
Oberfläche,
die ein dickeres distales Ende als das Basisende aufweist, als Sitzreproduzierbauteil
auf leiten des beweglichen Bauteils anstelle des zylindrischen Körpers 44 der
ersten Ausführungsform
benutzt wird.
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Bei vorliegende Ausführungsform
bewegt sich ebenfalls der Kontaktpunkt sowohl an dem sich umgekehrt
verjüngenden
zylindrischen Körper 45 als auch
an der harten Kugel 34 unter Änderung seiner Position am
betreffenden Bauteil aufgrund der äußeren sich am Umfang verjüngenden
Oberfläche
des umgekehrt verjüngten
zylindrischen Körpers 45 als Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des beweglichen Bauteils.
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Daher kann der gleiche Effekt wie
bei der ersten Ausführungsform
erzielt werden.
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[Dritte Ausführungsform]
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4 stellt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform wird eine einzige
harte Kugel 47 an einer Oberfläche des beweglichen Bauteils,
die dem feststehenden Bauteil zugekehrt ist, als Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des beweglichen Bauteils benutzt.
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Auf seiten des feststehenden Bauteils
wird eine V-förmige
Nut 36 in einem Vorsprung, der vom distalen Ende des Tragarms 32 absteht
und eine relativ zur Richtung der Verschiebung durch das piezoelektrische
Element 33 schräg
zugeschnittene Oberfläche
aufweist, als Sitzreproduzierbauteil benutzt.
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Da bei dieser Ausführungsform
die zugeschnittene Oberfläche
der V-förmigen
Nut 36 radial zur Achse des Taststiftes 42 geneigt
ist, ändern
die Kontaktpunkte an der harten Kugel 47 und der V-förmigen Nut 36 jeweils
ihre Lage.
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Daher wird die Kraft zur Verhinderung
der Korrektur des Sitzreproduzier-Verschiebungsfehlers des beweglichen
Bauteils nicht durch die elastische Verformung an den jeweiligen
Kontaktpunkten erzeugt, so daß der
Fehler mit hoher Genauigkeit korrigiert werden kann.
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Da ferner die V-förmige Nut 36 eine
sich zur Richtung der Verschiebung durch das piezoelektrische Element 33 geneigt
zugeschnittene Oberfläche hat,
bewegt sich die harte Kugel 47 zur Korrektur der Umfangsverschiebung
durch die Vorbelastungskraft während
der relativen Gleitbewegung durch das piezoelektrische Element 33.
Daher ist eine weitere genaue Korrektur des Sitzreproduzierungs-Verschiebungsfehlers
durch Verwendung des piezoelektrischen Elements 33 möglich, das
sich nur in einer Richtung verschiebt.
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[Abwandlungen]
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Der Schutzumfang der Erfindung ist
nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern
umfaßt
auch folgende Abwandlungen, sofern die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe gelöst
wird.
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Die Konfiguration des erfindungsgemäßen beweglichen
Bauteils ist nicht auf die der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
beschränkt,
sondern kann auch eine Scheibe mit einem Durchmesser, der gleich
der Länge
oder größer als
die Länge des
Tragarms des feststehenden Bauteils 31 ist, oder ein Polygon,
z.B. ein Dreieck, sein. Ferner ist die Konfiguration des feststehenden
Bauteils 31 nicht auf die Ausbildung als kleines Basisteil
mit Tragarmen beschränkt,
sondern kann auch ein Polygon, z.B. ein Dreieck, mit einem durchgehenden
Loch in der Mitte sein. Kurz gesagt, ist jede Konfiguration des
feststehenden Bauteils und des beweglichen Bauteils möglich, sofern
das Sitzreproduzierbauteil an dem beweglichen Bauteil so abgestützt wird,
daß es
dem Sitzreproduzierbauteil an dem feststehenden Bauteil entspricht.
