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Meßkopf für eine Meßmaschine
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßkopf für eine Meßmaschine
mit einem in drei Freiheitsgraden verfahrbaren Meßtaster, der in jedem Freiheitsgrad
einen elektrische Meßsignale erzeugenden Meßwandler, einen durch Parallelverschiebung
einstellbaren Vorlauf mit Haltevorrichtungen für die Nullage und einen im Bereich
des Vorlauf kraftabhängig nachgebenden Anschlag aufweist.
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Zur Vermessung beliebiger Körper oder Werkstücke ist es eit einiger
Zeit bekannt, Meßmaschinen zu benutzen, die mit entsprechender Genauigkeit auch
kooplizierte Körper zu vermessen gestatten. Das Ergebnis einer jeweiligen Messung
kann je nach Ausstattung der betreffenden Meßmaschine mit Hilfe von Anzeigevorrichtungen
oder in Form eines gedruckten Protokolls ausgegeben werden. Voraussetzung für eine
einwandfreie und genaue Messung ist jedoch ein Meßkopf, der eine Messung in allen
Freiheitsgraden mit hoher MeBaufl6sung ermöglicht.
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Es sind eine Reihe von Meßköpfen bekannt, die aber in ihrer Leistungsfähigkeit
begrenzt sind. So gibt es zahlreiche Meßköpfe, die lediglich Messungen in nur einem
oder zwei Freiheitsgraden gestatten, während Meßköpfe für Messungen in drei Freiheitsgraden
nur vereinzelt bekannt geworden sind. Das Problem derartiger Meßköpfe ist, daß der
Meßtaster beim Meßvorgang sowohl mit hinreichender Anpreßkraft am jeweiligen Meßobjekt
anliegen als auch bei. Auflaufen gegen das Meßobjekt stoßgeschützt sein soll. Zur
Lösung dieses Problems sind Meßköpfe vorgeschlagen worden, bei denen der Meßtaster
mit Hilfe von Blattfedern federnd aufgehängt ist. Damit läßt sich zwar eine hinreichende
Anpreßkraft und ein hinreichender Stoßschutz erzielen, aber als befriedigend gilt
diese Lösung nicht, und zwar, weil die Federn einerseits zum Schwingen neigen und
andererseits beim Auslenken des Meßtaster einen sogcnannten Kosinus-Fehler hervorrufen.
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Bei einem aus der DT-OS 25 35 249 bekannten Meßkopf ist für das Auslenken
des Meßtasters in drei Freiheitsgraden eine Parallelverschiebung mit Hilfe von in
Kugelbuchsen geführten Spindeln vorgesehen, während für die kraftabhängigen Anschläge
und einstellbaren Haltevorrichtungen pneumatische Zylinder vorgesehen sind.
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Diese Zylinder halten mit darin angeordneten Bolzen oder Kolben die
in den Freiheitsgraden beweglichen Bauteile und bilden somit die Haltevorrichtung
bzw. den kraftabhängigen Anschlag. Ein solcher Meßtaster gewährleistet durch die
Parallelverschiebung eine gleichbleibende Genauigkeit und auch ein genügend stoßfreies
Auflaufen des Meßtasters gegen ein Meßobjekt; aber die Versorgung der pneumatischen
Zylinder und ihre Steuerung bereiten viele Schwierigkeiten und erfordern zusätzlichen
Lösungsaufwand.
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Der Erfindung'liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf der
eingangs genannten Art mit wenig Aufwand und funktionssicheren Bauteilen aufzubauen.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Haltevorrichtungen
und die kraftabhängignachgebenden Anschläge durch jeweils über Regelstufen steuerbare
elektrische
Cleichstrom-Kleinmotore gebildet sind, deren auf den
Abtriebswellen angeordnete Ritzel mit zugeordneten ZzhnstzngoB der in den Frçiheitsgraden
beweglichen Bauteile kXmmon.
