DE19623601A1 - Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte mit einer Klemmvorrichtung zur Klemmung des auslenkbaren Teils des Tastkopfes - Google Patents

Description

Die Tastköpfe von Koordinatenmeßgeräten las sen sich im wesentlichen in zwei Kategorien einteilen, einmal in sogenannte schaltende Tastköpfe, die lediglich die Berührung des Taststifts bzw. der Tastkugel mit dem Werkstück signalisieren, und in sogenannte messende Tastköpfe, die der Auslenkung des beweglichen Taststiftträgers in einer oder mehreren Koordinatenrichtungen proportionale Signale liefern. Mit Tastköpfen des letztgenannten Typs lassen sich auch im sogenannten Scanning-Betrieb die Oberflächen von Werkstücken bei kontinuierlicher Anlage der Tastkugel am Werkstück abfahren. Unter anderem in dieser Betriebsart ist es häufig wünschenswert, die Auslenkung des beweglichen Taststiftträgers in einer oder zwei Koordinatenrichtungen zu blockieren, d. h. die Führungen, an denen der bewegliche Taststiftträger aufgehängt ist, - das können beispielsweise drei aneinander gehängte Federparallelogramme sein wie bei dem in der DE-PS 22 42 355 beschriebenen Tastkopf - zu klemmen.

Auch für den in der älteren Patentanmeldung P 44 33 917.8 anhand der Fig. 7 und 8 beschriebenen Tastkopf ist es bei bestimmten Messungen erforderlich, die vertikale w-Achse zu klemmen, um beispielsweise den Durchmesser eines zylindrischen Werkstücks auf einem Meridian abzufahren.

Für den Einsatz in Tastköpfen von Koordinatenmeßgeräten geeignete Klemmvorrichtungen haben allerdings zwei wesentliche Nebenbedingungen zu erfüllen, insbesondere wenn Wert auf eine möglichst geringe Meßunsicherheit des mit dem Tastkopf ausgerüsteten Gerätes gelegt ist. Zum einen sollte die Klemmvorrichtung keine oder nur sehr wenig Verlustleistung in den Tastkopf einleiten. Denn andernfalls verursacht die entstehende Wärme Längenänderungen, die zum Auswandern der Tastkugel aus ihrer kalibrierten Nullage führen. Zum anderen sollte die Klemmvorrichtung die Führungen für den beweglichen Taststiftträger, d. h. z. B. die Federparallelogramme, an denen der Taststiftträger aufgehängt ist, nicht deformieren bzw. keine störenden Querkräfte auf die Federparallelogramme ausüben.

Diese Forderungen wurden bisher nur mit verhältnismäßig hohem konstruktiven Aufwand erfüllt. So ist beispielsweise in der DE-PS 22 42 356 ein feinverstellbares Präzisionsgesperre beschrieben, mit dem zwei gegeneinander bewegliche Teile hinsichtlich ihrer Lage mechanisch geklemmt werden können. Dieses Gesperre benutzt einen Elektromotor mit Gewindespindel, um einen kinematisch gelagerten Doppelhebel mit Hilfe einer Feder in eine Nut am anderen Teil zu drücken. Hierbei werden jedoch störende Querkräfte senkrecht zur Bewegungsrichtung der beiden gegeneinander verschiebbaren Teile von dem einen auf das andere Teil ausgeübt. Diesen Nachteil besitzt auch die in der Fig. 5 der DE-OS 43 31 655 dargestellte Klemmvorrichtung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Tastkopf der eingangs genannten Art die Klemmvorrichtung zur Klemmung des auslenkbaren Teils des Tastkopfs in mindestens einer Koordinate konstruktiv möglichst einfach so auszugestalten, daß bei Betätigung der Klemmvorrichtung nur sehr geringe oder gar keine Querkräfte auf das auslenkbare Teil des Tastkopfs ausgeübt werden.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß die Klemmkraft nur als innere Kraft innerhalb der Klemmvorrichtung wirkt. Querkräfte auf den auslenkbaren Teil des Tastkopfes sind fast vollständig ferngehalten. Wenn die Verbindung zwischen der Klemmvorrichtung und dem auslenkbaren Teil des Tastkopfes über ein biegeweiches Teil, beispielsweise eine dünne und schlanke Blattfeder erfolgt, dann wirkt nur noch die sehr geringe Biegekraft der verwendeten Blattfeder auf das bewegliche Teil des Tastkopfes zurück.

