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Meßkopf für eine Meßmaschine Die Erfindung bezieht sich auf einen
Meßkopf für eine Meßmaschine mit einem in drei Freiheitsgraden verfahrbaren Meßmaster,
der zur Vermessung beliebiger Körper mit Meßwandlern für jeden Freiheitsgrad verschen
ist.
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Zur Vermessung beliebiger Körper ist es seit einiger Zeit bekannt,
Meßmaschine zu benutzen, die mit entsprechender Genauigkeit auch komplizierte Werkstücke
zu vermessen gestatten. Das Ergebnis einer jeweiligen Messung kann je nach Ausstattung
einer Meßmaschine mit Hilfe von Anzeigevorrichtungen oder in Form eines gedruckteh
Protokolla ausgegeben werden. Voraussetzung für eine einwandfreie und genane Messung
ist jedoch ein Meßkopf, der eine Messung in allen Freiheitsgraden mit hoher Meßauflösung
ermöglicht.
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Es sind eine Reihe von Meßköpfen bekannt, die aber in ihrer Leistungsfähigkeit
begrenzt sind. So gibt cs 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 Meßkopfe ist, daß der
Meßtaster bein Meßvorgang einerseits mit hinreichendem Meßdruck am jeweiligen Meßobjekt
anliegt und andererseits beim Auflaufen gegeIi das Meßobjekt stoßgeschützt sein
soll. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Meßköpfe vorgeschlagen worden,
bei dznen z.B.
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der Meßtaster mit Hilfe von Blattfedern federnd aufgehängt ist.
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Die Federn sichern einerseits einen hinreichenden Meßdruck und sind
andererseits beim Auf laufen des Meßtasters in der Lage, harte Stöße abzumildern.
Als befriedigend wird diese Lösung jedoch nicht angesehen, weil Federn einerseits
zun Schuingen neigen und andererseits mit dem Auslenken eines federnd aufgehängten
Meßtasters ein sogenannter Kosinusfehler auftritt, welcher mit zunehmender Auslenkung
ansteigt und die Genauigkeit des Meßergebnisses verschlechtert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf mit einem
in drei Freiheitsgraden verfahrbaren Meßtaster vorzusehen, der mit gleichbleibender
Genauigkeit beliebige Werkstücke zu vermessen gestattet und beim Meßvorgang sowohl
mit hinreichendem Meßdruck am Meßobjekt anliegt als auch beim Auflaufen gegen ein
Meßobjekt steßgeschützt ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß der Meßtaster in jedem Freiheitsgrad einen durch Parallelverschiebung einstellbaren
Vorlauf mit einem beim Berühren eines Meßobjektes im Bereich des Vorlauf kraftabhängig
nachgebenden Anschlag aufweist und daß der Meßtaster durch einstellbare Haltevorrichtungen
in der Xulllage jedes Freiheitsgrades fixierbar ist.
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Der erfindungsgemäße Meßkopf ermöglicht durch den in dcn drei Freheitsgraden
vorgesehenen Vorlauf ein stoßreies Auflaufen des Meßtasters gegen ein Meßobjekt.
Dabei sichert die Parallelverschiebung des Meßtasters eine gleichbleibende Genauigkeit
und schwingungsfrei e Messung bei entsprechendem Meßweg. Die Bewegung des Meßtasters
kann dabei zur Beeinflussung von Meßwandlern benutzt werden, wobei insbesondere
die in der Nullage jedes Freiheitsgrades von den Meßwandlern erzeugten Signale zum
Anhalten der Meßmaschine verwendet werden können.
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Es ist vorteilhaft, den Meßkopf so aufzubauen, daß der Hub des Vorlaufs
ir jeweiligen Freiheitsgrad durch zwei in Zylindern geführte Bolzen bestimmt wird,
welche zwischen ihren aufeinander gerichteten Stirnseiten einen über Zwischenglieder
mit dem Meßtaster verbundenen ?-Sitnehrner halten, wobei durch Versorgung eines
der Zylinder nit Luft entsprechenden Druckes der kraftabhängig nachgebende Anschlag
für die jeweilige Meßachse gebildet wird.
