DE3902858A1 - Messkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Messung geometrischer Parameter von Objekten durch die Bestimmung von Koordinaten der Punkte und betrifft ins­ besondere Meßköpfe.

Die Erfindung kann an Koordina­ tenmeßmaschinen und NC-Werkzeugmaschinen angewendet werden.

Es ist ein Meßkopf (GB, A 14 45 977) bekannt, der ein Gehäuse mit Stützflansch, einen Meßhebel mit einem Meßeinsatz an einem Ende und mit an dessen anderem En­ de befestigten drei Radialstäben, welche senkrecht zu dem Meßhebel angeordnet sind und Stützen mit zylindri­ scher Berührungsfläche und mit radial angeordneten Ach­ sen aufweisen, sowie drei Berührungs- und Stützbaugrup­ pen enthält, von denen jede in Form eines Paares von Kugeln ausgebildet ist, die sich am Stützflansch des Gehäuses unterhalb der Stützen des Meßhebels befinden, von dem Stützflansch isoliert sind und einen gemeinsamen elektrischen Stromkreis bilden. Von jeder Stütze des Meßhebels wird ein Paar der Kugeln geschlossen. Bei einer Berührung des Meßeinsatzes mit dem zu messenden Objekt wird der Stromkreis mindestens an einer der Stützen unterbrochen und es wird ein Befehl zum Ablesen der Koordinaten gegeben. Das Elektrokontaktprinzip der Umwandlung einer Verschiebung in ein Signal, das in diesem Meßkopf realisiert wird, sichert in Verbindung mit einem Untersetzungsgetriebe am Meßhebel die Reproduzier­ barkeit des Ansprechens nur in Einheiten von Mi­ krometern und hat eine nicht ausreichende Zuverlässigkeit zur Folge.

Es ist en Meßkopf (SU, A 11 67 414) bekannt, umfassend ein Gehäuse mit Stützen, einen im Gehäuse angeordneten Verschiebungsgeber mit einer Stange, an deren Stirnfläche eine Aufnahme vorgesehen ist, einen Meßhebel, der an einem Ende einen Meßeinsatz und an dem anderen Ende eine Aufnahme sowie in seinem mittleren Teil eine Stütze aufweist, die in Form von zwei Kugeln ausgebildet ist, wobei die die Mittelpunkte dieser Ku­ geln verbindende Linie die Achse des Meßhebels kreuzt und die Kugeln zu beiden Seiten des Meßhebels angeord­ net sind. Der Meßkopf enthält auch eine Kugel, die sich im Zwischenraum zwischen den Aufnahmen des Meß­ hebels und der Stange befindet. Die Stützen des Gehäu­ ses sind in Form von zwei Kugeln ausgebildet, die dia­ metral an der Achse des Gehäuses angeordnet sind. Bei einer Verschiebung des Meßeinsatzes wird die Stange von der Kugel axial bewegt, und vom Geber wird ein Si­ gnal geliefert, das der Verschiebung der Stange ent­ spricht. Dieser Meßkopf weist keine ausrei­ chende Zuverlässigkeit auf, weil der Schwenkungswinkel des Meßhebels klein ist.