Zudem ist der gesamte Aufbau konstruktiv sehr einfach zu gestalten und zwar auch so, daß die Klemmvorrichtung weder im entklemmten noch im geklemmten Zustand, sondern nur während der Schaltvorgänge zwischen diesen beiden Zuständen Energie verbraucht. Das läßt sich beispielsweise mit einem Elektromagneten erreichen, dessen Ankerplatte zwischen zwei Stellungen schaltbar ist. Solche bipolaren schaltbaren Magnete bestehen aus einem Elektromagneten und zusätzlich einem Permanentmagneten, dessen Flußverlauf innerhalb des die Magnete umgebenden Weicheisentopfes umschaltbar ist. Sie finden beispielsweise Verwendung bei Tasterwechselein­ richtungen wie sie u. a. in der DE-PS 33 20 127 und der DE-OS 39 22 297 beschrieben sind.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich bei geeigneter Ausbildung der Bestandteile der Klemmvorrichtung eine genaue Justage dieser Bestandteile zueinander erübrigt. Hierzu trägt insbesondere die konstruktive Ausbildung mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen bei, wobei die V-förmige Nut dann zweckmäßig so angeordnet ist, daß sie senkrecht zur Bewegungsrichtung des auslenkbaren Teils des Tastkopfes verläuft.

Um zu vermeiden, daß die Klemmvorrichtung oder die Führungen des beweglichen Teils des Tastkopfes bei übermäßiger Tastkraft zwischen Taststift und Werkstück beschädigt werden, ist es zweckmäßig, wenn die Klemmvorrichtung bei überschreiten einer definierten maximalen Haltekraft das geklemmte Teil freigibt. Auch das läßt sich durch eine geeignete federelastische Ausbildung der zwei Teile der Klemmvorrichtung erreichen, die das biegeweiche Teil zangenförmig umfassen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Haltekraft der Klemmvorrichtung einstellbar und damit den Bedürfnissen entsprechend frei wählbar ist. Das ist z. B. wichtig, wenn mit kleinen, dünnen Taststiften gemessen wird. Hier sind geringere Klemmkräfte erforderlich als beim Arbeiten mit dicken Taststiften, um die Gefahr von Taststiftbrüchen zu vermeiden. Andererseits treten während eines Meßvorganges auch Situationen auf, wo höhere Klemmkräfte gefordert werden. Das ist beispielsweise beim Tasterwechsel der Fall, wenn der Taststiftträger in die gabelförmige Aufnahme des Wechselmagazins eingefahren wird, die diesem Einfahren hin und wieder einen höheren Widerstand entgegensetzt und dann versucht, den Taststiftträger aus der Klemmung herauszudrücken.

Ein alternativer Ansatz zur Lösung des eingangs geschilderten Problems ist in Anspruch 13 dargestellt. Er besteht darin, Querkräfte bei der Klemmung des auslenkbaren Teils des Tastkopfes zuzulassen, die aufgrund der Verformungen der Führungen dann jedoch auftretende Abweichung der Lage der Tastkugel anschließend rechnerisch zu korrigieren. Hierzu kann beispielsweise die beim Betätigen der Klemmeinrichtung auftretende Lageänderung des Taststiftträgers einmal gemessen und anschließend als Korrekturparameter im Rechner oder in der Steuerung des Koordinatenmeßgerätes zur anschließenden soft- oder firmwaremäßigen Korrektur abgespeichert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und sind nachfolgend anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Prinzipskizze, die einen Tastkopf mit in nur einer Koordinatenrichtung auslenkbarem Taststift und mit einer Klemmvorrichtung zur Arretierung der Taststiftbewegung in der genannten Koordinate zeigt;

Fig. 2 zeigt den in der Klemmvorrichtung (9) von Fig. 1 verwendeten bipolar schaltbaren Magneten im Schnitt;

Fig. 3 ist eine detaillierte Ansicht der Klemmvorrichtung (9) in Fig. 1 in vergrößertem Maßstabe;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung der Klemmvorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung teils im Schnitt, teils in Ansicht;

Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung teils im Schnitt, teils in Ansicht.

Der in Fig. 1 dargestellte Tastkopf besitzt ein am Koordinatenmeßgerät (1) befestigtes erstes, feststehendes Teil (2), gegenüber dem der bewegliche Taststiftträger (3) wie durch den Pfeil (z) symbolisiert vertikal auslenkbar ist. Hierzu ist das Teil (3) am Teil (2) mit Hilfe eines Federparallelogramms befestigt. Die beiden Schenkel des Federparallelogramms sind mit (4a und 4b) bezeichnet. Die bei Tastköpfen üblicherweise vorhandenen Einrichtungen zur Messung der Auslenkung und zur Gewichtsentlastung des Taststiftträgers (3) sind hier nicht dargestellt. Am Taststiftträger (3) ist über ein Halteteil (5) der Taststift (6) mit der Tastkugel (7) des Tastkopfs angesetzt.

