DE2242355B1 - Elektronischer Mehrkoordinatentaster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf, der gleichzeitig einen oder mehrere Taststifte tragen kann, zum Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen, vorzugsweise auf Koordinatenmeßmaschinen.

Es sind Vorrichtungen zum Antasten von Körpern in zwei oder mehr in Richtungen bekannt, bei denen die Antastrichtung eines Taststiftes mit Hilfe reibungsarm gelagerter Gelenke ©der Führungen, wie Federgelenke, Luftlager od. dgl. in einer anderen Richtung umgelenkt werden kann. Derartige Vorrichtungen können auch so ausgebildet sein, daß sowohl in der einen als auch — nach einer Umschaltung — in der anderen Richtung angetastet werden kann.

Diese Tasteinrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß beim Umschalten der Tasteinrichtung der Koordinatennullpunkt des Tastsystemes im allgemeinen verloren geht und über Hilfspunkte wieder neu eingestellt werden muß. Außerdem ist bei dieser Art von Tasteinrichtungen ein Antasten in einer schrägen Richtung und einer gleichzeitigen Signalabgabe in zwei oder mehr zueinander senkrecht stehenden Bezugsrichtungen nicht möglich.

Es sind auch Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen zwei elektrische Signalgeber verwendet werden, um ohne Umschalten oder Umlenken die Koordinatenpunkte eines Körpers in durch die zwei Signalgeber festgelegten Koordinatenrichtungen anzutasten.

Diese bekannten Vorrichtungen können aber das zu vermessende Objekt nur von einzelnen außenlie-

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genden Seitenflächen aus antasten und daher Längen- b) daß richtungs- und lageempfindliche elektrische messungen nur in einer vorher festzulegenden Seiten- Signalgeber eingebaut sind, die ebenfalls ein torfläche des Objektes durchführen. Bei mehrdimensio- sionssteifes Koordinatensystem bilden,
nalen Körpern die in den meisten Fällen auch noch _{c) daß motorisch fe}i_nverstellbare, in der Führungsverdeckte - oder innenhegende - Meßflachen RiI- 5 _{rich der jeweiH Ger}adführung _wirkeif_de len, Nuten, Hohlecken oder schragliegende Bohrun- Präzisionsgesperre eingebaut sind, welche die gen haben, besteht aber der Wunsch in einer einzi- _{L der} Koordinaten-Nullpunkte der Geradgen Werkstuckaufspannung gleichzeitig ale Seiten- führungssysteme und die Nullpunktslage der flachen mit Ausnahme der Aufspannflache des elektrischen Signalgeber automatisch auf Über-Werkstuckes antasten zu können, to _einstimmung einregeln,

Bei einer dieser Vorrichtung mit zwei Signalgebern ^ö

wird eine kegelige oder zylindrische Meßsonde ver- ^cl) ^daß Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe in

wendet, die zwangsweise in eine Bohrung einge- ^allen einzelnen Führungsrichtungen vorgesehen

drückt wird, wodurch das Zentrum der Bohrung an- ^smd-

gesprochen werden soll. Dieses Verfahren funktio- 15

niert nur, wenn die Achse der Sonde parallel zur In Weiterführung dieses grundlegenden Erfin-

Achse der Bohrung ist, was in den meisten Fällen dungsgedankens werden als spiel- und reibungsfreie

nicht vorausgesetzt werden kann. Außerdem führt es Geradführungssysteme beispielsweise Federparallelo-

bei Unsauberkeiten oder Gratbildungen des Boh- gramme verwendet.

rungseinlaufes, die in der Praxis nicht zu vermeiden ao Die elektrischen Signalgeber sind vorzugsweise als

sind, zu Versetzung der Meßsonde gegenüber der ef- Längenmeßgeber ausgebildet.

fektiven Bohrungsachse. Auch ist bei dieser Vorrich- Die Signale der elektrischen Signalgeber können tung keine Torsionssteife der mechanischen Halte- auch zur Positionierung eines oder mehrerer Koordirung der Meßsonde gegeben. Die Meßsonde kann so- natenschlitten in die Nullposition des Tasters verzusagen frei in einer Ebene schwimmen. Dies ist aber »5 wendet werden. Desgleichen können die elektrischen für die Antastung von schrägen Flächen ungeeignet, Signalgeber im Nulldurchgang einen Festhalte- oder da die Meßsonde wegen der fehlenden Richtungs- Speicherbefehl an eine Verschiebungs- oder Impulssteife Undefiniert nach verschiedenen Richtungen zähleinrichtung abgeben, um ohne positionieren im ausweichen kann. Nullpunkt eine dynamische Messung während der