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Der erfindungsgemäße Meßkopf gestattet durch die elektrischen Gleichatrom-Kleinmotore
sowohl die jeweilige Haltevorrichtung als auch den kraftabhängigen Anschlag zu regeln,
und zwar über die Drehmomente dieser Motore. Diese Maßnahme ermöglicht auch den
Vorlauf des Meßtaster in eine ganz bestimmte räumliche Richtung einzustellen oder
den Meßtaster in seiner Koordinaten-Nullpunkt festzuhalten. Dabei ist es möglich,
den Nullpunkt exakt einzustellen, indem den jeweiligen Kleinmotoren solange entzprechende
Steuersignale zugeführt werden, bis die Ueßwandler-Nullpunktsignale ausgeben. Das
beim Kämmen der Ritzel an den Zahnstangen auftretende Spiel wird dabei durch Aufteilung
der Zahnstangen in zwei gegeneinander verschiebbare Einzelzahnstangen ausgeschaltet.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine Vorderansicht eines Meßkopfes im Schnitt, Figur 2 einen
Schnitt II-II gemäß Fig. 1 und Figur 3 einen Teilausschnitt gemäß Fig. 1.
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In den Darstellungen nach Figur 1 bis 3 ist das Prinzip eines Meßkopfes
zu sehen, bei dem ein Meßtaster 1 mit einer Kupplungsbuchse 2 an einer Spindel 3
befestigt ist. Die Spindel 3 ist dabei in einer Kugelbuchse 4 längsverschiebbar
angeordnet, welche ihrerseits in einer Führungsbuchse 5 sitzt. Diese Führungsbuchse
5 ist durch eine im Zentrum einer Deckplatte 7 vorgesehenen Bohrung gesteckt und
in einem Flansch 6 daran befestigt. Uber ein Beuegungen in einer Raumachse zulassendes
Führungslzger 8 ist diese
Deckplatte 7 an eine Zwischenplatte 9
gekoppelt, die ihrerseits über ein weiteres senkrecht dazu liegendes Führungslager
10 an eine mit dem Gehäuse 12 fest verbundenen Grundplatte 11 gekoppelt ist. Die
Führungslager 8 und 10 ermöglichen daher gemeinsam mit der längsverschiebbaren Spindel
3 eine Bewegung des Meßtaster 1 in den drei Raumachsen X, Y, Z durch Parallelverschiebung.
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Wie aus Figur 1 hervorgeht, besitzt die Spindel 3 einen in das Innere
des Gehäuses 12 hineinragenden Verlängerungsbolzen 15, auf den eine geschlitzte
Buchse 16 aufgesteckt und mit Hilfe nicht näher dargestellter Schrauben daran festgeklemmt
ist.
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Diese Buchse 16 ist mit einer Längsnut 17 zur Aufnahme zweier parallel
liegender Einzelzahnstangen 18, 19 versehen, die mit Hilfe zweier jeweils an den
Enden der Buchse 16 angeschraubten Winkellaschen 20, 21 darin gehalten werden. An
diesen Einzelzahnstangen 18, 19 kämmt ein gemeinsames Ritzel 22, das durch eine
Verzahnung eines Endes einer mit der Abtriebswelle 25 eines Gleichstrom-Kleinmotors
24 gekoppelten Triebwelle 23 gebildet ist. Die Triebwelle 23 ist dabei mit Kugellagern
in den Schenkeln eines U-förmigen Profilkörpers 26 gelagert, der mit einem Schenkel
an der sich als Halbschale 27 fortsetzenden Führungsbuchse 5 angeschraubt ist. Zwei
Gabellaschen 28, 29, die von den Befestigungsschenkeln des Profilkörpers 26 ausgehen,
dienen zur Befestigung des die Triebwelle 23 antreibenden Gleichstrom-Kleinmotors
24. Die in der Längsnut 17 der Buchse 16 gefühten Einzelzahnstangen 18, 19 können
gegeneinander verschoben werden, und zwar mit Hilfe von in den Winkellaschen 20,
21 vorgesehenen Madenschrauben 30. Hierdurch ist es möglich, das zwischen dem Ritzel
22 und den mit der Buchse 16 gekoppelten Einzelzahnstangen 18, 19 auftretende Spiel
zu unterdrücken und einen spielfreien Übertragungsweg zu erhalten. Zur Erfassung
der mit dem Meßtaster 1 erfühlten Position dient ein aus einer Spule 31 und einem
verstellbaren Kern 32 bestehender induktiver Meßwandler, der mit der Spule 31 am
oberen Ende der zu einem Vollring 33 erweiterten Halbschale 27 mit Hilfe von Schrauben
befestigt ist, nährend der Kern 32 über einen Stift 34 an den Verlängerungsbolzen
15 der Spindel 3 gekoppelt ist.
