DE4217641C2 - Tastkopf zum dreidimensionalen Antasten von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Solche Tastköpfe dienen bei Meßmaschinen oder, anstelle eines Werkzeugs auf den Werkzeugträger aufgesetzt, bei NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen zur Meßwertbildung. Dabei kann der verwendete Meßwertgeber eine rein schaltende oder den linearen Weg des Übertragungsgliedes messende Funktion haben. In jedem Falle kommt es darauf an, die Auslenkbewegung des Taststifts mit höchster Genauigkeit in eine vom Meßwertgeber erfaßbare lineare Bewegung in Richtung der Gehäuselängsachse umzuformen.

Ein gattungsgemäßer bekannter Tastkopf ist in der deutschen Offenlegungsschrift 16 27 123 beschrieben. Sein als Radiusscheibe bezeichneter Lagerkörper hat die Form eines flachen Kugelabschnitts. Auf ihm liegt ein als zylindrischer Schieber ausgebildetes Übertragungsglied mit seiner Stirnfläche unter Federdruck auf. Der Meßwertgeber ist ein in das Gehäuse eingesteckter, an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Übertragungsglieds anliegender Axialmeßtaster. Die kugelige Randfläche des Lagerkörpers liegt "spielfrei" an der zylindrischen Innenwand des Gehäuses an, das heißt der Durchmesser des Lagerkörpers entspricht genau dem Innendurchmesser des Gehäuses, was für die Wiederholgenauigkeit von großer Wichtigkeit ist.

Die europäische Patentanmeldung 0 022 598 zeigt einen ganz ähnlichen Tastkopf, bei dem jedoch kein Übertragungsglied vorgesehen ist. Hier liegt vielmehr der Meßwertgeber mit seiner balligen Tastspitze unmittelbar an der vom Taststift abgewandten Fläche des Lagerkörpers an, so daß bei der Neigung des Lagerkörpers aufgrund der Verschwenkung des Taststifts Querkräfte auf den Meßwertgeber aufgebracht werden, was nachteilig ist.

Bei diesen beiden bekannten Tastköpfen muß die maßliche und formgenaue Einpassung des kugeligen Lagerkörpers in die zylindrische Gehäuseinnenform durch extrem teure Fertigungsmaßnahmen erkauft werden. Das macht sie zu Unikaten. Außerdem ist bei dem Tastkopf ohne Übertragungsglied die Wiederholgenauigkeit abhängig von der Qualität der Geradführung des Axialmeßtasters. Spiel desselben bezüglich der Geradführung ergibt einen Querversatz des Berührungspunkts der Tastspitze des Axialmeßtasters mit der zweiten ebenen Fläche des Lagerkörpers und damit eine verringerte Wiederholgenauigkeit des Meßwerts.

Ein anderes Beispiel eines bekannten Tastkopfes ist in der US-Patentschrift 3 250 012 beschrieben. Hierbei ist der Taststift an der kugelförmigen Seite eines halbkugeligen Lagerkörpers angesetzt. Dieser Lagerkörper ist von einer kugelringförmigen Lagerpfanne aufgenommen, die in diesem Fall den Deckel des Gehäuses bildet und vom Taststift durchsetzt wird. Mit der flachen Seite liegt der Lagerkörper an der ebenen radialen Stirnfläche einer als Übertragungsglied dienenden verschiebbaren Hülse an. Auf die Hülse wirkt eine Feder, die somit einerseits den Lagerkörper in seiner Lagerpfanne hält und andererseits durch gegenseitige Anlage der beiden ebenen Flächen den Taststift in seine Ruhestellung zurückführt.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Tastkopfes besteht darin, daß das Untersetzungsverhältnis, mit dem die Querbewegung des Taststiftendes in eine Längsbewegung des Übertragungsgliedes umgeformt wird, größer als bei den zuerst beschriebenen Tastköpfen ist. Das ergibt rechnerisch nachweisbar eine erhebliche Verringerung der Meßgenauigkeit.