Eine andere bekannte Vorrichtung verwendet zur 30 Verschiebung des Werkstückes zu ermöglichen.
Messung in einer Richtung eine Geradführung, in der In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden anderen Richtung aber einen Umlenkhebel. Da der die Antastrichtungen der Taststifte durch Kodierung Hebel einen bestimmten Radius hat, darf die Um- der Richtungssignale der Signalgeber zur Weiterverwandlung der Längenbewegung in eine Winkelbewe- arbeitung in einem mit dem Tastkopf verbundenen gung zum Zwecke der Längenmessung nur bei einem 35 Rechner übertragen. Mit der Zuführung der Anbestimmten Abstand der Taststiftspitze vom Biegege- tastrichtung erhält der Rechner eine Information über lenk erfolgen. Verwendet man einen anderen Tast- die jeweilige Relativlage der kugelförmigen Taststiftstift mit beispielsweise anderer Hebellänge, dann spitze zur Werkstückfläche. Durch diese Anordnung muß die Einrichtung jeweils auf diesen Taststift neu wird bei jedem Antastvorgang der wirksame Kugelgeeicht werden. 40 radius der Taststiftspitze vorzeichenrichtig addiert,

Ferner ist bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen und es können die Werkstückpunkte direkt ohne subworden, bei der ein Taster gleichzeitig seine nach jektive Entscheidung des Messenden berechnet werden drei Koordinatenachsen zerlegte Bewegung mit- den.

tels eines Tastarmes auf zwei in der X- bzw. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Y-Achse elastisch deformierbare Parallelogramme 45 Ausbildung eines elektronischen Mehrkoordinatentamit starren Brücken, deren Relativlagen von Meß- sters besteht darin, daß man hiermit auch schwer zufühlem registriert werden, überträgt. Dabei wird die gängliche Meßflächen mit äußerster Präzision ausBewegung des Meßtasters in einer dritten Koordina- messen kann. Dabei werden die durch mechanische tenrichtung (y-Achse) unmittelbar auf einen weiteren Verschleißerscheinungen oder thermischer Verfor-Meßfühler gegeben. Auch dieser Vorrichtung haftet, 50 mung der Geradführungssysteme hervorgerufenen wie auch allen übrigen bekannten Vorrichtungen, Veränderungen der mechanischen Nullpunktslage noch der Nachteil an, daß hierbei die in der Praxis automatisch kompensiert, ohne daß man nachzueinicht zu vermeidenden Änderungen der relativen _chen braucht, was eine erhebliche Steigerung der Nullpunktslagen der Geradführung- und Meßsy- Meßgenauigkeit selbst unter erschwerten Bedingunsteme weder erfaßt noch kompensiert werden, was 55 gen gewährleistet. Außerdem ist hierbei eine weitgeauf Kosten der Genauigkeit der Meßergebnisse geht. hende Automation des Meßvorganges unter Einbe-

Ziel der Erfindung ist es, einen elektronischen ziehung von elektronischen Rechnern möglich.

Mehrkoordinatentaster höchster Genauigkeit mit um- Die Erfindung sei nun an Hand der in den F i g. 1

fassenden Einsatzmöglichkeiten zu schaff en. bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen näher er-

Erreicht wird dieses nach der Erfindung durch die 60 läutert.

Kombination folgender Merkmale: In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Führungssysteme eines Tastkopfes nach der Erfindung dargestellt.

a) daß der Tastkopf aus einer torsionssteifen An- Die Taststiftaufnahme 1, welche beispielsweise

einanderreihung von spiel- und reibungsfreiem 65 eine Reihe von sternförmig angeordneten, beliebig

Geradführungssystem besteht, die miteinander auswechselbaren Taststiften 2 trägt, ist über ein vier

ein definiertes ebenes oder räumliches Koordi- Blattfedern 3 a besitzendes Federparallelogramm 3

natensystem bilden, mit der Platte 4 verbunden. Letztere ist andererseits

über ein weiteres Federparallelogramm 5, deren 22 ist mit der Taststiftaufnahme 1 verbunden. Diese

Blattfedern Sa um 90° versetzt angreifen, an dem Einrichtung zum automatischen Gewichtsausgleich

