DE2232858A1 - Taststift - Google Patents

Description

DIPL-ING. HORST ROSE DIPL-ING. PETER KOSEL

3353 Bad Gandershelm, /f..tfo Juli 1972

Postfach 129

Hohenhöfen 5

Telefon: (05382) 2842

Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandershelm

UnsereAkten-Nr. 2727/2

D.E.A. Digital Electronic Automation S.p.A. Patentgesuch vom/r·?«, Juli 1972

D.E.A. Digital Electronic Automation S,p.A,

Oorso Torino n. 70
10024 Moncalieri (Torino) / Italien

Taststift

Die Erfindung "betrifft einen Taststift zur Anordnung an einem Meßkopf einer Messmaschine ο.dgl., mit einer Stange, an der ein Werkzeug befestigt ist, das zum Abtasten oder Kopieren von Modellen o.dgl. dient.

Unter "Kopieren" versteht man im allgemeinen das Bearbeiten eines Werkstücks entsprechend einem Modell. Ein solcher Kopier-. Vorgang ist besonders dort angebracht und nützlich, wo ein Werkstück erarbeitet werden soll, d.essen Form durch komplizierte Oberflächen definiert ist, wie das z.B. bei Stanz- und Preßwerkzeugen der Fall ist.

Normalerweise geht man bisher so vor, daß das Werkstück auf Maschinen bearbeitet wird, die man als Profilkopiermasohinen bezeichnet, Das Kopieren des Modells und das Bearbeiten des Werkstücks erfolgen gleichzeitig auf der gleichen Maschine, wobei das Bearbeitungswerkzeug bzw. Fingerfräser den Bewegungen des

209883/0818

Ra/Hn,

Bankkonto: Norddeutsche Landesbank,Filiale Bad Qandershelm, Kto.-Nr.22.118.970 · Postscheckkonto: Hannover 88715

laststifts folgt, welcher eine Form hat, die der des Fräsers ähnlich ist«,

Diese ETachformmaschinen, die man z.B„ zum Bearbeiten von Gesenken für die Blechverformung oder zum Formen von Gehäusen für Kraftfahrzeuge verwendet, sind sehr schwer, und zudem ist der Werkstoff der zu fräsenden Gesenke ο«dgl« sehr hart und zäh, so daß der Kopiervorgang extrem langsam vor sich geht.

Das Kopierfräsen wurde in der Folge auch in der Luftfahrtindustrie verwendet, wo die Verwendung leichterer Werk-r stoffe und weniger schwerer Maschinen das Erreichen, höherer Geschwindigkeiten ermöglichen würde» Die Einführung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen), welche einen noch höheren Dui'chsatz ermöglichen, hat die Forderung nach einer Erhöhung der Kopiergeschwindigkeit "beim Modellkopieren immer dringlicher werden lassen.

Hierbei werden das Kopieren des Modells und das Bearbeiten des Werkstücks auf zwei verschiedenen Haschinen ausgeführt. Eine Meßmaschine "kopiert" das Modell bzw» tastet es ab und erzeugt dabei einen lochstreifen oder einen sonstigen Datenträger, welcher seinerseits dazu dient, eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine zu steuern, die darm das Werkstück nach diesen Daten bearbeitete

Zum Erhöhen der Kopiergeschwindigkeit ist es also möglich, mehr als eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine von einer einzigen Meßmaschine aus mit Daten zu versorgen.

Die bekannten Taststifte, welche für den Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten vorgesehen sind, können bei Geschwindigkeiten nicht mehr arbeiten, die größenordnungsmäßig 10 χ höher sind.

209B83/0818

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Taststift izu schaffen, welcher für ein kontinuierliches Abtasten bei höheren Kopiergeschwindigkeiten geeignet ist, und insbesondere auch Verfahren aufzuzeigen, mit denen ein solcher Taststift wirkungsvoll und rationell bei verschiedenen Modellformen eingesetzt werden kann·

Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Taststift dadurch erreicht, daß die Stange verschiebbar im unteren Teil eines verschwenkbaren Körpers angeordnet -ist, in welchem Führungslager für die Stange vorgesehen sind, daß ein den verschwenkbaren Körper tragendes Kardanlager vorgesehen ist, welches mit dem Gestell des Taststifts verbunden ist, so daß die Axial- und Querverschiebung der verschiebbaren Stange voneinander unabhängig sind, daß die verschiebbare Stange mit einem ersten Fühlglied verbunden ist, welches die axialen Verschiebungen der Stange mißt, daß das Kardanlager zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Lager aufweist, die mit zwei anderen Fühlgliedern zum Messen der Querverschiebungen der Stange verbunden sind, und daß mindestens eine elastische Zentriervorrichtung für den verschwenkbaren Körper vorgesehen ist, um diesen in eine mindestens nahezu vertikale Lage zurückzuführen« Ein solcher Taststift kann als dreidimensionaler Taststift bezeichnet werden« Das Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen Taststifts ist, daß er relativ große Hübe hat, welche zu den x-, y- und z-Achsen-Bewegungen der Meßmaschine addiert werden, auf welcher der Taststift eingebaut ist. Infolge der vernachlässigbaren Trägheit des Taststifts können seine Bewegungen sehr rasch erfolgen, und wegen der relativ großen Hubamplitude kann.die Meßmaschine dabei dem Modell gut folgen. Dabei müssen natürlich die Bewegungen der Meßmaschine und des Taststifts zugleich berücksichtigt werden«

