DE9320426U1 - Multi-coordinate probe - Google Patents

Multi-coordinate probe

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 27. Juli 1993DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 27 July 1993

Mehrkoordinaten-TastkopfMulti-coordinate probe

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Aus diversen Druckschriften sind Mehrkoordinaten-Tastköpfe bekannt. Alle verfügen über Sensoren, die bei Antastung eines Objektes ein Antastsignal liefern. Die Art der Sensoren ist unterschiedlich: Es können beispielsweise elektrische Schalter sein, oder lichtelektrische Meßsysteme oder auch Abstandssensoren. Derartige Ausführungsformen finden sich in DE- 23 47 633-C3; DE- 35 08 396-Cl;
EP- 0 361 164-Al.The invention relates to a multi-coordinate probe head according to the preamble of claim 1. Multi-coordinate probe heads are known from various publications. All of them have sensors that provide a probe signal when an object is probed. The type of sensors varies: they can be, for example, electrical switches, or photoelectric measuring systems or even distance sensors. Such embodiments can be found in DE- 23 47 633-C3; DE- 35 08 396-Cl;
EP-0 361 164-Al.

Bei Antastung von Objekten mittels eines derartigen Mehrkoordinaten-Tastkopfes wird ein das Objekt berührender Taststift ausgelenkt, der an seinem freien Ende eine Tastkugel trägt. Die Bauart der Sensoren bedingt es, daß die Generierung eines Antastsignales nach mehr oder weniger Auslenkung des Taststiftes ausgelöst wird.When objects are probed using such a multi-coordinate probe, a stylus that touches the object is deflected and has a probe ball at its free end. The design of the sensors means that the generation of a probe signal is triggered after more or less deflection of the stylus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkoordinaten-Tastkopf zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, eine hohe Meßgenauigkeit und eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist, was eine besondere Ausgestaltung der elastischen Aufhängung erfordert.The invention is based on the object of creating a multi-coordinate probe which is simply constructed, has a high measurement accuracy and a high response sensitivity, which requires a special design of the elastic suspension.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
10This object is solved by the features of claim 1.
10

Durch die Merkmale der Unteransprüche wird ein erfindungsgemäßer Mehrkoordinaten-Tastkopf vorteilhaft ausgestaltet.A multi-coordinate probe according to the invention is advantageously designed by the features of the subclaims.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Mehrkoordinaten-Tastköpfe liegen darin, daß bereits geringste Antastkräfte eine Auslösung eines Meßsignales bewirken, welches ein Schaltsignal, aber auch ein Meßwert bildendes Signal sein kann. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß in axialer Richtung ein großer Hub möglicht ist.The advantages of the multi-coordinate probes according to the invention are that even the smallest contact forces trigger a measurement signal, which can be a switching signal or a signal that generates a measured value. It is particularly advantageous that a large stroke is possible in the axial direction.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung durch mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.
25The invention is explained in more detail by means of several embodiments with reference to the drawings.
25

Es zeigtIt shows

Figur 1 einen Mehrkoordinaten-TastkopfFigure 1 a multi-coordinate probe

im Querschnitt;
30in cross section;
30

Figur la eine stark vereinfachte Draufsicht auf den inneren Aufbau undFigure la is a highly simplified plan view of the internal structure and

Figur 2 eine Variante.
35Figure 2 shows a variant.
35

Ein in Figur 1 dargestellter Mehrkoordinaten-Tastkopf 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches mit Hilfe eines Schaftes 3 in eine Maschine eingespannt werden kann. Aus dem Gehäuse 2 ragt auf der dem Schaft 3 gegenüberliegenden Seite ein Taststift 4 heraus, der an seinem freien Ende eine Tastkugel 5 trägt. Der Taststift 4 ist über ein mit ihm verbundenes Federelement 6 im Gehäuse 2 gelagert. Die Lagerung im Gehäuse 2 erfolgt mittels dieses elastischen Federelementes 6, welches in diesem Fall aus kreuzförmigen Blattfedern 7 besteht, die ihrerseits mit dem Gehäuse 2 verbunden sind. Ein Balg 12 schließt das zur Taststiftseite offene Gehäuse 2 dichtend ab.A multi-coordinate probe head 1 shown in Figure 1 has a housing 2 which can be clamped into a machine using a shaft 3. A stylus 4 protrudes from the housing 2 on the side opposite the shaft 3 and has a stylus ball 5 at its free end. The stylus 4 is mounted in the housing 2 via a spring element 6 connected to it. The mounting in the housing 2 is carried out by means of this elastic spring element 6, which in this case consists of cross-shaped leaf springs 7, which in turn are connected to the housing 2. A bellows 12 seals off the housing 2, which is open on the stylus side.