Winkelstück 6 befestigt. wird von dem Motor 19 betätigt, der seinerseits von

Das Winkelstück 6 hängt schließlich über ein drit- einem noch zu beschreibenden Signalgeber gesteuert tes Federparallelogramm 7, welches horizontal lie- 5 wird, der die Lage des in der Z-Richtung bewegligende Blattfedern 7 α enthält, an dem Verbindungs- chen Parallelogramms 7 erfaßt,
stück 8, welches mit dem Oberteil 9 starr verbunden Jedes einzelne der in den F i g. 1 und 2 dargestellist. · ■ ten Federparallelogramme 3, 5,7 enthält bei der er-

Durch diese torsionssteife Aneinanderreihung findungsgemäßen Ausführung des Tastkopfes noch

dreier spiel- und reibungsfreier Geradführungssy- io weitere, in den F i g. 3 bis 5 dargestellte, zusätzliche

steine wird ein mechanisches Koordinatensystem Einrichtungen, die in geeigneter Weise neben- oder

XYZ aufgespannt. Hierin ist beispielsweise das hintereinander an den einzelnen Parallelogrammen

Winkelstück 6 parallel zur Z-Richtung, die Platte 4 befestigt sind.

parallel zur Z- und Z-Richtung und schließlich die In den F i g. 3 bis 5 sind diese Zusatzeinrichtungen

Taststiftaufnahme 1 parallel zu der X-, Y- und 15 jeweils nur für ein beliebig herausgegriffenes Paralle-

Z-Richtung beweglich. logramm aufgezeigt, da diese für alle übrigen Paral-

AIs Anwendungsbeispiel ist in F i g. 2 die Anta- lelogramme völlig identisch sind,
stung einer gekrümmten Fläche 101 eines Werkstük- In der F i g. 3 ist beispielsweise das Federparallelokes 100 dargestellt, das beispielsweise an seiner gramm 3 der F i g. 1 und 2 herausgegriffen.
Fläche 102 auf dem Tisch einer Koordinatenmeßma- 20 In der F i g. 3 ist ein in der Führungsrichtung des schine aufgespannt ist. Aus dem Beispiel erkennt Parallelogramms wirkendes Gesperre eingezeichnet, man, daß auch andere, schwer zugängliche Meßflä- welche im wesentlichen der Ausführungsform des in chen des Werkstückes von der erfindungsgemäßen der Patentanmeldung 22 42 356.9 der Anmelderin beEinrichtung angetastet werden können, ohne daß das schriebenen Präzisionsgesperres entspricht. Das par-Werkstück oder die Tasteinrichtung umgespannt as allel zum Teil 4 bewegliche Teill trägt einen Rastwerden muß. körper 30 mit einer V-förmigen Rastnut, in die die an

In dem im Schnitt dargestellten Ausführungsbei- einem Hebel 31 befindliche Rastkugel 32 einrasten

spiel nach F i g. 2 sind außer den in F i g. 1 bereits kann.

beschriebenen Teilen, die hier mit gleichen Bezugs- Durch Kugel und V-Nut ist an sich die Relativlage

zeichen versehen sind, noch die Mittel zur Erzeugung 30 zwischen den Teilen 4 und 1 des Federparallelo-

und Eingabe der Meßkraftvorgabe, sowie ein auto- gramms 3 der F i g. 1 und 2 formschlüssig gesperrt,

matischer Gewichtsausgleich in der Z-Richtung für Gleiche Präzisionsgesperre besitzen die Führungs-

die Führungssysteme nebst Taststiften und Taststift- systeme 5 und 7 in den F i g. 1 und 2, wodurch ein

aufnehmer eingezeichnet. mechanisch geometrischer Nullpunkt des Tastkopfes

Im Oberteil 9 des Tastkopfes 10 sind beispiels- 35 10 festgelegt wird.

weise drei Tauchspulsysteme angeordnet, deren Wie noch gezeigt wird, müssen in jedem der Füh-

Ringspaltmagnete 11, 11', 11" im Oberteil 9 festste- rungssysteme die formschlüssigen Raststellungen zu-

hend gelagert sind und deren Tauchspulen 12, 12', sätzlich nachgestellt werden, wozu eine elastisch ki-

12" aus einer mittleren Nullage heraus, je nach nematische Vorrichtung mit den Teilen 31 bis 36

Stromrichtung des in die Tauchspulen eingegebenen 40 dient.