20988 3/0818

Der erfindungsgemäße Taststift kann sowohl auf einer Meßmaschine wie auf einer Profilkopiermaschine angeordnet werden und ermöglicht in "beiden fällen eine drastische Verringerung der Kopierdauer.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine raumbildliche Darstellung einer Meßmaschine, mit der ein Meßkopf, auf dem ein erfindungsgemäßer laststift angeordnet ist, längs drei Koordinatenachsen χ bzw. y bzw. ζ verschoben werden kann,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Taststifts,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Taststift nach Fig. 2,

Figo 4, 5 und 6 drei Schnitte durch einen erfindungsgemäßen Taststift, gesehen längs der linien IV-IV bzw. V-V bzw. VI-VI der Fig. 3,

Fig. 7 und 8 eine schematische Darstellung zweier Kopierverfahren,

Fig. 9 ein Schaubild, welches die im Betrieb auf den Taststift wirkenden Kräfte zeigt, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Bewegung des Taststifts, wenn er auf eine plötzliche Neigung trifft.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßmaschine hat zwei Sätze von Maschinenständern 1', die auf einer Basis aus Eisenbeton angeordnet sind und auf denen zwei horizontale Träger 2' ruhen, welch letztere mit Führungen 3¹ versehen sind, auf denen ein Hauptschlitten 4¹ in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist, wodurch eine Bewegung längs der x- Achse »rmöglicht wird«, Ein mittlerer Schlitten 5' ist in Querrichtung auf Führungen 6¹ verschiebbar, welch letztere auf dem Hauptschlitten 4'

20988 3/0818

(y-Achse) angeordnet sind, und schließlich ist eine Säule 7¹ vorgesehen, welche sich in vertikaler Richtung (z-Achse) im mittleren.Schlitten 5¹ verschieben läßt. Diese drei Bewegungen, welche durch drei Betätigungsglieder, d.h. eines pro Achse, angetrieben werden, erlauben es, einen Meßkopf 8¹ an jeden Punkt desjenigen Raumes einzustellen, welcher durch die drei Hübe der Meßmaschine definiert wird.

Auf dem Meßkopf 8¹ kann man verschiedene Werkzeuge anordnen, insbesondere einen dreidimensionalen Taststift 9' zum kontinuierlichen Kopieren von Profilen. Dies ist der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung,, Für den Betrieb der Maschine ist ein Prozeßrechner^vorgesehen, und dieser ist mit der Maschine über geeignete periphere Geräte verbunden. Andere periphere Geräte ermöglichen die Eingabe von Befehlen und Daten in den Rechner sowie die Ausgabe von Daten aus diesem Rechner. Schließlich sind periphere Geräte für den Operateur des Rechners vorgesehen, und diese bilden die Bedienungstafel des Rechners.

Diese ganze Anordnung dient dazu, ein Modell mit hoher Geschwindigkeit zu kopieren und dadurch einen Datenträger für das zu erzeugende Werkstück zu erstellen, wobei dieser Datenträger direkt dazu verwendbar ist, eine Präs- oder sonstige Nachformmaschine mit kontinuierlicher numerischer Steuerung zu steuernρ Auf jedem Fall und unabhängig von der Art der Maschine, auf der der Taststift eingebaut wird, z.B«, einer Meßmaschine oder einer Profilkopiermaschine, muß der Taststift Eigenschaften aufweisen, welche es erlauben, mit ihm ein Modell gemäß den allgemein verwendeten Kopierverfahren schnell abzutasten bzw. zu kopieren.

In diesem Zusammehang kann man zum'Kopieren im wesentlichen zwei Verfahren unterscheiden:

209883/0818

a) Pendelkopieren (Fig» 7)· Hierbei kann die zu kopie'rende Fläche schrittweise längs der x- und der y-Achse sowie in jeder beliebigen Eichtung der xy-Bbene kopiert werden.

b) Umrißkopieren (Fig. 8), Hiermit ist es möglich, umhüllende oder Profile von bis zu 360° von Modellen oder Mustern zu kopieren»

Beim Pendelkopieren bewegt sich der Taststift, stets in Anlage gegen die zu kopierende Fläche, in einer Ebene, die man auch als Abtastebene bezeichnet, und zwar mit zwei Bewegungen, welche in zueinander rechtwinklig verlaufenden Richtungen erfolgen, nämlich einer Folgebewegung längs der Richtung der Achse des Taststifts und einer Vorschubbewegung in jeder beliebigen Richtung einer Ebene, welche senkrecht zur Achse des Taststifts ist.

