DE2644027C3

DE2644027C3 - Tastkopf

Info

Publication number: DE2644027C3
Application number: DE2644027A
Authority: DE
Inventors: David Roberts Wotton-Under- Edge Gloucestershire Mcmurtry (Grossbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 1975-10-04
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4375723A; US4301338A; DE2644027A1; FR2326681A1; IT1074001B; GB1568053A; FR2326681B1; JPS5263358A; JPS575281B2; DE2644027B2

Description

Gegenstand des Hauptpatents 23 47 633 ist ein Tastkopf, dessen Taster durch eine Rückstellkraft in eine die Nullstellung bestimmende Lagerung gedrängt wird, aus welcher heraus er relativ zu seiner Halterung in einer Richtung verschiebbar und in mindestens einer Richtung kippbar ist, und der eine Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung aufweist, wobei die Lagerung zwei in der Halterung räumlich zueinander versetzt angeordnete Lagerstellen aufweist, an denen jeweils zueinander konvertierende Flächen mit einer Gegenfläche zusammenwirken und wobei die konvergierenden Flächen und die Gegenflächen relativ zueinander gekrümmt sind.

Ein solcher Tastkopf findet in Prüfmaschinen Anwendung, bei welchen jedesmal dann ein den jesveiligen Koordinatenwert der Tastkopfposition angegendes Signal erzeugt wird, wenn der Taster ein zu prüfendes Werkstück berührt

Der aus dem Patent 23 47 633 bekannte Tastkopf arbeitet vor allem dann zufriedenstellend, wenn eine Tasterauslenkung quer zur Richtung seiner Verschiebbarkeit erfolgt Hinsichtlich derTasterausienkung in Richtung seiner Verschiebbarkeit sind jedoch bei dem aus dem Hauptpatent bekannten Tastkopf insofern Grenzen gesetzt, als es nicht möglich ist, eine in dem gewünschten Umfang vereinfachte längliche Tasterform /u wählen und trotzdem eine Erfassung der Tasierverschiebung in Tasterlängsrichtung zu ermöglichen, bzw. eine Tasterauslenkung in beiden Richtungssinnen der Tasterlängsrichtung nicht möglich ist, ohne daß erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Eidrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Tastkopf nach dem Hauptpatent dahingehend zu verbessern und weiter auszubilden, daß bei einfachster Gestalt sowohl des Tasters selbst als auch der Tasterlagerung und der Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung eine zuverlässige Erfassung der Tasterauslenkung in jeder beliebigen Tasterauslenkungsrichtung gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solcher Tastkopf gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden Flächen an einer der beiden Lagerstellen so angeordnet sind, daß sie den Taster in der einen Richtung verschiebbar lagern, und daß die konvergierenden Flächen an der anderen Lagerstelle so angeordnet sind, daß sie den Taster um eine zu der genannten Verschiebbarkeitsrichtung senkrechten Achse kippbar lage^rn und Tasterverschiebungen entgegenwirken, und daß die Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung einen seitlich des Tasters angeordneten Annäherungsfühler aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Tasterlagerung wird der Fortschritt erzielt, daß der Taster eine sehr einfache längliche Form erhalten kann und daß trotzdem jede Tasterauslenkung in Richtung seiner Verschiebbarkeit ebenso eindeutig wie jede Tasterauslenkung quer zur Richtung seiner Verschiebbarkeit erfaßbar ist. Bei Auslenkungen in der Verschiebbarkeitsrichtung gleitet die mit den konvergierenden Flächen der solchen Taslverschiebungen entgegenwirkenden Lagerstelle zusammenwirkende Gegenfläche des Tasters längs dieser konvergierenden Flächen in Richtung aus der Lagermulde heraus, so daß der Taster eine Kippbewegung ausführt und sich von dem seitlich angeordneten Annäherungsfühler wegbewegt. Darüber hinaus gestattet die erfindungsgemäße Anordnung im Gegensatz zum Tastkopf nach dem Hauptpatent, bei welchem eine Tasterauslenkung nur in einem Rieh-

tungssinn der Verschiebbarkeitsriehtung möglich ist, Tasterauslenkungen in beiden Richtungssinnen der Verschiebbarkeitsrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht eines Tastkopfes nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Ebene 11-11 in F i g. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene IH-I Il in Fig. 1, und

F i g. 4 einen abgewandelten Taster.