Stromes, in den Ringspalt der Magnete hereingezo- Der Hebel 31 ist in einer an dem Teil 4 befestigten gen oder herausgedrückt werden. Die Stromzufüh- Halterung 33 um eine senkrecht zur Zeichenebene rung jeder einzelnen Tauchspule kann wahlweise ein- liegende Achse .4 drehbar gelagert. Am vorderen oder ausgeschaltet bzw. entsprechend elektronisch Ende des Hebels 31 ist eine Blattfeder 34 befestigt, gesteuert werden, um definierte Meßkräfte zu erzeu- .45 Das hintere Ende der Blattfeder 34 hegt an den Nokgen. Die Bewegungen der Tauchspule 12 werden ken 35 einer Nockenscheibe 36 an. Die Nockenmittels des im Oberteil 9 um die Achse 13 drehbar scheibe 36 ist durch einen nicht mehr eingezeichnegelagerten Hebels 14 und weiterer elastisch miteinan- ten Elektromotor in den Richtungen des Doppelpf eider verbundenen Übertragungselemente 15, 16, 17 les 37 verdrehbar. Bei einer Drehung der Nockenauf die Taststiftaufnahme 1 übertragen. Das Ubertra- -50 scheibe 36 wird bei einem Hub des Nockens 35 die gungselement 16 ist hier beispielsweise mittels eines Feder 34 verbogen, wodurch sich eine zusätzliche elastischen Wellrohres 18 im Boden 9 α des Oberteils Lageverstellung der Rastkugel und damit auch der allseitig schwenkbar gelagert. Das Tauchspulensy- durch Kugel und V-Nut geklemmten Relativlage zwistem 11,12 erzeugt hier eine Meßkraftvorgabe in der sehen Teil 4 und Teil 1 erzielen läßt.
Y-Richtung. Das Tauchspulensystem 11', 12' ver- 55 In der Fig.4 ist wiederum das Federparalleloschwenkt durch eine geeignete Hebelübertragung, die gramm 3 herausgegriffen, was stellvertretend für alle der besseren Übersicht wegen hier nicht eingezeich- übrigen 5,7 steht.

net ist, das Übertragungselement 16 im elastischen Hierin ist nun ein lage- und richtungsempfindli-

Wellrohr 18 senkrecht zur Zeichenebene und erzeugt eher Signalgeber, z. B. ein induktiver Meßgeber, ein-

so die Meßkraftvorgabe in der X-Richtung. Das '60 gebaut, dessen Spulensysteme 40 mit dem Teil 4 starr

Tauchspulensystem 11", 12" schließlich greift über verbunden sind, während der zugehörige Kern 41 am

das Übertragungselement 17a auf das Winkelstück Teill starr befestigt ist. Der Signalgeber ist so be-

16 an und schafft somit eine Meßkraftvorgabe in der schaffen, daß er bei einer bestimmten relativen Lage

Z-Richtung. der Teile 4 und 1 keine Spannung abgibt. Diese Lage

Ferner ist im Oberteil eine über einen Motor 19 65 definiert den »elektrischen« Nullpunkt in der Füh-

angetriebene Gewindespindel 20 gelagert, deren zu- rungsrichtung des Federparallelogrammes 3. In glei-

geordnete Spindelmutter 21 mit einer Spiralfeder 22 eher Weise haben die Federparallelogramme 5 und 7

in Verbindung steht. Das untere Ende der Spiralfeder elektrische Nullpunkte, die zusammen den ebenen

bzw. raumlichen »elektrischen« Nullpunkt des gesamten Tastkopfes definieren. Dieser elektrische Nullpunkt wird im allgemeinen nicht mit dem, durch die Klemmeinrichtungen 30 und 31 bestimmten, mechanisch geometrischen Nullpunkt übereinstimmen. Um diese Übereinstimmung zu erreichen, werden Signale der induktiven Meßgeber zur motorischen Nachstellung der Raststellung mit einem an der Nokkenscheibe 36 angeflanschten, hier nicht dargestellten Elektromotor herangezogen. Die mechanische Klemmstelie wird dadurch auf den elektrischen Nullpunkt eingeregelt.

Die aus den Signalgebern kommenden lage- und richtungsanzeigenden Signale können auch zur Messung der Abweichung des zu prüfenden Werkstückpunktes von einer Sollage verwendet werden.

Der verwendete Signalgeber hat ferner die Eigenschaft, daß seine Signale zur Regelung der Sperrung auf den jeweiligen elektrischen Nullpunkt herangezogen werden können.