Um die Auslenkung in weitere Koordinatenrichtungen zu ermöglichen, kann der Taststift (6) beispielsweise in dem Halteteil (5) mittels eines Schwenkgelenks allseitig nachgiebig gelagert sein oder es können weitere lineare Führungssysteme für die Koordinatenrichtungen x und y vorgesehen sein, beispielsweise zusätzliche in die beiden anderen Raumrichtungen orientierte Federparallelogramme, die zwischen dem Taststiftträger (3) und dem Halteteil (5) angeordnet sein können.

Zur Arretierung des Taststifts (6) bezüglich der Koordinate (z) ist am feststehenden Teil (2) des Tastkopfes über einen Träger (8) eine Klemmvorrichtung (9) befestigt, die mit einem in Richtung der Koordinate (z) starren, jedoch senkrecht dazu in Richtung des Pfeils (24) biegeweichen Teil (13) zusammenwirkt. Dieses Teil (13), vorzugsweise eine Blattfeder, ist mit seinem unteren Ende mittels eines Halters (12) am auslenkbaren Teil (3) des Tastkopfs befestigt und erstreckt sich weit über den eigentlichen zulässigen Bewegungsbereich des auslenkbaren Teils (3) hinaus in Richtung der Koordinate (z) bis zur Klemmvorrichtung (9). Dort trägt die Blattfeder (13) an ihrem anderen Ende eine fest mit ihr verbundene Kugel (14). Diese Kugel (14) wird in der Mittelstellung des auslenkbaren Teils (3) von zwei Teilen (10) und (11) der Klemmvorrichtung zangenförmig von zwei Seiten umfaßt. Während das am Träger (8) befestigte Teil (11) eine V-förmige Nut (23) trägt und als Amboß wirkt, ist das Teil (10) in Richtung des Pfeils (24) beweglich und dient als Hammer, mit dessen Hilfe die Kugel (14) während des Klemmvorganges in die V-Nut (23) gedrückt wird.

Zur Bewegung des Hammers (10) in die geklemmte und in die entklemmte Stellung dient ein bipolar schaltbarer Elektromagnet in der Klemmvorrichtung (9). Dieser Magnet ist in Fig. (2) skizziert. Dieser Magnet, der beispielsweise unter der Bezeichnung PEM 1515 von der Firma Thoma Magnettechnik in Donaueschingen bezogen werden kann, besitzt ein topfförmiges Weicheisengehäuse (15), in das ein Permanentmagnet (16) sowie der Flußführungskörper (17) für den Elektromagneten (18) zentrisch eingesetzt sind. Geschlossen wird der Magnetfluß durch einen beweglichen Anker (19), der im geklemmten Zustand auf dem Rand des topfförmigen Weicheisenteils (15) aufliegt. Der Anker (19) ist mittels einer Schraube (21) an eine Biegefeder (20) angeschraubt, die in der gezeichneten Stellung vorgespannt ist. Wird nun der Elektromagnet (18) durch einen kurzen Stromimpuls bezüglich seines Magnetfelds gegensinnig zum Permanentmagneten (16) erregt, entspannt sich die Feder (20) und löst den Anker (19) vom Weicheisenteil (15) in die gestrichelt gezeichnete Stellung. Dort verbleibt die Biegefeder mit dem Anker (19) auch ohne weitere Stromzufuhr.

Schaltet man hingegen durch einen weiteren Stromimpuls mit entgegengesetzter Stromrichtung den Elektromagneten (18) mit seinem Feld gleichsinnig zum Permanentmagneten (16), dann verstärken sich die beiden Magnetfelder, der Luftspalt zum Anker (19) wird überbrückt und der Anker (19) wird wieder gegen den Weicheisentopf (15) gezogen, wo er auch ohne weitere Stromzufuhr verbleibt.