Es ist ein Meßkopf (siehe V. A. Chudov u. a. "Meßkontrolle im Maschinenbau", 1982, Verlag Mashino­ stroenie", Moskau, S. 146, Abb. 103) bekannt. Der be­ kannte Meßkopf enthält ein Gehäuse mit Flansch, einen Meßhebel mit einem Meßeinsatz an einem Ende und mit einem Stützelement, das an seinem anderen Ende starr befestigt und am Flansch des Gehäuses abgestützt ist, ein Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhe­ bels um die eigene Achse sowie ein Mittel zum Zentrie­ ren des Meßhebels, das am Meßhebel befestigt ist, einen Meßwandler mit einer Stange, wobei der Meßwand­ ler im Gehäuse derart untergebracht ist, daß die Stan­ ge mit dem Meßhebel in Wechselwirkung treten kann. Die Stange ist koaxial zu dem Meßhebel angeordnet. Das Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse ist am Meßhebel befestigt und mit dem Gehäuse gekoppelt. Das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels und das Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse sind bei dem vorliegenden Meßkopf konstruktionsmäßig vereinigt und in Form einer Membrane ausgebildet, die am Meßhe­ bel und am Gehäuse befestigt ist. Von der Membrane wird jedoch die radiale und die axiale Bewegung des Meßein­ satzes begrenzt, d. h. dessen Arretierungstiefe vermin­ dert, was eine nicht ausreichende Zuverlässigkeit des Meßkopfes zur Folge hat. Ein übermäßiger Hub des Meß­ einsatzes kann zu einem Bruch der Membrane oder des Meßhebels führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf mit einer solchen konstruktiven Ausführung zu entwickeln, die es gestattet, durch die Anordnung eines Mittels zum Zentrieren des Meßhebels die Arretierungs­ tiefe zu vergrößern und auf diese Weise die Zuverläs­ sigkeit des Meßkopfes zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Meßkopf, enthaltend ein Gehäuse mit Flansch, einen Meßhebel mit einem Meßeinsatz an einem Ende und einem Stützelement, das an dem anderen Ende starr befestigt und an dem Flansch des Gehäuses abgestützt ist, einen Meßwandler mit einer Stange, welche koaxial zu dem Meßhebel angeordnet ist, wobei der Meßwandler im Gehäuse derart untergebracht ist, daß die Stange mit dem Meßhebel in Wechselwirkung treten kann, ein Mitel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse, das an dem Meßhebel befestigt und mit dem Gehäuse gekoppelt ist, ein Mittel zum Zen­ trieren des Meßhebels, das am Meßhebel befestigt ist, erfindungsgemäß das Mittel zum Zentrieren des Meß­ hebels mit der Stange verbunden ist.

Es ist möglich, die Verbindung des in Form von zwei Paaren in Wechselwirkung stehender sphärischer Elemente ausgebildeten Mittels zum Zentrieren des Meß­ hebels mit der Stange dadurch zu verwirklichen, daß ein Paar der sphärischen Elemente an der Stirnfläche der Stange und das zweite Paar der sphärischen Elemente am Stützelement befestigt werden, wobei das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels auch als Mittel zur Verhin­ derung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Ach­ se dient.

Es kann auch zweckmäßig sein, die Verbindung des in Form von Aufnahmen und einer in diesen angeordneten Kugel ausgebildeten Mittels zum Zentrieren des Meßhebels mit der Stange dadurch zu verwirklichen, daß eine der Aufnahmen in der Stirnfläche der Stange und die andere Aufnahme in der Stirnfläche des Meßhebels angeordnet ist, wobei das Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse in Form einer ela­ stischen Manschette ausgebildet ist, die am Gehäuse und an dem Meßhebel befestigt ist.

Der Meßkopf ist durch einen erhöhten Informa­ tionsinhalt gekennzeichnet, weil dabei ein beliebiger Einkoordinaten-Meßwandler verwendet werden kann. Dadurch wird es möglich, die Meßleistung an NC-Werkzeugmaschinen zu erhöhen. Eine hohe Genauigkeit und Stabilität der Messungen werden durch die Achssymmetrie erzielt, die es gestattet, den Meßkopf an Präzisionswerkzeugmaschi­ nen und Koordinatenmeßmaschinen zu verwenden. Der Meß­ kopf ist zuverlässig und langlebig beim Betrieb an NC-Werkzeugmaschinen. Bei dem erfindungsgemäßen Meß­ kopf läßt sich ein großer Meßbereich durch die An­ wendung des Meßwandlers mit einer Stange leicht errei­ chen, deren Hub der Arretierungstiefe des Meßeinsatzes entspricht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Zeich­ nungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Meßkopf, bei dem das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels und das Mit­ tel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse in Form von zwei Paaren in Wechsel­ wirkung stehender sphärischer Elemente ausgebildet sind, im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, gemäß der Erfindung;

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Meßkopf, bei dem das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels in Form von Aufnahmen und einer in diesen angeordneten Kugel ausge­ bildet ist, im Längsschnitt.