In der F i g. 5 ist am Beispiel des herausgegriffenen Federparallelogramms5 (Fig. i) eine viscohydraulische Bewegungsdämpt'ung eingezeichnet, bei der in dem durch die Platten 51 und 52 gebildeten Kapillarspalt 53 eine zähe Flüssigkeit eingefüllt ist. Die Platte 51 ist mit dem Teil 6 und die Platte 52 mit dem Teil 4 fest verbunden. Durch die Kapillarwirkung wird ein Herauslaufen der Flüssigkeit verhindert, und es ist keine reibungsbehaftete Abdichtung nötig.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es lassen sich z. B. auch andere Geradführungssysteme, wie z. B. ebene oder räumliche Kreuzschlittensysteme oder andere elektrische Signalgeber, z. B. kapazitive, ohmsche oder optisch-elektronische Meßsysteme verwenden.

Auch ist die Anwendung nicht allein auf Koordinatenmeßmaschinen beschränkt. Die Erfindung kann auch in verschiedenen Meß- und Bearbeitungsvorrichtungen oder Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

ÄdOO 409 510,269

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf, der gleichzeitig einen oder mehrere Taststifte tragen kann, zum Antasten von mehrdimensionalen Gegenständen, vorzugsweise auf Koordinatenmeßmaschinen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) daß der Tastkopf aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Geradführungssystemen (3, 5, 7) besteht, die miteinander ein definiertes ebenes oder räumliches Koordinatensystem bilden, ^χ5

b) daß richtungs- und lageempfindliche elektrische Signalgeber (40, 41) eingebaut sind, die ebenfalls ein torsionssteifes Koordinatensystem bilden,

20

c) daß motorisch fein verstellbare, in der Führungsrichtung der jeweiligen Geradführung wirkende Präzisionsgesperre (30 bis 36) eingebaut sind, welche die Lage der Koordinaten-Nullpunkte der Geradführungssysteme (3, 5, 7) und die Nullpunktslage der elektrischen Signalgeber (40, 41) automatisch auf Übereinstimmung einregeln,

d) daß Mittel (11 bis 17) zur definierten Meßkraftvorgabe in allen einzelnen Führungs- ₃„ richtungen vorgesehen sind.

2. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführungssysteme (3, 5, 7) als Federparallelogramme ausgebildet sind.

3. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber als Längenmeßgeber ausgebildet sind.

4. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung der elektrischen Signalgeber (40, 41) zur Steuerung des Einfahrens eines oder mehrerer Koordinatenschlitten in die Nullposition des Tasters.

5. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung der elektrischen Signalgeber (40, 41) zum Auslösen eines Festhalte- bzw. Speicherbefehles an eine Verschiebungsmeß- bzw. Impulszähleinrichtung.

6. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber (40, 41) an einen elektronischen Rechner angeschlossen sind und entsprechend der Lage und Richtung der Taststifte (2) kodierte Signale liefern.

7. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung des elektronischen Rechners bei der Elimination der Abmessungen der Tastspitzen der Taststifte (2) auf das Meßergebnis.

8. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signalgeber als induktive Meßgeber ausgebildet sind, deren relativ zueinander bewegliche Teile (40, 41) mit Teilen (1, 4) der Geradführungssysteme (3) verbunden sind und deren induktive Nullagen die elektrischen Nullpunktslagen in den Führungsrichtungen der Geradführungssysteme (3, S, 7) bilden.

9. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines feinverstellbaren Präzisionsgesperres, bei dem ein mit einer Blattfeder (34) verbundener Hebel (31) an einen Teil (4) eines Geradführungssystemes (3) drehbar gelagert ist und in einem mit einem weiteren Teil (1) des Geradführungssystems (3) verbundenen Rastkörper (30) einrastet, wobei die in Abhängigkeit der gegenseitigen Lage der Teile (4, 1) des Geradführungssystemes (3) veränderliche elastische Verformung der Blattfeder (34) zur Feineinstellung des Gesperres verwendet wird.

10. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Geradführungssysteme (3, S, 7) mittels flüssigkeitsgefüllter Kapillarspalte (53) gedämpft sind.

11. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (19 bis 22) zum automatischen Gewichtsausgleich der Tastorgane (1,2) und der Geradführungssysteme (3, 5, 7) eingebaut ist.

12. Elektronischer Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tauchspulsystemen (11, 12) zur Meßkraftvorgabe in den einzelnen Führungseinrichtungen der Geradführungssysteme (3, 5, 7).