Gemäß den Fig. I bh 3 weist der Taster 9 eine Tastspitze 10 auf, die an einem stabförmigen Tasterschaft 11 mit einer Längsachse 11a befestigt ist, welch letztere normalerweise in Richtung der Z-Ordinate verläuft. An ihrem Ende trägt die Tastspitze 10 eine Scheibe 12 zur Abtastung eines Werkstückes 13. Der Tasterschaft 11 ist in einem Tastergehäuse 14 gelagert, das einen Zapfen 15 zum Einspannen des Tastkopfes in eine nicht dargestellte Meßmaschine aufweist, in welcher der Tastkopf dreidimensional relativ zum Werkstück beweglich ist

Der Taster 9 ist im Gehäuse 14 an zwei Stellen A und B gelagert, die längs der Achse 11a mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. An der Lagerstelle A ist am Taster 9 eine Kugel 16 angeformt, die in einer achsensymmetrischen Lagernulde 17 liegt, welch letztere durch zueinander konvergierende Flächen 20 dreier mit gleichen gegenseitigen Abständen im Gehäuse angeordneten Kugeln 18 gebildet ist. Die Mittelpunkte dieser Kugeln liegen in einer Ebene 19, die sich längs der V-Ordinate und der Z-Ordinate erstreckt, so daß die Symmetrieachse 17a der Mulde 17 senkrecht zur Achse 11a verläuft. Die Beweglichkeit der Kugel 16 ist also durch die Lagermulde 17 auf eine Drehbewegung um die Achse 17a beschränkt und die Lagermulde wirkt einer Bewegung der Kugel 16 in der Y-Z-Ebene entgegen.

An der Lagerstelle B weist der Taster 9 einen zylindrischen Bund 21 auf, der konzentrisch mit der Achse 1 la ist und in einer Lagerkerbe 22 liegt, die durch zueinander konvergierende Flächen 23 zweier Kugeln 24 gebildet ist, deren Mittelpunkte in der Ebene 19 auf einer zur ^chse 17a senkrechten Linie liegen. Die Flächen 23 beschränken die Beweglichkeit des zylindrischen Bundes 21 auf eine Verschiebung in der Z-Richtung und wirken so einer andernfalls möglichen Drehung der Tastspitzc in der K-Z-Ebene um den Mittelpunkt der Kugel 16 herum entgegen.

Der Tas'er 9 ist durch eine Feder 25, die an einer Zwischen den beiden Lagerstellen A und B gelegenen Stelle zwischen dem Gehäuse 14 und dem Tasterschaft 11 angeordnet ist, zj den Kugeln 18 und 24 vorgespannt. Bei Berührung mit allen fünf Kugeln 18 und 24 befindet sich der Taste¹· 9 in seiner Nullstellung und wird durch die Vorspannkraft der Feder 25 und die Konvergenz der Kugeloberfläche in dieser Nullstellung gehalten, da die Vorspannkraft der Feder 25 die Kugel 16 und den Bund 21 des Tasters in die tiefstmögliehe Stellung der bO Lagermulde 17 und der Lagerkerbe 22 hineindrängt. Wie noch erläutert wird, Ist der Taster 9 aus seiner Nullstellung entgegen der Rückstellkraft der Feder auslenkbar, wenn infolge einer Berührung mit dem Werkstück eine Kraft auf die Scheibe 12 ausgeübt wird, M Beim Aufhören dieser Kraft wird der Taster 9 durch die genannte Rückstellkraft wieder in seine Nullstellung gedrängt.

Jede Bewegung des Tasters 9 relativ zum Gehäuse 14 ist mittels eines Metall-Annäherungsfühlers 26 erfaßbar, der in einem aus Kunststoff bestehenden Teil des Gehäuses angeordnet ist. Zum Zwecke der Erfassung einer Tasterauslenkung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß eine Auslenkung der Scheibe 12 in irgendeiner Richtung der Ordinaten Y und Z zu einem Kippen des Tasters 9 führen muß, aufgrund welcher die Achse lia des Tasterschaftes aus dem Parallelitätszustand mit der V-Z-Ebene herausbewegt wird. Demgemäß bedingt eine Tasterbewegung in der V-Richtung, daß der zylindrische Bund 21 an der einen oder anderen der beiden Kugelflächen 23 hinaufgleitet und dadurch der Taster 9 um die Achse 17a herum und aus der V-Z-Ebene herausgeschwenkt wird. In ähnlicher Weise bedingt eine Tasterbewegung in der Z-Richtung ein Hinaufgleiten der Kugel 16 auf mindestens eine der drei Kugeln 18 und folglich ein Kippen des Tasters 9 auf den Kugeln 24. Eine Tasterbewegung in der X-Richtung zieht ein Kippen des Tasters 9 auf den Kugeln 18 oder den Kugeln 24 nach sich. Jede dieser Tasttrbewegungen ist an einem im wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden Lagerstellen A und B befindlichen Teil 27 des Tasterschaftes 11 feststellbar, und der Annäherungs-Fühler 2ό ist demgemäß in einer diesem Tasterschaftteil 27 benachbarten Position und derart angeordnet, daß er Bewegungen dieses Tasterschaftteils senkrecht zur Y-Z- Ebene feststellen kann.