Die Biegefeder (20) steht über den Anker (19) über und trägt an ihrem vorderen Ende den Hammer (10), der wie beschrieben durch kurze Stromimpulse wechselnder Stromrichtung zwischen den beiden gezeichneten Stellungen hin und her schaltbar ist. Er ist einer der wesentlichen Bestandteile der Klemmvorrichtung (9), die in den Fig. 3 und 4 nochmals detaillierter dargestellt ist. Die Klemmvorrichtung besitzt u. a. einen bügelförmigen Halter (22), der mit vier Schrauben am feststehenden Teil (2) bzw. dem Halteteil (8) des in Fig. 1 dargestellten Tastkopfes befestigt werden kann. In dem bügelförmigen Halter sind der bipolare Elektromagnet (15) eingesetzt sowie das als Amboß wirkende Teil (11) mit der V-förmigen Nut (23). An der Halterung (22) ist außerdem die Biegefeder (20) befestigt, an die der Anker (19) des Magneten (15) angeschraubt ist. Diese Biegefeder (20) wirkt als elastisch nachgiebiger Klemmhebel, der die Kugel (14) am oberen Ende der Blattfeder (13) mittels des Hammers (10) in die Nut (23) des Amboßteils (11) drückt. Bei übermäßiger auf den Taststift (6) in Richtung des Pfeils (z) wirkender Kraft gibt die Biegefeder (20) jedoch nach, so daß die Kugel (14) auch im geklemmten Zustand aus der durch die V-förmige Nut (23) gebildeten Raste ausweichen kann.

Eine genaue Justage des Permanentmagneten, der Biegefeder (20), des Amboß′ (11) mit V-Lager (23) sowie der Kugel (14) ist nicht erforderlich, da sich letztere auch bei kleineren Abweichungen von der exakten Mittelstellung des beweglichen Teils (3) des Tastkopfes selbstzentrierend klemmen läßt.

Allerdings ist es nicht erforderlich, daß die Teile (10,11 und 14) in der beschriebenen Weise ausgebildet werden müssen. Beispielsweise kann statt der V-Nut (23) im Amboß (11) auch eine entsprechend ausgerichtete Walze verwendet sein, gegen die eine Doppelkugel am Teil (13) gedrückt wird. Wenn mehrere Taststellungen gewünscht werden, kann die Blattfeder (13) auch mehrere hinter bzw. übereinander angeordnete Kugeln enthalten. Schließlich ist es auch möglich, die Blattfeder (13) bei beliebigen Auslenkungen des beweglichen Teils (3) des Tastkopfes zu klemmen, wenn die Blattfeder (13) und das Amboßteil (11) mit entsprechend gegenüberliegenden, rauhen Oberflächen ausgebildet werden.

Bei dem zweiten, modifizierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind gleiche oder ähnliche Teile mit einer um 100 höheren Bezugsziffer versehen verglichen mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-4. Hier ist der bügelförmige Halter 122, an dem der bipolar schaltbare Elektromagnet (118) befestigt ist, um eine Achse (102) am feststehenden Teil des Tastkopfes schwenkbar gelagert und wird von einer schwachen Zugfeder (112) gegen einen Anschlag (108) am feststehenden Teil des Tastkopfes gezogen. An der Halterung (122) ist außerdem wieder eine Biegefeder (120) befestigt, mit der das Ankerteil (119) für den bipolaren Magneten verbunden ist.

Ein Schenkel (122a) der Halterung (122) trägt an seinem Ende eine Kugel (111). Außerdem trägt auch die elastische Biegefeder (120) an ihrem Ende und zwar an der der Kugel (111) gegenüberliegenden stelle eine zweite Kugel (110). Der Schenkel (122a) mit der Kugel (111) und die Biegefeder (120) mit der Kugel (110) umfassen zangenförmig einen Steg (113) des beweglichen Teils (103) des Tastkopfs. In diesem Steg (113) ist auf der Seite der Kugel (111) eine V-förmige Nut (123) eingearbeitet, die wieder als Raste wirkt. In der gezeichneten Stellung klemmen die beiden Kugeln (110) und (111) den Steg (113). Hierbei bewegt sich der Schenkel (122a) vom Anschlag (108) weg und rastet in die V-Nut (123) ein. Auch in dem hier beschriebenen Beispiel ist die Klemmvorrichtung in den beiden Richtungen senkrecht zur Auslenkbewegung des beweglichen Teils (103) - die Auslenkbewegung erfolgt senkrecht zur Papierebene - kräftemäßig entkoppelt. Die Entkopplung in Richtung des Pfeils (124) stellt die Schwenkachse (102) sicher und die Entkopplung in der verbleibenden dritten Richtung erfolgt durch die entsprechende Anordnung der V-förmigen Nut (123).

Wieder stellt die Biegefeder (120) sicher, daß die Klemmung bei überschreiten einer definierten durch ihre Federkonstante vorgegebenen Kraft nachgibt, d. h. die Kugel (111) aus der Nut (123) ausrasten kann.