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Obwohl ein Paar harte Kugeln für das Reproduzierbauteil
auf seiten des feststehenden Bauteils bei der ersten und der zweiten
Ausführungsform
benutzt wird, kann statt dessen auch ein Zylinderpaar benutzt werden,
das in V-Form angeordnet ist. Obwohl bei der dritten Ausführungsform
die harte Kugel 47 als Sitzreproduzierbauteil auf seiten
des beweglichen Bauteils und die V-förmige
Nut 36 als Sitzreproduzierbauteil auf seiten des feststehenden
Bauteils benutzt wird, kann die Kombination aus Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des beweglichen Bauteils und Sitzreproduzierbauteil auf
seiten des feststehenden Bauteils ein Paar harte Kugeln und ein
Vorsprung mit einem beispielsweise V-förmigen Querschnitt sein. Alternativ
kann die Kombination aus Sitzreproduzierbauteil auf seiten des beweglichen
Bauteils und Sitzreproduzierbauteil auf seiten des feststehenden
Bauteils nur eine harte Kugel und eine keilförmige Nut mit einer sich in
Richtung zur Vorbelastungskraft hin mit zunehmenden Abstand von
der Achse des Taststiftes neigenden Grundlinie sein.
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Kurz gesagt, der Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung umfaßt
alle Anordnungen, bei denen sowohl die Position des Kontaktpunkts
auf seiten des feststehenden Bauteils als auch die Position des Kontaktpunkts
auf seiten des beweglichen Bauteils sich jeweils während der
Relativverschiebung von feststehendem und beweglichem Bauteil ändert.
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Bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
wird ein Verschiebungsgenerator mit einem piezoelektrischen Element
zur Verschiebung in annähernd
radialer Richtung relativ zur Achse des Taststiftes als Antriebsquelle
benutzt. Die erfindungsgemäße Antriebsquelle
ist jedoch nicht auf den Verschiebungsgenerator beschränkt. Beispielsweise kann
der die gleitende Bewegung während
der Rückstellbewegung
des beweglichen Bauteils nach der Kontaktierung des Werkstücks als
Antriebsquelle oder alternativ ein rotierender Mechanismus zur Drehung
des Sitzreproduzierbauteils auf seiten des beweglichen Bauteils
und als Sitzreproduzierbauteil auf seiten des feststehenden Bauteils
ohne Verschiebung benutzt werden.
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Ferner ist der erfindungsgemäße Verschiebungsgenerator
nicht auf das piezoelektrische Element beschränkt. Beispielsweise kann eine
Erregungsspule oder alternativ ein anderes Antriebsmittel, z.B.
ein elektrostatischer, ein Luftdruck- oder ein Hydraulikdruck-Mechanismus
benutzt werden.
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Ferner ist die Verschiebungsrichtung
nicht auf die annähernd
radiale Richtung relativ zur Achse des Taststiftes beschränkt, sondern
sie kann auch eine Richtung senkrecht zu einer parallelen Linie
zur Taststiftachse sein. Beispielsweise kann der Verschiebungsgenerator
zwischen dem Hartkugelpaar bei der ersten Ausführungsform angeordnet sein. Obwohl
ferner ein Verschiebungsgenerator bei jeder Kombination aus Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des beweglichen Bauteils und Sitzreproduzierbauteil auf
seiten des feststehenden Bauteils benutzt wird, kann auch eine Vielzahl
von Verschiebungsgeneratoren bei jeder Kombination benutzt werden.
Obwohl ferner der Verschiebungsgenerator auf seiten des feststehenden
Bauteils vorgesehen ist, kann er auch auf seiten des beweglichen
Bauteils vorgesehen sein.
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Mit anderen Worten, es ist jede Anordnung als
Verschiebungsgenerator möglich,
sofern eine relative Verschie bung zwischen dem Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des beweglichen Bauteils und dem Sitzreproduzierbauteil
auf seiten des feststehenden Bauteils bewirkt werden kann.