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Ein an einem Schenkel des U-förmigen Profilkörpers 26 angebrachter
Mikroschalter 35 dient darüberhinaus zur Auslösung von Schaltfunktionen, wenn das
Ende des Vorlaufs bei einer Versteltung des Meßtasters in beiden Richtungen erreicht
wird.
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Hieru dient eine an der Buchse 16 angebrachte Mitnehmerlasche 36,
die jeweils beim Erreichen des Vorlaufende den Stellnocken des Mikroschalters 35
verstellt.
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Der Meßtaster 1, die Spindel 3 sowie weitere noch zu erläuternde Bauteile
bedeuten für den Gleichotron-Kleinmotor 24 dieser Raumachse (Z) aufgrund der jeweiligen
Eigengewichte zusätzlich Last, die - wie nachfolgend erläutert - abgefangen wird.
Zunächst sind an der Deckplatte 7 drei Führungewinkel 40 mit ihren kurzen Schenkeln
derart angeschraubt, daß die nach unten weisenden Schenkel Segmente eines koaxialen
Rohrstutzens bilden. Uber diese aus den hervorstehenden Schenkeln gebildeten Rohrstutzen
ist eine mit einem Innengewinde versehene Anzeigebuchse gestreift und an den Stirnwänden
der mit der Deckplatte 7 verbundenen Schenkeln der Führungswinkel 40 angeschraubt.
Außerdem ist auf die Spindel 3 unmittelbar hinter der Kupplungsbuchse 2 eine Klemmscheibe
42 mit Hilfe von Schrauben aufgeklemmt, die zwei zur Deckplatte 7 weisende seitliche
Laschen 43 aufweist. An diesen Laschen 43 ist mit Hilfe einer Schraube 44 und einer
Exzenterbuchse 45 jeweils ein als Führungsrolle wirkendes Kugellager 46 angeschraubt,
das an der zugeordneten Seitenwand eines nach unten weisenden Schenkels eines Führungswinkels
40 bei einer axialen Verschiebung der Spindel 3 abrollt und damit gleichzeitig eine
Verdrehsicherung für den Meßtaster 1 bewirkt. Diese Verdrehsicherung ist insbesondere
dann erforderlich, wenn die Spitze des Meßtasters 1 besonders geformt bzw. abgewinkelt
ist. Zum Halten von Zugfedern 47, die für das Abfangen des Eigengewichtes vorgesehen
sind, ist eine Scheibe 48 vorgesehen, die in die Anzeigebuchse 41 eingelegt ist.
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Die anderen Enden der Zugfeder 47 sind an einer Scheibe 49 aufgehängt,
die über die Kupplungsbuchso 2 gestreift ist und sich an der Klemmscheibe 42 abstützt.
Zum Spannen der Zugfeder 47 dient eine Stellbuchse 50, die mit einem Außengewinde
in das Innengewinde der Anzeigebuchse 41 eingeschraubt ist und dabei mit ihrer Stirnwand
die Scheibe 48 mitnimmt. Eine Stellkappe 48, in welche die Stellbuchse
50
mit einem Haftsitz eingesetzt ist, greift dabei über die Anzeigebuchse 41 und liefert
damit im Zusammenhang mit auf der Außenwand der Anzeigebuchse 41 angebrachten Markierungen
einen aBstab für das Spannen der Zugfeder. Somit ist es möglich, das den Gleichstrom-Kltinmotor
24 in der Z-Achse zusätzlich belastende Eigengewicht bestimmter Bauteile abzufangen
und eine je nach eingesetztes Meßtaster (Eigengewicht) erforderliche Einstellung
durch entsprechendes Verstellen der Stellkappe 51 vorzunehmen.
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An der Klemmacheibe 42 und an den Führungswinkeln 40 sind dabei noch
federnd nachgebende Anschläge vorgesehen, deren Aufbau den im Zusammenhang mit Figur3
noch zu erläuternden Anschlägen entspricht.