Der Meßkopf enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1) mit einem Flansch 2, einen Meßhebel 3 mit einem Meßein­ satz 4 an einem Ende und mit einem Stützelement 5, das an dem anderen Ende des Meßhebels 3 starr befestigt und an dem Flansch 2 des Gehäuses 1 abgestützt ist. Ein Meßwandler 6 mit einer Stange 7 ist im Gehäuse derart untergebracht, daß die Stange 7 mit dem Meßhebel 3 in Wechselwirkung treten kann, wobei die Stange 7 koaxi­ al zu dem Meßhebel 3 angeordnet ist. Die Stange 7 ist mit einem Hebel (in Fig. 1 nicht abgebildeten) elastischen Element des Meßwandlers 6 verbunden, das eine Meßkraft erzeugt. Das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels ist in Form eines Sattelpaares, bestehend aus zwei Paaren von in Wechselwirkung stehenden sphärischen Elementen 8, 9 und 10, 11 (Fig. 2), ausgeführt. Das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels ist mit der Stange 7 (Fig. 1) verbunden und am Meßhebel 3 befestigt. Die Verbindung des Mittels zum Zentrieren des Meßhebels mit der Stan­ ge 7 wurde dadurch verwirklicht, daß ein Paar der sphärischen Elemente 10 (Fig. 2), 11 an der Stirnfläche der Stange 7 (Fig. 1) und das zweite Paar der sphäri­ schen Elemente 8, 9 am Stützelement 5 befestigt wurden. Die Befestigung der sphärischen Elemente 8, 9 bzw. 10, 11 (Fig. 2) wird, beispielsweise durch deren Einkleben oder Schweißen erreicht. Es sind auch andere (nicht gezeigte) Ausführungsvarianten des Sattelpaares, z. B. in Form von zwei Paaren gegenläufig angeordneter Kegel oder in Form von zwei Paaren von Zylindern mög­ lich.

Der Meßkopf enthält eine Manschette 12 (Fig. 1), die den Meßkopfmechanismus vor Verschmutzung schützt. Das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels dient auch als Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigenen Achse. Das Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse ist am Meß­ hebel 3 befestigt und mit dem Gehäuse 1 über die Stange 7 kinematisch verbunden. Zur Erhöhung der Ruckfreiheit des Betriebs ist die Oberfläche 13 des Flansches 2 mit einem besonderen Werkstoff überzogen.

Eine andere Ausführungsform des Mittels zum Zen­ trieren des Meßhebels und des Mittels zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse ist in Fig. 3 wiedergegeben. Dabei ist das Mittel zum Zentrie­ ren des Meßhebels in Form von Aufnahmen 14 und 15 und einer in diesen Aufnahmen 14, 15 angeordneten Kugel 16 ausgebildet, wobei die genannten Aufnahmen 14, 15, z. B. kegelförmig ausgeführt und in den Stirnflächen des Meßhebels 3 und der Stange 7 angeordnet sind. Das Mit­ tel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigenen Achse ist in Form einer elastischen Manschet­ te 17 ausgebildet, die unmittelbar am Gehäuse 1 und am Meßhebel 3 befestigt ist. Gleichzeitig verhindert die Manschette 17 ein Eindringen von Feuchtigkeit und fremder Teilchen in das Gehäuse 1.

Der erfindungsgemäße Meßkopf funktioniert folgendermaßen.

Das Gehäuse 1 (Fig. 1) wird im beweglichen Teil des Mittels für Koordinatenmessungen bei einer Werkzeug­ maschine, einer Koordinatenmeßmaschine oder einem Ro­ boter befestigt, und es wird mit vorgegebener Geschwin­ digkeit an das zu messende Objekt (in Figur nicht wie­ dergegeben) herangeführt. Vor der Berührung des Meßein­ satzes 4 mit dem zu messenden Objekt liegt das Stütz­ element 5 unter Einwirkung der Stange 7 mit seiner Ringfläche auf dem Flansch 2. Dabei wird der Meßhebel 3 entweder mittels der sphärischen Elemente 8, 9, 10, 11 (Fig. 2) oder mittels der Kugel 16 (Fig. 3), welche in den Aufnahmen 14 und 15 des Meßhebels bzw. der Stange 7 angeordnet ist, zentriert. Der Meßhebel 3 (Fig. 1) ist entweder mittels der sphärischen Elemente 8, 9, 10, 11 (Fig. 2), oder mittels der Manschette 17 (Fig. 3) vor einer Drehung um die eigene Achse gesi­ chert. Die Stange 7 liegt in maximal vorgeschobener Stellung.