Die vorbeschriebene Anordnung ist in der schematischen Draufsicht in Figur la erkennbar, aus der auch die vierfache Anordnung der Sensoren 13 ersichtlich ist. Das sich in axialer Richtung erstreckende Federteil 7a erlaubt eine Längenzunahme, die eine Membrane - wie sie etwa aus dem Stand der Technik bekannt ist - zerstören würde. Außerdem ergibt sich eine gewisse Nachgiebigkeit in den beiden anderen Koordinaten Richtungen.The arrangement described above can be seen in the schematic plan view in Figure 1a, from which the fourfold arrangement of the sensors 13 can also be seen. The spring part 7a extending in the axial direction allows an increase in length that would destroy a membrane - as is known from the prior art. In addition, a certain flexibility results in the other two coordinate directions.

Durch entsprechende Wahl der Gestaltparameter und des Abstandes der Blattfedern 7 kann der Mehrkoordinaten-Tastkopf 1 mit gleicher Kennlinie für die Antastkraft, auch Steifigkeit genannt, in den Koordinaten-Richtungen X, Y und Z ausgerüstet werden.By appropriately selecting the design parameters and the distance between the leaf springs 7, the multi-coordinate probe head 1 can be equipped with the same characteristic curve for the contact force, also called stiffness, in the coordinate directions X, Y and Z.

Zwischen den Armen der kreuzförmigen Blattfedern 7 werden Meßaufnehmer als Sensoren 13 angeordnet. Bei einer Antastkraft in x- oder y-Richtung an der Tastkugel 5 ergibt sich eine Kippbewegung des Taststiftes 4 mit dem Pol in P. Durch P und senkrechtBetween the arms of the cross-shaped leaf springs 7, measuring sensors 13 are arranged. When a contact force is applied in the x or y direction on the probe ball 5, a tilting movement of the probe pin 4 occurs with the pole in P. Through P and perpendicular

zur Meßrichtung eines Maßstabes 13a ist die optische Achse eines Abtastkopfes 13b gelegt, so daß sich bei kleinen Auslenkungen der Tastkugel 5 in x- und y-Richtung der Abstand zwischen Maßstab 13a und Abtastkopf 13b nicht ändert.The optical axis of a scanning head 13b is aligned with the measuring direction of a scale 13a, so that the distance between scale 13a and scanning head 13b does not change in the case of small deflections of the probe ball 5 in the x and y directions.

Im Gehäuse 2 befinden sich Sensoren 13, die als lichtelektrische Längenmeßeinrichtungen ausgebildet und so ausgerichtet sind, daß sich ihre Meßachsen im Zentrum 15 der Tastkugel 5 schneiden, wobei dieses Zentrum 15 einen sogenannten Antast-Pol 15 bildet.In the housing 2 there are sensors 13 which are designed as photoelectric length measuring devices and are aligned so that their measuring axes intersect in the center 15 of the probe ball 5, whereby this center 15 forms a so-called probe pole 15.

Die Sensoren 13 bestehen aus Maßstab 13a und Abtastkopf 13b und sind so angeordnet, daß ihre Mittellinien, die der Meßrichtung entsprechen, sich im Kugelmittelpunkt 15 treffen. Die optischen Achsen der Abtastköpfe 13b sind senkrecht zur Verbindungslinie Mitte Sensor 13 -> Kugelmitte 15 angeordnet oder bilden eine Sphäre mit dem Zentrum im Kugelmittelpunkt 15. Berührt die Tastkugel 5 ein Werkstück, so verformt sich zunächst das Federelement 7. Dadurch ändert sich die Relativlage der Elemente 13a und 13b im Sensor 13 und es entstehen durch die Sensoren 13 Signale, aus denen die Bewegung der Tastkugel 5 in x-, y- und z-Richtung berechnet werden kann.The sensors 13 consist of a scale 13a and a scanning head 13b and are arranged so that their center lines, which correspond to the measuring direction, meet at the center of the sphere 15. The optical axes of the scanning heads 13b are arranged perpendicular to the connecting line center of sensor 13 -> center of the sphere 15 or form a sphere with the center at the center of the sphere 15. If the probe ball 5 touches a workpiece, the spring element 7 is initially deformed. This changes the relative position of the elements 13a and 13b in the sensor 13 and the sensors 13 generate signals from which the movement of the probe ball 5 in the x, y and z directions can be calculated.

Wenn in einer Betriebsart, die in der Fachsprache "scannen" oder "digitalisieren" heißt, gearbeitet wird, muß die Tastkugel 5 nur wenig ausgelenkt werden, so daß der Maßstab 13a seine Ruheposition kaum verläßt.When working in an operating mode known in technical terms as "scanning" or "digitizing", the probe ball 5 only needs to be deflected slightly so that the scale 13a hardly leaves its rest position.