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Wie bereits erwähnt, kann der Meßtaster 1 in den drei Raumachen X,
Y, Z bewegt werden. Für die Einstellung des Meßtasters 1 in der Raumachse Y ist
ein Gleichatrom-Kleinmotor 55 vorgesehen, der an zwei Gabellaschen 56, 57 mit Hilfe
einer elliptischen Befestigungsscheibe 58 angeschraubt ist. Die Gabellaschen 56,
57 gehen von einem Schenkel eines U-förmigen Befestigungselementes 59 aus, dessen
anderer Schenkel eine abgewinkelte Befestigungslasche aufweist.
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Mit dieser an ihrem Ende sich T-förmig erweiternden Befestigungslasche
60 ist das Befestigungselement 59 an einer Seitenwand der Deckplatte 7 angeschraubt.
In den beiden Schenkeln des U-förmigen Befestigungselementes 59 ist dabei eine Triebwelle
61 mit Hilfe von Kugellagern gelagert, die an ihrem einen Ende eine als Ritzel 62
wirkende Verzahnung aufweist und mit ihrem anderen Ende an die Abtriebswelle 63
des Gleichstrom-Kleinmotors 55 gekoppelt ist.
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An diesem Ritzel 62 kämmen zwei nebeneinander liegende Einzelzahnstangen
64, 65, die in einer Längsnut 67 eines U-förmigen Zahnstangenträgers 66 angeordnet
sind. Der U-förmige Zahnstangenträger 66 ist mit seinen Schenkeln an einer Stirnwand
der Zwisehenplatte 9 mit Hilfe von Schrauben befestigt und besitzt die zur Aufnahme
der Einzelzahnstangen 64, 65 vorgesehene Längsnut 67 in seinem Querglied. Mit zwei
Winkellaschen 68, 69, die von den Schenkeln über die in die Längsnut 67 eingesetzten
Einzelzahnstangen 641 65 greifen, sind diese am Zahnstangenträger 66 bebefestigt
An den Winkellaschen 68, 69 sind dabei an entsprechender Stelle
noch
Madenschrauben 70 vorgesehen, welche ein Cegeneinanderverschieben der Einzelzahnstangen
64, 65 zur Ausschaltung von Spiel ermöglichon Die am Zahnstangenträger 66 befestigten
Einzelzahnstangen 64, 65 stehen mit dem Ritzel 62 der von Gleichstrom-Kleinmotor
55 antreibbaren Triebwelle 61 im Eingriff und bilden für die Verstellung des Meßtaster
1 in der Y-Achse die Stützposition, an der die Triebwelle 61 mit dem Ritzel 62 abrollt.
Bei dieser Verstellung bewegt sich somit der an dem Befestigungselement 59 über
die Gabellaschen 56, 57 befestigte Gleichatrom-Kleinmotor 55, während die Einzelsihnstangen
64, 65 für diese Raumachse das unbewegliche Bauteil bilden. Zwei von Druckfedern
abgestützte, in der Befestigungslasche 60 eingesetzte und aus beiden Seiten hervorstehende
Stifte 71, 72 wirken dabei als federnd nachgebende Anschläge und begrenzen damit
den Vorlauf in dieser Raumachse durch Auflaufen gegen die Schenkel des Zahnstangenträgers
66.
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Die bei einer in der Y- Raumachse erfühlte Position wird dabei ebenfalls
mit einem aus Spule 73 verstellbare Kern 74 bestehenden induktiven Meßwandler erfaßt.
Die Spule 73 ist dabei mit einem Spulenträger 75 an einer Stirnwand der Deckplatte
7 befestigt, die der Stirnwand gegenüber liegt, in der die Befestigungslasche 60
angeschraubt ist. Der Kern 74 ist dagegen über einen Stift 76 an einen mit der Zwischenplatte
9 verschraubten Mitnehmer 77 gekoppelt, so daß sich bei einer Verstellung des Meßtaster
1 in der Y-Achse die Spule 73 gegenüber dem feststehenden Kern 74 verstellt und
die Erzeugung eines elektrischen Meßsignals zur Folge hat. Ein Mikroschalter 78,
der am Spulenträger 75 angebracht ist, wird dabei durch einen mit Stellnocken versehenen
Schaltschieber/72erstellt und dient damit zur Auslösung von Schaltfunktionen, wenn
das jeweilige Ende des Vorlaufs erreicht ist.