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Die Halteverrichtungen zur Fixierung des Meßtasters in den Nulllagen
der Freiheitsgrade können hierbei durch Kolben zweier mit Drukluft beaufschlagter
Zylinder unterschiedlicher Querschnitte gebildet scin, die zwischen ihren aufeinander
gerichteten Kolben stangen den Mitnehmer des Meßtasters im jeweiligen Freiheitsgrad
durch Hubbegrenzung eines Kolbens fixieren.
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Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Meßkopfes im Schnitt, Figur 2 einen Schnitt II-II gemäß Figur 1, Figur 3 einen Schnitt
IIT-III gemäß Figur 1, figur 4 einen Schnitt IV-IV Figur 1,
Figur
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßkopfes im Schnitt,
Figur 6 einen Schnitt VI-VI gemäß Fig. 5, Figur 7 eine Draufsicht gemäß Fig. 5,
Figur 8 einen Schnitt VIII-VIII gemäß Fig. 5, Figur 9 einen Schnitt IX-IX gemäß
Fig. 5, Figur 10 einen Schnitt X-X gemäß Fig. 5 u n d Figur 11 einen Schnitt XI-XI
gemäß Fig. 5.
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Der in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestcllte Meßkopf ist für messungen in
allen drei Freiheitsgraden geeignet und zum Anschluß an eine Meßmaschine mit einem
Aufnahmekonus 1 versehen. Die beweglichen Teile des Meßkopfes sind im Inneren des
Gehäuses 2 untergebracht, das an einer mit dem Aufnahmekonus 1 verbundenen Grundplatte
3 befestigt ist. Gegenüber der Grundplatte 3 ist eine Deckplatte 4 angeordnet, in
deren Mitte eine Buchse 5 eingesetzt und befestigt ist. Diese Buchse 5 ragt sowohl
um einen bestimmten Betrag hervor als auch in den Meßkopf hinein und trägt eine
Kugelbuchse 5 in welcher eine axial verschiebbare Spindel 7 geftihrc ist. Zum Anschluß
eines Meßtasters 9 ist das hervorstehende Ende dieser Spindel 7 7 mit einer Schraubkupplung
8 versehen, an welcher der Meßtaster 9 mit eincm Zwischenglied 10 lösbar befestigt
ist. Das Zwischenglied 10 ist zum Schutz des Meßtasters 9 vorgesehen und besitzt
eine Sollbruchstelle 11, die bei irgendwelchen Störungen bricht und eine Beschädigung
des Meßkopf es verhindert. Dazu ist das Zwischenglied aus einem spröden Werkstoff,
vorzugsweise aus Glas hergestellt.
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Die Schraubkupplung 8 ermöglicht auch den schnellen Austausch von
Meßtastern, wodurch auch Meßtaster besonderer Form verwendet erden können.
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Pas in den meßkopf hineinragendc Ende der Spindel 7 ist durcheinen
Gewindebolzen 15 verlängert, an dem ein zweiarmiger Miteiner 16 und ein axialer
Stift 17 befestigt sind. Beide Enden des zweiarmigen Mitnehmers 16 liegen jeweils
zwischen den Stirnseiten eicr aufeinander gerichteter Bolzen 18, 19 bzw. zweier
Kolbenstangen 22, 23. lsährcnd die Bolzen 18,19 gleiche Querschnitte aufweisen und
in je einem Zylinder 20, 21 geführt sind, sind die Kolbenstangen 22, 23 mit Kolben
24, 25 verschiedenen Durchmessers verbunden. Die Kolben 24, 25 sind in entsprechenden
Zylindern 26, 27 angeordnet, so daß bei gleicher Beaufschlagung dieser Zylinder
mit Druckluft die vom Kolben 25 entwickelte Kraft größer ist, als die des Kolbens
24. Daher legt sich der Kolben 2 gegen einen Anschlag 28 im Zylinder 27, so daß
der Mitnehmer 16 von den als Haltevorrichtungen wirkenden Kolbenstangen 25, 26 fixiert
ist. Die in den Zylindern 20, 21 geführten Bolzen 18, 19 bilden für den Mitnehmer
16 einen kraftabhängig nachgebenden Anschlag und zwar dadurch, daß den Zylindern
Luft entsprechenden Druckes zugeführt wird. Der Stift 17 dient als Stell glied für
einen induktiven Meßwandler und ist zu diesem Zweck mit einem verschiebbaren Kern
29 einer Spule 30 verbunden. Das Ausgangs signal der Spule 30 repräsentiert die
Position der Kugelspitze 9a des Meßtasters 9 in Bezug auf die Achse.