Wenn der Kopiervorgang in einer Abtastebene beendet ist, wird der Taststift um einen TorscLubschritt zur benachbarten Abtastebene verschoben, welche parallel zur vorhergehenden Ebene verläuft, und er wiederholt dort die Abtastbewegungen; dies geht so - vgl. Fig. 7 - Schritt um Schritt weiter, bis die Oberfläche des Modells vollständig kopiert ist«

Beim Umriß- bzw. Konturenkopieren bewegt sich - stets in Anlage gegen die zu kopierende Fläche - der Taststift in einer Kopierebene, welche senkrecht zur Achse des Taststifts liegt, und zwar längs einer inneren oder äußeren Höhenlinie des Modells oder Musters und mit einer Bewegung, welche die Summe von zwei Bewegungen längs zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen ist, die in der Kopierebene liegen. Dies wird im folgenden noch eingehender beschrieben werden.

Wenn der Kopiervorgang in einer Ebene beendet ist, wird der Taststift um einen Schritt oder Gang in seiner Achsrichtung zur nächsten Kopierebene verschoben, welche parallel zur vorhergehenden verläuft, um die vorhergehenden Bewegungen zu wiederholen, und dies geht Schritt um Schritt so weiter,

209883/0818

Z232858

bis die Oberfläche des Modells vollständig kopiert ist«

Der Taststift muß also einer Linie folgen, welche in einer einzigen Ebene liegt, und dies gilt sowohl für das Pendelkopieren wie für das Konturen- bzw» Umrißkopieren_β Hierfür sollte das empfindliche Glied in der Lage sein, vertikale Bewegungen in beiden Richtungen, also nach oben und nach unten, auszuführen, und es sollte bezüglich seiner Vertikalstellung in ^eder beliebigen Richtung schrägstellbar sein. Zum Erzielen hoher Kopiergeschwindigkeiten und zum Überwinden steiler Gradierten sollte das Gewicht des empfindlichen Gliedes zu gering wie- möglich sein, ebenso die Reibungskräfte, welche seiner Bewegung entgegenwirken. Weiterhin ist es von grundlegender Wichtigkeit, daß die möglichen Hübe in vertikaler und horizontaler Richtung möglichst groß sindo

Ein anderes wichtiges Merkmal ist die Länge des Gehäuses des Taststifts und sein relativ kleiner Durchmesser, um es zu ermöglichen, daß der Taststift auch Vertiefungen des Modells ausmessen kann, ohne an diesen anzustoßen, wobei aber eine große Steifigkeit in der Querrichtung gefordert wird. Dies alles ist erforderlich, um die Uachteile der Taststifte nach dem Stand der Technik zu vermeiden, welche auf Profilkopiermaschinen angeordnet sind und bei denen die Arbeitsgeschwindigkeit sehr klein ist»

Die Pig. 2 bis 6 zeigen eine praktische Ausführungsform eines Taststifts, welche die oben angeführten Bedingungen erfüllt.

Der dort dargestellte Taststift weist ein austauschbares Werkzeug oder Tastkopf 1 auf, welcher einem Fingerfräser nachgebildet ist sowie eine zylindrische Stange 2, an der das Werkzeug 1 mittels eines Stifts 3 o.dgl. befestigbar ist«, Die Stange 2 gleitet in von außen mit Druckluft versorgten Druckluftlagern 4, und sie ist an ihrer oberen Seite über einen Federring 6 und eine in diesem angeordnete Masse 7 mit einem elektromagnetischen Vibrator 5 verbunden.

^39883/0818

— ο —

Um zu verhindern, daß sieh die Stange 2 dreht, ist ein auf einem Kugellager angeordneter Stift 8 vorgesehen, wobei das Lager in einem entsprechenden Schlitz 9 gleitet« Die Stange 2 ist über ein dünnes Stahlband 10 mit einer dieses Band aufnehmenden Rolle oder Riemenscheibe 12 verbunden; das Stahlband 10 wird oben von einer Führung 11 aus reibungsarmem Kunststoff geführt.