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Ebenso, wie in der Y-Achse, ist auch eine Bewegung des Meßtasters
1 in der X-Achse durch Parallelverschiebung möglich Die Einstellung des Maßtasters
1 in dieser Raumachse bewirkt ein Gleichstrom-Kleinmotor 80, der in gleicher Weise,
wie in der Y-Achse eine mit einem
Ritzel versehene Triebwelle antreibt.
Dieses Ritzel kämmt an zwei gegeneinander verschiebbare Einzelzahnstangen 81, 82,
die mit Winkjlaschen 83, 84 an einem Zahnstangenträger 85 befestigt sind. Der Zahnstangenträger
85 ist an der Grundplatte 11 befestigt, so daß der Gleichstrom-Kleinmotor durch
Abrollen des angetriebenen Ritzels an den Einzelzahnstangen 81, 82 die Zwiochenplatte
9 über das zugeordnete Befestigungselement mitnimmt. Die ertastete Position des
Meßtasters 1 wird dabei ebenfalls mit einem aus Spule 86 und Kern 87 bestehenden
Meßwandler erfaßt. Die Spule 86 ist dabei mit einen Spulenträger 88 an einer Stirnwand
der Zwischenplatte 9 gegenüber dem Gleichstrom-Kleinmotor 80 befestigt, während
der Kern 87 über einen Stift 89 an einen an der Grundplatte 11 befestigten Mitnehmer
90 gekoppelt ist. Auch in dieser Raumachse ist am Spulenträger 88 ein Mikroschalter
91 angebracht, der beim Erreichen des jeweiligen Vorlaufendes durch einen mit Schaltnocken
versehenen Schaltschieber 92 verstellbar ist und damit zur Auslösung vorbestimmter
Schaltfunktionen dient.
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Die Gleichstrom-Kleinmotore erlauben es, den Meßtaster 1 innerhalb
seines Vorl.iufs zu positionieren. Dabei ist es möglich, jede beliebige Raumposition
anzufahren. Die Motore erfüllen dabei die Aufgabe der Haltevorrichtungen, indem
sie aufgrund ihrer erzeugten Drehmomente den Meßtaster 1 in der eingenommenen (gesteuerten)
Position festhalten. Je nach Größe dieser Drehmomente ergibt sich dadurch ein kraftabhängiger
Anschlag, welcher ein hinreichend stoßfreies Auflaufen des Meßtasters in der jeweiligen
Achse bzw.
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Achsen gewährleistet. Dadurch ergibt sich auch eine Möglichkeit zur
Steuerung der Anpreßkraft, mit welcher der Meßtaster an einem Meßobjekt anzuliegen
hat. Die absolute Genauigkeit im Nullpunkt kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Positionierung stets erreicht werden, indem den jeweiligen Kleinmotoren von den
zugeordneten Regelstufen so lange Steuersignale entsprechender Polarität zugeführt
werden, bis die zugeordneten Meßwandler ein Nullsignal ausgeben.
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Die für cine sehr genaue Positionierung des Meßtasters erforderliche
Spielfreihcit wird durch die Aufteilung der Zahnstangen in gegeneinander verschiebbare
Einzelzahnstangen gewährleistet. Dabei kann der unvermeidbaren Abnutzung durch eine
automatische Nachstellung mit Hilfe einer auf eine Einzelzahnstange einwirkenden
Druckfeder Rechnung getragen werden. Bei einem Meßvorgang fühlt der Meßtaster 1
das zu vermessende Meßobjekt ab und erzeugt mit Hilfe der Meßwandler entsprechende
Positionesignale. Der Meßtaster kann dabei manuell oder automatisch an ein Meßobjekt
herangeführt werden. Beim manuellen Heranführen wird der Meßtaster aus seiner Nullposition
herausgelenkt, wodurch Meßsignale in den entsprechenden Raumachsen (X, Y, Z) erzeugt
werden. Diese Meßsignale wirken auf die bei einer Meßmaschine vorgesehene automatische
Steuerung in der Weise ein, daß der Meßkopf der Auslenkung des Meßtasters folgt.
Es ist daher möglich, den Meßkopf durch Auslenken des Meßtasters diagonal durch
den Meßraum der Meßmaschine zu führen. Diese Methode ist besonders dann angebracht,
wenn maßlich unbekannte Meßobjekte zu vermessen sind.