Vorteilhaft ist dabei, daß es sich um einen messenden Mehrkoordinaten-Tastkopf mit sehr einfachem Aufbau handelt. Es ist eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, da außer der Verbiegung des Taststiftes 4, die sich leicht rechnerisch korrigieren läßt, keine mechanischen Deformationen vorkommen. Der Meßbereich ist zwar gering, für diese Betriebsart aber ausreichend.The advantage here is that it is a measuring multi-coordinate probe with a very simple structure. A high level of measurement accuracy can be achieved because no mechanical deformations occur apart from the bending of the probe pin 4, which can easily be corrected mathematically. The measuring range is small, but sufficient for this type of operation.

Die Meßwerte sind aus den Sensorsignalen nach einem einfachen Algorithmus zu errechnen:The measured values are calculated from the sensor signals using a simple algorithm:

Sind Sl, S2, S3, S4 die Signale der Sensoren 13, so ergibt sich bei vier Sensoren 13 in den HaIbkoordinaten X bzw. -X und Y bzw. -Y in erster Näherung der mathematische Zusammenhang:If Sl, S2, S3, S4 are the signals of the sensors 13, then with four sensors 13 in the half coordinates X or -X and Y or -Y, the mathematical relationship results in a first approximation:

&khgr; = (S1-S2) * (sin &agr;) / 2 = Cl * (S1-S2) y = (S3-S4) * (sin &agr;) / 2 = Cl * (S3-S4) &zgr;. = (S1+S2+S3+S4) * (cos &agr;) / 4 = C2 * (S1+S2+S3+S4)&khgr; = (S1-S2) * (sin α) / 2 = Cl * (S1-S2) y = (S3-S4) * (sin α) / 2 = Cl * (S3-S4) ζ. = (S1+S2+S3+S4) * (cos α) / 4 = C2 * (S1+S2+S3+S4)

Die Erzeugung eines einfachen Schaltsignales erfordert lediglich eine entsprechende Ausgestaltung der Sensoren. Diese Sensoren können Abstandssensoren sein, die als Näherungsschalter ausgebildet sind, oder ähnliche Funktionsweisen haben.The generation of a simple switching signal only requires an appropriate design of the sensors. These sensors can be distance sensors that are designed as proximity switches, or have similar functions.

Selbstverständlich sind als Sensoren auch inkrementale oder codierte Meßsysteme vorsehbar, die auf einem anderen physikalischen Wirkprinzip beruhen. Derartige Anordnungen müssen nicht ausdrücklich beschrieben werden.Of course, incremental or coded measuring systems based on a different physical operating principle can also be provided as sensors. Such arrangements do not have to be described explicitly.

Um die Übersicht zu erleichtern, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wirkungsmäßig gleichartige Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, denen als Index die Figurenbezifferung nachgestellt ist.In order to facilitate the overview, in the second embodiment according to Figure 2, components that are functionally similar are provided with the same reference numerals, followed by the figure numbering as an index.

Ein Mehrkoordinaten-Tastkopf I2 besteht aus den Grundelementen Gehäuse 22 mit Schaft 32 und Taststift 42, der mittels einer Lagerung im Gehäuse 22 beweglich gelagert ist. Die Lagerung besteht wieder aus einem Federelement 62 in Form von zwei kreuzförmigen Blattfedern 72, die so geformt sind, daß in axialer Richtung ein großer Hub möglich ist. Abweichend vom vorbeschriebenen Beispiel verläuft hier die Meßrichtung des Maßstabes 132a parallel zur Achse des Taststiftes 42. Eine senkrecht zu dieser Meßrichtung verlaufende optische Achse des Abtastkopfes 132b schneidet die Achse des Taststiftes 42 ebenfalls in einem Pol P27 um den der Taststift kippt, wenn er in x- oder y-Richtung ausgelenkt wird.A multi-coordinate probe head I 2 consists of the basic elements housing 2 2 with shaft 3 2 and stylus 4 2 , which is movably mounted in the housing 2 2 by means of a bearing. The bearing again consists of a spring element 6 2 in the form of two cross-shaped leaf springs 7 2 , which are shaped so that a large stroke is possible in the axial direction. In contrast to the example described above, here the measuring direction of the scale 13 2 a runs parallel to the axis of the stylus 4 2 . An optical axis of the probe head 13 2 b running perpendicular to this measuring direction also intersects the axis of the stylus 4 2 at a pole P 27 around which the stylus tilts when it is deflected in the x or y direction.