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eben der Erfassung von Raumpositionen in der z-Achse gestattet der
erfindungsgemäße Meßkopf auch Messungen in den anderen Raumachsen. Zu diesem Zweck
sind, wie aus Fig. 2 und Fig. 4 zu erkennen ist, vier Halteflansche 35, 36, 37,
38-an der Deckplatte 4, und zwar paarweise an zwei gegenüberliegenden Randste)len
befestigt. In diesen Flanschen ist jeweils eine derart positionierte Bohrung vorgesehen,
daß zwei Führungsspindeln 39, 40, welche durch die Bohrung zweier gegenüberliegender
Flansche 35, 36; 37, 38 gesteckt sind, paraliel zur entsprechenden Raumachse, hier
der x-Achsc, liegen. Jede der Führungsspindeln 39, 40 ist gleichzeitig
durch
zwei einen bestimmten Abstand zucinander auf wie sende Kugelbuchsen 41, 42; 43,
44 gesteckt, die an einer darüber angeordneten Zwischenplatte 45 befestigt sind.
Zwischen den Kugelbuchsen 41, 42; 43, 44 ist an den Führungsspindeln 39, 40 jeweils
ein Mitnehmer 46, 47 befestigt. Während der Mitnehmer 47 eine Spule 48 eincs induktiven
Meßwandlers positioniiert, wird der Mitnehmer 46 zwischen den Stirnseiten zweier
aufeinander gerichteter Bolzen 53, 54 (siehe Figur 3) bzw. zweier Kolbenstangen
55, 56 (siehe Figur 2) gehalten. Die Bolzen 53, 54 sind in Zylindern 57, 58 geführt,
während die Kolbenstangen 55, 56 mit je einem Kolben 59, 60 unterschiedlichen Durchmessers
verbunden sind. Diese Kolben sind in entsprechenden Zylindern 61, 62 angeordnet,
so daß bei gleichzeitiger Beaufschlagung beider Zylinder mit Druckluft die vom Kolben
59 entwickelte Kraft größer ist als die des Kolbens 60. Daher legt sich der Kolben
59 gegen den Anschlag 63 im Zylinder 51, so daß der Mitnehmer 46 von den als Haltevorrichtungen
wirkenden Kolbenstangen 55, 56 fixiert ist.
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Wie aus Figur 3 näher zu ersehen ist, liegen die Zylinder 57, 58 der
Bolzen 53, 54 und die Zylinder 61, 62 der Kolben 59, 60 nebeneinander im Gegensatz
zu den gleichen Bauteilen in der z-Achse, die dort symmetrisch zu dieser Achse liegen.
Die Bcwegungen des Meßtasters 9 bewirken somit in der Achse Verschiebungen der an
den Führungsspindeln sitzenden Mitnehmer 46, 47, da die Führungsspindeln 39, 40
in den Bohrungen der Ilaltoflansche 35, 36, 37, 38 festsitzen. Das hat zur Folge,
daß über den Mitnehmer 47 die Spule 48 verstellt wird, so daß ein an dieser Spule
angeordneter Kern 49 seine Lage zur Spule 48 verändert, weil dieser Kern in Bezug
auf die Bewegungen der Spule 48 ortsfest ist. Der Kern 49 sitzt nämlich auf einem
über seine Enden hinausragenden Stift 50, dessen Enden in Bohrungen zweier an der
Zwischenplatte 45 befestigter Flansche 51, 52 eingeklemmt
sind.