Ferner wird bei den bekannten Ausführungsformen mit Übertragungsglied durch Spiel des Übertragungsgliedes in seiner Geradführung die Wiederholgenauigkeit außerordentlich stark beeinträchtigt. Wenn nämlich das Übertragungsglied beim Antasten zwangsweise verkantet, dann nimmt in der nachfolgenden Ruhestellung auch der Taststift eine von der Gehäuselängsrichtung abweichende Winkelstellung ein, die einen von der Länge des Taststiftes abhängigen Querversatz der Taststiftspitze mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Einsatz möglichst kleiner Fertigungskosten und unter Beibehaltung der wesentlichen äußeren Abmessungen die Meßgenauigkeit eines Tastkopfes zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem gattungsgemäßen Tastkopf durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Kurz ausgedrückt bestehen diese Maßnahmen darin, an dem mit verhältnismäßig einfachen Mitteln im Gehäuse längs geführten Übertragungsglied eine kugelige Lagerpfanne zur Aufnahme des Lagerkörpers anzubringen. Eine unmittelbare Einpassung des Lagerkörpers in das zylindrische Gehause ist nicht mehr erforderlich, vielmehr ist der Radius des Lagerkörpers deutlich kleiner als der Innenradius des Gehäuses. Die Querführung des Lagerkörpers wird von der Lagerpfanne im Übertragungsglied übernommen. Dies ist ein unschätzbarer Fertigungsvorteil. Außerdem kann das Übertragungsglied, das verhältnismäßig großflächig gelagert ist, die auftretenden Querkräfte ohne weiteres aufnehmen, so daß die Wiederholgenauigkeit nicht durch Querkräfte beeinträchtigt wird.

Gegenüber dem US-Patent 3 250 012 bedeuten die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein Wenden des halbkugeligen Lagerkopfs um 180° und die Versetzung der Lagerpfanne vom Deckel des Gehäuses an das Übertragungsglied.

Diese Maßnahme hat den Vorteil einer Verbesserung des Untersetzungsverhältnisses, mit dem die Querbewegung des vorzugsweise kugeligen Taststiftendes in eine Längsbewegung des Übertragungsgliedes umgeformt wird. Dieses Übersetzungsverhältnis ist entscheidend für die zu erreichende Genauigkeit. Es bestimmt sich nach der Länge des Taststiftes zwischen dem Mittelpunkt der Kugelform des Lagerkörpers und dem Kugelmittelpunkt am Taststiftende einerseits und dem Halbmesser der ebenen Fläche des Lagerkörpers andererseits.

Wird nun der Lagerkörper gegenüber dem bekannten Tastkopf um 180° gewendet, so wird sein Kugelmittelpunkt und damit der Drehpunkt des Taststiftes zum Gehäusedeckel hin verlegt und damit die untersetzungswirksame Länge des Taststiftes verkürzt, obwohl der Taststift gleich weit aus dem Gehäuse herausragt. Bei gleicher äußerlich erkennbarer Länge des Taststiftes und gleichem Gehäusedurchmesser kann somit das Untersetzungsverhältnis und damit die Meßgenauigkeit erheblich verbessert werden.

Ein anderer wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Tastköpfen mit Übertragungsglied besteht darin, daß sich der Einfluß eines evtl. auftretenden Spiels des Übertragungsgliedes in seiner Führung sehr viel geringer auf die Wiederholgenauigkeit auswirkt. Vorausgesetzt, das Übertragungsglied habe Spiel und könne verkanten (aus seiner koaxialen Lage ausweichen), dann ergibt sich bei den bekannten Tastköpfen in der Ruhestellung ein Winkelversatz des Taststiftes, während dasselbe Spiel gemäß der Erfindung nur einen Parallelversatz des Taststiftes zur Folge hat. Das bedeutet, daß der spielbedingte Querversatz der Tastkugel am Taststiftende erfindungsgemäß nur einen Bruchteil dieses Querversatzes bei den bekannten Tastköpfen beträgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Tastkopfes im Ruhezustand in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine teilweise Wiedergabe dieses Tastkopfes bei seitlich ausgelenktem Taststift.

Der dargestellte Tastkopf umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 1 mit einem Deckel 2 und einem Boden 3. Innen ist eine als Übertragungsglied wirkende Hülse 4 verschiebbar eingepaßt. Eine Feder 5, die sich am Boden 3 abstützt, drückt die Hülse 4 nach unten. An dem Boden 3 ist ein rein schematisch angedeuteter Meßwertgeber 6 befestigt, der die Längsposition der Hülse 4 bezüglich des Gehäuses 1 erfaßt und als elektrisches Signal ausgibt.

Der Deckel 2 hat eine zentrale Öffnung, durch welche ein Taststift 7 nach außen steht. In seiner Ruhestellung gemäß Fig. 1 fällt die Achse dieses Taststifts 7 mit der Gehäuseachse 8 zusammen. Der Taststift besteht aus zwei Teilen 7a und 7b, die durch einen Stift 9 miteinander verbunden sind, der eine Sollbruchstelle für den Fall der Überlastung bildet. Der äußere Teil 7e trägt am Ende wie üblich eine Tastkugel 10 aus Rubin. Das Ende des inneren Teils 7a des Taststifts ist fest mit einer als Lagerkörper dienenden Halbkugel 11 verbunden und zwar so, daß der Taststift von der ebenen Fläche 12 der Halbkugel absteht. Die Taststiftachse geht durch den Kugelmittelpunkt und steht senkrecht auf der Fläche 12.