Es ist erkennbar, daß Tasterbewegungen längs der X-. Y- und Z-Ordinaten jeweils in beiden Richtungssinnen stattfinden können. Beispielsweise kann eine Bewegung der Scheibe 12 in der Z-Richtung sowohl zum Gehäuse 14 hin als auch von diesem weg stattfinden. Der letzetere Fall tritt auf, wenn die Meßmaschine die Scheibe 12 zu einer unterschnittenen Werkstückoberfläche 13a hin anhebt.

Wenn der Tastkopf nach einer Berührung mit dem Werkstück so bewegt wird, daß die Berührung mit dem Werkstück aufhört und die auf die Scheibe 12 wirkende Kraft aufhört, so drängt die durch die Feder 25 erzeugte Rückstellkraft die Kugel 16 und den Bund 21 wieder entlang der konvergierenden Flächen in die tiefste Stellung der Lagermulde 17 und der Lage: kerbe 22 hinein, so daß der Taster 9 wieder in sei'-e Nullstellung zurückgeführt wird.

Damit gute Gleiteigenschaften und eine hohe Reproduzierbarkeit der Nullstellung des Tasters gewährleistet sind, sind die Elemente 16 und 21 des Tasters und die Lagerkugeln 18 und 24 aus gehärtetem Stahl hergestellt und poiiert. Handelsübliche Kugellager-Oberflächenqualitäten sind für diesen Zweck ausre: chend.

Dei Annäherungs-Fühler 26 ist an sich bekannt und weist beispielsweise zwei elektromagnetische Induktionsspulen 28 und 29 auf. die derart in eine Brückenschaltung 30 geschaltet sind, daß eine Änderung des Blindwiderstandes einer der beiden Spulen, wie sie durch eine Lageänderung des Tasters 9 erzeugt wird, eine Änderung des Brückenausgangssignals, beispielsweise aus einem Nullwert heraus, herbeiführt. Das Brückenausgangssignal wird über einen Verstärker 31 einer geeigneten Anzeigeeinrichtung zugeführt, beispielsweise einem Voltmeter.

Die Meßmaschinr, bei der der erfindungsgemäße Tastkopf Anwendung findet, ist an sich bekannt, und weist grundsätzlich einen auf beweglichen Schlitten angeordneten Meßkopf auf, wobei die Schlitten in der X-, Y' und der Z-Richtune verschiebbar sind. Die

Schlitten sind mit Mitteln zur Messung der koordinatenmäßigen Position des Meßkopfes und folglich des daran befestigten Taslkopfes versehen Ein Werkstück wird dadurch vermessen, daß die Position des Meßkopfes in demjenigen Augenblick gemessen wird, wenn bei einer Berührung zwischen der Abtast-Scheibe 12 des Tasters 9 und dem Werkstück 13 sich das Ausgangssignal des Annäherungs-Fühlers 26 ändert.

Es ist klar, daß der Taster 9, falls keine Gegenmaßnahmen getroffen sind, um die Achse Ua drehbar ist. Darin ist jedoch kein Nachteil zu sehen, da das abtastende Tasterende drehsyinmelrisch mit Bezug auf die Achse Ha ausgebildet ist* beispielsweise durch die Scheibe 12, so daß die Drehwinkelposition des Tasters mit Bezug auf die Achse 1 la belanglos ist

Wenn jedoch das messende Tasterende seitwärts mit Bezug auf die Achse 11a versetzt ist, wie es bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform des Tasters mit einer seitwärts rügenden i" einer Ku"s! 33 endigenden Tastspitze 32 der Fall ist, ergibt sich die Notwendigkeit, eine Drehung des Tasters 9 um die Achse 11a herum zu verhindern.

Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, ist am Taster 9 ein seitwärts ragender Afffi 34 angeordnet, dessen freies Ende 35 mit einer konvexen Anlagefläche versehen ist, die an einer Stelle Can einer ebenen Gegenfläche 36 des Gehäuses 14 anliegt. Die Feder 25 ist zwischen dem Arm 34 und dem Gehäuse an einer Stelle angeordnet, die näher zum Ende 35 des Armes 34 als zur Achse 11 a hin gelegen ist, dais der erförderliche Vörspanndruck an den Lagerstellen Λ und B kleiner als an der Stelle C ist. Es können jedoch auch gesonderte Federn an der Stelle

to Cund direkt zwischen den beiden Lagerstellen A und B Anwendung finden.

Unter dem oben erwähnten Ausdruck »achsensymmetrische Lagermulde« ist aber auch eine konische Muldezu verstehen, die anstelle der durch die Kugeln 18

gebildeten Mulde Anwendung finden kann. An beidßn Lagerstellen A und B können die Lagermulde 17 bzw. die Lägerkerbe 22 jeweils entweder am Taster 9 oder am Gehäuse 14 angeordnet sein, wobei die damit

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anderen Teil gebildet sind. Anstelle des einen dargestellten Annäherungs-Fühlers 26 können auch zwei derartige Fühler jeweils an den Lagerstellen A und B vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tastkopf, dessen Taster durch eine Rückstellkraft in eine die Nullstellung bestimmende Lagerung gedrängt wird, aus welcher heraus er relativ zu seiner Halterung in einer Richtung verschiebbar und in mindestens einer Richtung kippbar ist, und der eine Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung aufweist, wobei die Lagerung zwei in der Halterung räumlich zueinander versetzt angeordnete Lagerstellen aufweist, an denen jeweils zueinander konvergierende Flächen mit einer Gegenfläche zusammenwirken und wobei die konvergierenden Flächen und die Gegenflächen relativ zueinander gekrümmt sind, nach Patent 23 47 633, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden Flächen (23) an einer (B) der beiden Lagerstellen (A, B) so angeordnet s.ind, daß sie den Taster (9) in der einen Richtung (Z) verschiebbar lagern, und daß die konvergierenden Flächen (20) an der anderen Lagerstelle (A) so angeordnet sind, daß sie den Taster (9) um eine zu der genannten Verschiebbarkeitsrichtung (Z) senkrechten Achse (i7a) kippbar lagern und Tastver-Schiebungen entgegenwirken und daß die Einrichtung zur Erfassung des Tasterauslenkung einen seitlich des Tasters (9) angeordneten Annäherungsfühler (26) aufweist

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, άι ^Ί die konvergierenden Flächen (20) an der Tasterverschiehungen entgegenwirkenden Lagerstelle (A) drei Kugelflächen sind, deren Krümmungsmittelpunkte mit gleichen gegenseitigen Abständen in einer zu der genannten Verschiebbarkeitsrichtung fZJ parallelen Ebene (19) liegen.

3. Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Tasterverschiebungen entgegenwirkenden Lagerstelle (A) mit den korn ergierenden Flächen (20) zusammenwirkende Gegenfläche ebenfalls eine Kugelfläche (16) ist.

4. Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis. \ dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (9) auf den zueinander konvergierenden Flächen (20,23) an den beiden Lagerstellen (A, B) um die Tasterlängsachse (HjJ herum drehbar ist, und daß der Taster (9) an einer zwischen den beiden Lagerstellen (A, B) gelegenen Stelle einen quer verlaufenden Arm (34) aufweist, dessen freies Ende (35) sich an einer Gegenfläche (36) der Halterung (14) abstützt, und daß ein Vorspannelement (25) das freie Ende des Armes (34) gegen die Gegenfläche (36) drängt.

5. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannelement (25) eine zwischen der Tasterlängsachse (Wa)und dem freien Ende (35) des Armes (34) angreifende gleichzeitig die Rückstellkraft für den Taster (9) liefernde Feder ist.

6. Tastkopf nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Annäherungsfiih- 6Q ler (26) an einer zwischen den beiden Lagerstellen (A, B) des Tasters (9) gelegenen Stelle angeordnet ist.