Bei der Berührung des Meßeinsatzes 4 (Fig. 1) mit dem zu messenden Objekt wird der Meßhebel 3 ge­ schwenkt, wobei er sich mit einem Punkt des Stützelementes 5 am Flansch 2 abstützt. Dabei wird die Stange 7 in eine andere Endstellung bewegt. Vom Meßwandler 6 wird ein Signal der Stellung erzeugt. Nach diesem Si­ gnal wird im Steuersystem des Mittels zur Messung von Koordinaten (in Figur nicht wiedergegeben) die Koordina­ te der Stellung des beweglichen Teils des Mittels zur Messung von Koordinaten abgelesen. Der Meßkopf kann mit Meßeinsätzen 4 beliebiger Form, darunter auch mit einem kreuzförmigen Meßeinsatz versehen werden. Durch die Anordnung des Mittels zum Zentrieren des Meßhebels, die zu einer Verbindung des Meßhebels mit der Stange 7 und über diese zur kinematischen Verbindung desselben mit dem Gehäuse 1 beiträgt, werden recht große ra­ diale und axiale Verschiebungen des Meßeinsatzes 4 ermöglicht, die dessen tiefe Arretierung zulassen. Da­ durch wird ein Bruch des Meßkopfmechanimus verhin­ dert und somit die Zuverlässigkeit des Meßkopfes er­ höht und der Meßbereich von Meßköpfen erweitert, bei denen der Meßwandler 6 ein Analogsignal erzeugt.

Claims (4)

1. Meßkopf, enthaltend:

• - ein Gehäuse (1) mit einem Flansch (2),
• - einen Meßhebel (3) mit einem Meßeinsatz (4) an einem Ende und einem Stützelement (5), das am ande­ ren Ende starr befestigt und an dem Flansch (2) des Gehäuses (1) abgestützt ist,
• - einen Meßwandler (6) mit einer Stange (7), welche koaxial zu dem Meßhebel (3) angeordnet ist, wo­ bei der Meßwandler (6) im Gehäuse (1) derart unterge­ bracht ist, daß die Stange (7) mit dem Meßhebel (3) in Wechselwirkung treten kann,
• - ein Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse, das an dem Meßhebel (3) befestigt und mit dem Gehäuse (1) gekoppelt ist,
• - ein Mittel zum Zentrieren des Meßhebels, das am Meßhebel (3) befestigt ist,

dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels mit der Stange (7) verbunden ist.

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die Verbindung des in Form von zwei Paaren in Wechselwirkung stehender sphärischer Elemente (8, 9, 10, 11) ausgebildeten Mittels zum Zentrieren des Meß­ hebels mit der Stange (7) dadurch verwirklicht ist, daß ein Paar der sphärischen Elemente (10, 11) an der Stirnfläche der Stange (7) und das zweite Paar der sphärischen Elemente (8, 9) am Stützelement (5) befe­ stigt ist, wobei
• - das Mittel zum Zentrieren des Meßhebels auch als Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhe­ bels um die eigene Achse dient.

3. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die Verbindung des in Form von Aufnahmen (14, 15) und in einer in diesen angeordneten Kugel (16) ausge­ bildeten Mittels zum Zentrieren des Meßhebels mit der Stange (7) dadurch verwirklicht ist, daß eine der Aufnahmen (15) in der Stirnfläche der Stange (7) und die andere Aufnahme (14) in der Stirnfläche des Meßhe­ bels (3) angeordnet ist, wobei
• - das Mittel zur Verhinderung einer Drehung des Meßhebels um die eigene Achse in Form einer elasti­ schen Manschette (17) ausgebildet ist, die am Gehäuse (1) und an dem Meßhebel (3) befestigt ist.