Im dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind gleiche oder ähnliche Teile mit im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-4 um 200 höheren Bezugsziffern versehen. Bei dieser Klemmvorrichtung ist die Haltekraft der Klemmvorrichtung einstellbar. Dazu ist bei sonst gleicher Funktion wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der bipolar schaltbare Elektromagnet (118) durch einen Miniatur-Elek­ tromotor (218) ersetzt, der eine Gewindespindel (216) antreibt. Die Biegefeder (220) ist anstelle des Ankers (119) aus Fig. 5 mit einer Mutter (219) verbunden, die auf der Spindel (216) sitzt, und sichert diese gleichzeitig gegen Mitdrehen. Bei entsprechender Betätigung des Motors (218) kann der zangenförmige Griff der beiden Kugeln (211) und (210) um den Steg (213) verringert oder verstärkt werden und die Haltekraft, mit der die Kugel (211) in der V-förmigen Nut (223) festsitzt, nach Belieben variiert, d. h. verkleinert oder vergrößert werden.

Claims (13)

1. Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte mit einer Klemmvorrichtung zur Klemmung des auslenkbaren Teils (3; 103; 203) gegenüber dem relativ dazu feststehenden Teil (2) des Tastkopfes, wobei das zu klemmende Teil an dem feststehenden oder beweglichen Teil (2/3; 102/103; 202/203) des Tastkopfes befestigt ist und von zwei Teilen (10/11; 110/111; 210/211) der Klemmvorrichtung zangenförmig umfaßt ist.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die Klemmvorrichtung bezüglich mindestens einer Richtung (24; 124; 224) senkrecht zur Bewegungsrichtung des auslenkbaren Tastkopfteils (3; 103; 203) kräftemäßig vom feststehenden Teil (2; 102; 202) bzw. beweglichen Teil (3; 103; 203) entkoppelt ist.

3. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die Klemmvorrichtung mit einem in Bewegungsrichtung (z) des auslenkbaren Tastkopfteils (3) starren, jedoch in mindestens einer anderen Richtung (24) biegeweichen Teil (13) zusammenwirkt, das den feststehenden Teil (2) mit dem auslenkbaren Teil (3) des Tastkopfes im geklemmten Zustand miteinander verbindet, und das biegeweiche Teil (13) mit einem Ende an dem feststehenden oder beweglichen Teil (2/3) des Tastkopfes befestigt ist und mit seinem anderen Ende geklemmt wird.

4. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die Halterung (122; 222) der Klemmvorrichtung schwenkbar gelagert ist.

5. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Klemmvorrichtung zwischen zwei Zuständen, einen entklemmten und einen geklemmten Zustand schaltbar ist derart, daß sie in beiden Zuständen zwischen den Schaltvorgängen keine Energie verbraucht.

6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Klemmvorrichtung einen Elektromagneten (15-19; 115-119) enthält, dessen Ankerplatte (19; 119) zwischen zwei Stellungen schaltbar ist.

7. Tastkopf nach Anspruch 6, wobei der Elektromagnet zusätzlich einen Permanentmagneten (16; 116) enthält.

8. Tastkopf nach Anspruch 6, wobei die Ankerplatte (19; 119) des Elektromagneten mit einem Hammer (10; 110) verbunden ist, der gegen das zu klemmende Teil (13; 113) drückt.

9. Tastkopf nach Anspruch 8, wobei das zu klemmende Teil eine an einer Blattfeder (13) befestigte Kugel (14) ist, die in eine V-förmigen Nut (11) gedrückt und dort vom Hammer (10) im geklemmten Zustand festgehalten ist.

10. Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die Klemmvorrichtung nachgiebig ist und bei überschreiten einer definierten Haltekraft das geklemmte Teil (14) freigibt.

11. Tastkopf nach Anspruch 8 und 10, wobei der Hammer (10; 110) federelastisch an der Ankerplatte (19; 119) befestigt ist.

12. Tastkopf nach Anspruch 10, wobei die Haltekraft der Klemmvorrichtung einstellbar ist.

13. Verfahren zur Korrektur der Meßwerte eines Koordinatenmeßgerätes, dessen Tastkopf eine Klemmvorrichtung zur Klemmung des auslenkbaren Teils (3) gegenüber dem relativ dazu feststehenden Teil (2) des Tastkopfes enthält, wobei die bei Betätigung der Klemmvorrichtung auftretenden Verformungen des Tastkopfes bzw. Verlagerungen des Taststiftträgers (5) ermittelt und in Form von Korrekturwerten gespeichert werden, mit denen die anschließend im geklemmten Zustand gemessenen Koordinatenmeßwerte berichtigt werden.