Das Ausgangssignal der Spule 48 repräsentiert somit die Position der Kugel spitze
9a des Meßtasters in Bezug auf die Achse.
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Zur Erfassung der Raumpositionen in der Achse ist ein gleiches Bowegungssystem
wie das für die x-Achse vorgesehen. Dazu trägt (3tc Zwischenplatte 45 ebenfalls
vier Halteflansche, von denen jeweils zwei eine Führungsspiel 65, 66 einklemmen.
Diese Führungspindeln liegen paralle zur y-Achse und sind ebenfalls durch an einer
ortsfesten Halteplatte 7D sitzenden Kugelbuchsen G7, 68 br r. 69, 70 durchgesteckt.
Zwischen diesen Kugelbuchsen 67. 68 bzw. 69, 70 tragen die Führungsspindeln 65,
66 jeweils einen | Mitnehmer 71, 72, die einerseits zur Verstellung der Spule 73
eines induktiven Meßwandlers und andererseits zur Fixierung zwischen zwei Kolbenstangen
zweier Zylinder unterschiedlichen Querschnittes bzw. zur Erzielung eines kraftabhängig
nachgebenden Anschlags uwischen zwei Bolzen zweier Zylinder ange ordnet sind. der
Aufbau dieser Bauteile entspricht den entsprechenden Bauteilen der x-Achse. die
zuvor erwähnte Halteplatte 75 ist mit der Grundplatte 3 über entsprechende Zwischenglieder
76, 77 starr verbunden.
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Bei einem Meßvorgang hühlt die Kugelspitze 9a des Meßtasters 9 das
zu vermessende Objekt ab und erzeugt mit Hilfe der Meßwandler entsprechende Lagesignale.
Wird z.B. in Richtung -z vermessen, so wird vorher der Zylinder 20 mit Druckluft
beaufschlagt. Der Meßtaster 9 erhält dadurch in Richtung -z einen entsprechend bemessenen
Vorlauf gegenüber seiner Nullage. Berührt der Meßtaster 9 das Meßobjekt, so kann
die Signaländerung des zugeordneten Meßwandlers zum Anhalten der Meßmaschine benutzt
t:erden. Es empfiehlt sich aber, die Maschinensteuerung so auszulegen, daß die Meßmaschine
dann anfält, wenn der zugeordnete Meßwandler ein Nullsignal abgibt, d.h., wenn der
Meßtaster 9
sich in der Nullposition der entsprechenden Raumachse
befindet.
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Dic Meßmaschine kann daraufhin in der jeweiligen Nuliposition des
Meßtasters 9 mit Hilfc des Nullsignals zur Ausgabe des Meßwertes, z.B. einer Anzeigevprrichtung
und/oder durch Ausdruck cines Prot-okolls veranlaßt werden. Bei einem Meßvorgang
in Richtung der Achse +z oder in Richtung aller anderen Raumachsen verläuft die
Messung entsprechend äquivalent.
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Wird für einen Meßvorgang eine Feststcllung des Meßtasters 9 im Nullpunkt
verlangt, so kann dies mit hilfe der jeweiligen mit Druck zu beaufschlagenden Kolben
erzielt werden. Wie im Verlauf dep Beschreibung erwähnt, sind die Kolben 2t, 25;
59, 60 usw.
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der entsprechenden Raumachsen in Bezug auf ihre Flächen unterschiedlich
bemessen. Dadurch wird der zugehörige Mitnehmer bei gleichzeitiger Beaufschlagung
mit Druckluft zweier Kolben fest eingeklemmt, wodurch Verschiebungen in den jeweiligen
Raumachsen des Meßtasters ausgeschlossen werden. Damit ist der Meßtaster 9 im Nullpunkt
der jeweiligen Raumachse fixiert.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 5 bis Figur 11 ist der
erfindungsgemäße Meßkopf mit zum Teil anderen Bauchlementen aufgebaut worden. Gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Meßkopf jedoch mit einer zusätzlichen Verdrehsicherung
für den Meßtaster 9 und einer Möglichkeit zum Justieren der Nullagc erweitert worden.