Bei der in Figur 2 dargestellten Lösung können die Auslenkungen in den Richtungn X und Y nicht direkt gemessen werden. Sie können aber nach einer KaIibrierung aus der meßbaren Kippbewegung des Taststiftes 42 mit genügender Näherung ermittelt werden. In the solution shown in Figure 2, the deflections in the directions X and Y cannot be measured directly. However, after calibration, they can be determined with sufficient approximation from the measurable tilting movement of the stylus 4 2 .

Wenn die sternförmigen Blattfedern dreiarmig ausgeführt werden, ist es sinnvoll auch drei Sensoren vorzusehen.If the star-shaped leaf springs are designed with three arms, it is also advisable to provide three sensors.

Claims (8)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 27. Juli 1993 AnsprücheDR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 27 July 1993 Claims 1. Mehrkoordinaten-Tastkopf (1; I2) mit wenigstens einem, in mehrere Koordinatenrichtungen auslenkbarem Taststift (4; 42) zum Antasten eines Objektes, wobei der Taststift (4; 42) mittels einer elastischen Aufhängung (6; 62) in seinem Gehäuse (2; 22) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung (6; 62) aus einem Federelement in Form von mehreren sternförmigen Blattfedern (7; 72) besteht, wobei die Blattfedern (7; 72) über wenigstens eine axial verlaufende Federkomponente (7a; 72a) verfügen. 1. Multi-coordinate probe head (1; I 2 ) with at least one stylus (4; 4 2 ) that can be deflected in several coordinate directions for probing an object, wherein the stylus (4; 4 2 ) is fastened in its housing (2; 2 2 ) by means of an elastic suspension (6; 6 2 ), characterized in that the elastic suspension (6; 6 2 ) consists of a spring element in the form of several star-shaped leaf springs (7; 7 2 ), wherein the leaf springs (7; 7 2 ) have at least one axially extending spring component (7a; 7 2 a). 2. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (7;2. Multi-coordinate probe head according to claim 1, characterized in that the leaf springs (7; 72) eine parallel zur Taststiftachse verlaufende Kröpfung (7a; 72a) aufweisen.7 2 ) have a crank (7a; 7 2 a) running parallel to the stylus axis. 3. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (7;3. Multi-coordinate probe head according to claim 1, characterized in that the leaf springs (7; 72) in mehreren Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zur Taststiftachse verlaufen.7 2 ) are arranged in several planes that run perpendicular to the stylus axis. 4. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (13; 132) zum Detektieren des Antastvorganges vorgesehen sind.4. Multi-coordinate probe head according to claim 1, characterized in that sensors (13; 13 2 ) are provided for detecting the probing process. •-•8·-•-•8·- 5. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (13; 132) zwischen den Ebenen angeordnet sind, die durch die Blattfedern (7;72) gebildet werden. 5. Multi-coordinate probe head according to claims 3 and 4, characterized in that the sensors (13; 13 2 ) are arranged between the planes formed by the leaf springs (7; 7 2 ). 6. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (13) so angeordnet sind, daß sich ihre Meßachsen in einem Antast-Pol schneiden, der durch das Zentrum (15) einer Tastkugel (5) gebildet wird, die sich am Ende des Taststiftes (4) befindet.6. Multi-coordinate probe according to claim 4, characterized in that the sensors (13) are arranged so that their measuring axes intersect in a probing pole which is formed by the center (15) of a probe ball (5) which is located at the end of the probe pin (4). 7. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (132) als lichtelektrische Längenmeßeinrichtungen ausgebildet und so angeordnet sind, daß die optische Achse des Abtastkopfes (132b) im rechten Winkel zur Meßachse des Maßstabes (132a) verläuft und die Taststiftachse in einem Pol (P2) schneidet.7. Multi-coordinate probe head according to claim 4, characterized in that the sensors (13 2 ) are designed as photoelectric length measuring devices and are arranged such that the optical axis of the probe head (13 2 b) runs at a right angle to the measuring axis of the scale (13 2 a) and intersects the probe pin axis in a pole (P 2 ). 8. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (7; 72) kreuzförmig ausgebildet sind.8. Multi-coordinate probe head according to claim 1, characterized in that the leaf springs (7; 7 2 ) are cross-shaped.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9454145B2 (en) 2011-01-19 2016-09-27 Renishaw Plc Analogue measurement probe for a machine tool apparatus and method of operation

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9454145B2 (en) 2011-01-19 2016-09-27 Renishaw Plc Analogue measurement probe for a machine tool apparatus and method of operation
US9471054B2 (en) 2011-01-19 2016-10-18 Renishaw Plc Analogue measurement probe for a machine tool apparatus

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