Die Hülse 4 hat an der der Halbkugel zugewandten Stirnseite eine zentrale Bohrung 13 mit einer gebrochenen Kante. Diese Lageranordnung nimmt die Halbkugel 11 an ihrer kugeligen Seite auf und zentriert sie bezüglich der Gehäuseachse 8. Die Fläche 12 der Halbkugel liegt andererseits an der nach innen gewandten Fläche 14 des Deckels 2 an. Der äußere Ringbereich dieser ebenen Fläche ist besonders genau bearbeitet, während der übrige Flächenbereich bis zur Öffnung eine flache Vertiefung 15 aufweist, um eventuelle Schmutzpartikel aufnehmen zu können. Die Öffnung des Deckels 2 ist im übrigen durch einen Balgen 16, der sich andererseits an den inneren Teil 7a des Taststifts anlegt, abgedeckt.

Fig. 2 veranschaulicht die Auslenkbewegung des Taststifts 7 bei seitlicher Berührung eines Werkstücks. Dabei stützt sich der Rand der ebenen Fläche 12 der Halbkugel auf der Fläche 14 des Deckels 2 ab und der Kugelmittelpunkt wandert auf der Gehäuseachse 8 ein wenig nach oben. Im gleichen Maße wird auch die Hülse 4 von der Halbkugel 11 nach oben gedrückt, was meß- oder schalttechnisch erfaßt wird. Bei geringen Ausschlägen verhält sich der Weg, den die Tastkugel 10 bei dem Ausschlag quer zur Gehäuseachse 8 zurücklegt, zu dem entsprechenden Axialweg der Hülse 4 wie die Taststiftlänge l zum Kugelhalbmesser r. Dieses Maßverhältnis ist kleiner und damit für die erreichbare Meßgenauigkeit günstiger als bei dem bekannten Einbau der Halbkugel mit entgegengesetzter Orientierung, weil dabei der Kugelmittelpunkt, von dem aus die Länge l gerechnet werden muß, weiter im Gehäuseinneren liegt.

Der systematische Vorteil der Erfindung ergibt sich bei allen gattungsgemäßen Tastköpfen ungeachtet der übrigen konstruktiven Details. Der kreisförmige Kugelsitz mittels einer Bohrung mit Kantenbruch ergibt eine weiche Bewegung und ist deshalb besonders zweckmäßig. Anstelle der Schiebeführung der Hülse 4 in dem Gehäuse 1 kann vorteilhafterweise eine Kugelführung eingesetzt sein. Die Außenform der Hülse 1 wird man dem Verwendungszweck entsprechend, möglicherweise auch abweichend von der Zylinderform, wählen. Im übrigen tritt der Vorteil der Erfindung bei jeder Bauart des Meßwertgebers in Erscheinung, auch wenn der Lagerkörper bzw. der Taststift mit einer Anordnung versehen ist, die verhindert, daß er bezüglich seiner Längsachse verdreht wird.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Deckel
3 Boden
4 Hülse
5 Feder
6 Meßwertgeber
7 Taststift
7a Teil
7b Teil
8 Gehäuseachse
9 Stift
10 Tastkugel
11 Halbkugel
12 Fläche
13 Bohrung
14 Fläche
15 Vertiefung
16 Balgen
17 Kugelmittelpunkt
l Taststiftlänge
r Kugelhalbmesser.

Claims (1)

1. Tastkopf zum dreidimensionalen Antasten von Werkstücken mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, einem Meßwertgeber und einem stirnseitig aus dem Gehäuse herausragenden Taststift, welcher an einem als Kugelabschnitt ausgebildeten Lagerkörper radial und senkrecht zu dessen ebener Fläche ansitzt, wobei der Lagerkörper mit der ebenen Fläche an einer ebenen Innenfläche eines mit dem Gehäuse fest verbundenen Deckels anliegt, ferner durch Schwenken des Taststiftes um den Kugelmittelpunkt und die dadurch bewirkte Neigung der ebenen Fläche des Lagerkörpers ein Meßwertsignal erzeugt wird und in den Gehäuse ein zum Zusammenwirken mit dem Meßwertgeber geeignetes Übertragungsglied in axialer Richtung beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Lagerkörpers (11) kleiner als der Innenradius des Gehäuses (1) im Bereich der ebenen Innenfläche (14) ist und daß das Übertragungsglied (4) an der dem Lagerkörper zugewandten Stirnseite eine zentrale Bohrung (13) aufweist, an deren Kante die Kugelfläche des Lagerkörpers anliegt, so daß der Lagerkörper (11) durch die zentrale Bohrung (13) bezüglich der Gehäuseachse (8) zentriert wird.