Die Verdrehsicherung ist, wie aus Figur 5 und Figur 6 zu erschen ist, in der z-Achse
am Mitnehmer 16 vorgesehen.
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Dieser Mitnehmer ist an der Spindel 15 verdrehsicher befestigt und,
wie Figur 6 zeigt, in der Form eines kreuzes ausgebildet. An zwei gegenüberliegenden
Armen 16', 16'' des kreuzförmigen Mitnehmers 16 ist jeweils ein Rollenlager 80,
81 befestigt, die in entsprechenden Führungsnuten 83, 84 einer innerhalb des Meßkopfes
auf die Buchse 5 fest aufgesetzten Führungsbuchse 82 abrollen. damit wird eine Verdrehung
der Spindel 7 und des Maßtasters 9 verhindert, so daß insbesondere
bei
abgewinkelten Meßtaster keine Probleme bei der Messung auftreten.
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Wie aus den Figuren 5 und 6 weiter zu erkennen ist, üben die beiden
Arm 16''', 16'''' des Mitnehmers 16 die eigentliche Mitnehmerfunktion aus. Die Bolzen
zur Einstellung des Vorlaufs unterscheiden sich dabei nicht von den im Ausführungsbeispiel
von Figur 1 bis Figur 4. Anders verhält es sich dagegen mit den Kolben zur Fixierung
dcr Nullage. In Figur 5 ist zu sehen, daß der Kolben 24 mit einem Gewindebolzen
85 verbunden ist, der durch eine festsitzende Buchse 86 aus dem zugeordneten Zylinder
26 hervorsteht. Mit Hilfe einer Mutter 87 und einer Kontcrnutter 88 is-t cs möglich,
den IIub des Kolbens 24 einzustellen und damit die Nullage der Kugelspitze 9a bei
der Fixierung des Mießtasters 9 zu justieren. Die gleiche Möglichkeit besteht auch
für die x- und die y-Achse, was aus den Darstellungen der Figuren 10 und 11 hervorgeht.
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Als weiteren Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach Figur
1 bis 4 sind die Kugelbuchsen und die darin eingesteckten Führungsspindeln durch
sogenanntc Prismen-Längsführungen 89, 90; 91, 92 ersetzt. In Figur 5 sind diese
Bauelemente der tbersichtlichkeit halber nicht dargestellt; aber diese Einzelheiten
können den Figuren 8 bis 11 entnommen werden. Der Meßkopf nach Figur 8 bis 11 unterscheidet
sich sonst nicht von dem nach Figur 1 bis Figur 4.
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Die erfindungsgemäßen Meßköpfe zeichnen sich durch eine Reihe von
Vorteilen aus. So sichert der Vorlauf durch Parallelverschiebung in den jeweiligen
Raumachsen eine von der Verschiebung unabhängige konstante Genauigkeit. Weiterhin
ist der MeB-kopf aufgrund des Vorlaufs für den Maßtaster in allen Freiheitsgraden
stoßgeschützt, da das Luftpolster kraftabhängig durch Komprimierung nachgibt und
ein hartes metallisches Auffahren
des Maßtasters verhindert. Der
mit Hilfe der Bolzen durch Druckluftbeaufschlagung crzielte Vorlauf des Maßtasters
gewährleistet gleichzeitig ein Anliegen des Meßtasters am Meßobjekt mit hinreichendem
Meßdruck. Wegen seiner hervorragenden Eigenschaften kann der erfindungsgemäße Meßtaster
auch als Meßaufnehmer für Kopierfräsmaschinen verwendet werden.
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- Patentansprüche -