Die Riemenscheibe 12 ist in ihrer Mitte auf eine Welle 15 aufgekeilt, mit deren einem Ende eine Codescheibe 14 und mit deren anderem Ende das drehbare Teil einer elektromagnetischen Bremse 15 verbunden ist«. Die Scheibe 14 ist an ihrem Umfang mit gleichmäßig verteilten Radialschlitzen, z.B. in einem Binärcode, versehen. Die Welle 13 dreht sich auf Kugellagern 16, welche in einem verschwenkbaren Gehäuse oder Körper 17 des Taststifts angeordnet sind, Eine zylindrische Spiralfeder 18 wirkt der Drehung der Welle 13 entgegen. Diese Spiralfeder 18 ist am einen Ende mittels einer Schraube 19 mit der Welle 13 verbunden, und an der gegenüberliegenden Seite über eine Schraube 20 mit dem verschwenkbaren Gehäuse 17 des Taststifts. Die Spiralfeder hat die Aufgabe, einen Teil des Gewichts der Stange 2 und der mit ihr verbundenen Teile auszugleichen,,

Eine stationäre Lichtquelle 21 und vier Fotodioden 22 (Fig. 2) bilden zusammen mit der Scheibe 14 einen Fotodetektor, welcher dazu dient, in an sich bekannter Weise die vertikale Lage der Stange 2 des Taststifts direkt in inkrementaler numerischer Form zu messen.

An der Welle 13 ist ferner mittels einer Schraube 23 eine Stange 24 befestigt, welche einige Anschläge bzw. Endschalter 25 für die Bewegung der Stange 2 betätigt. Das verschwenkbare Gehäuse 17 des Taststifts ist in einem Kardanlager bzw. einer kardanischen Aufhängung 26 gelagert, welches mit Kugellagern 28 versehene Lager 27 aufweist und mit einem ortsfesten Teil 29 des Taststifts verbunden ist, wobei dieses Teil 29 über einen großen Expansionsstift 30, der in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, mit einem Meßkopf

2 Π 9883/0818

«Mt ^ «· _r

42 einer dreidimensionalen Meßmaschine (vgl. Pig, 1) verbindbar ist.

Das verschwenkbare Gehäuse 17 wird durch vier pneumatische Kolben 31, welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind, in einer vertikalen Lage gehaltene Bin Druckregler 32 (fig, 2), sowie Pig. 4 bis 6) ermöglicht es, die Kraft einzustellen, welche von den Kolben'31 auf das verschwenkbare Gehäuse 17 ausgeübt wird, und der Luftdruck kann an einem Manometer 33 abgelesen werden.

Das verschwenkbare Gehäuse 17 ist in seinem unteren Bereich als Hohlzylinder ausgebildet und ist mit einer Ringleitung 34 zum Zuführen von Druckluft zu den Druckluftlagern 4 versehen, welch letztere innerhalb des Gehäuses 17 angeordnet sind. Dort ist auch ein Zuleitungskabel 35 für den Vibrator 5 angeordnet.

Zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Lager 27 des Kardangelenks 26 sind jeweils mit einem Arm 36 (Pig. 2) versehen, welcher das bewegliche Teil 37 eines ihm zugeordneten Differentialtransformators betätigt, dessen stationärer Anker 38 jeweils mit dem ortsfesten Teil des Taststifts fest verbunden ist. Plachfedern 39 (Pig. 2) dienen dazu, die beweglichen Teile 37 ständig gegen die Arme 36 in Anlage zu halten.

Jede Schrägstellung des verschwenkbaren Gehäuses 17 bewirkt also Drehbewegungen der Lager 27 und infolgedessen eine Verschiebung der beweglichen Teile 37 der Differentialtransformatoren, so daß diese analoge Signale abgeben, welche proportional zur Querverschiebung des Werkzeugs 1 sind und im folgenden durch geeignete Wandler in numerische Signale umgewandelt werden.

2 0 9 8 ß 3 / Π 8 I 8

Falls erforderlich, können auch (nicht dargestellte) Anschläge für die Querbewegungen vorgesehen werden.

Zur Zufuhr von Druckluft ist ein Schlauch 40 (Pig, 3) vorgesehenj ein kleines Quadrat 41 dient als Bezugspunkt beim Montieren cLe-"- Taststifts am Meßkopf 42.

Die folgenden Komponenten des eben beschriebenen Taststifts verdienen besondere Beachtung, da sie dazu beitragen, diesem die Charakteristiken zu verleihen, welche für einen stabilen Betrieb mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit erforderlich sind:

-1. Druckluftlager mit Luftversorgung von außen

Fig. 9 zeigt, daß das Verhältnis der Querkraft S zur Vertikalkraft P» welche Kräfte beim Kontakt zwischen dem Taststift und der Oberfläche des abzutastenden Modells auftreten, gleich dem trigonometrischen Tangens des Winkels

(alpha + phi) ist, wobei alpha die Neigung der Oberfläche des Modells im Berührungspunkt und phi der Reibungswinkel zwischen dem Taststift und der Oberfläche des Modells ist, nämlich

p~ = tan (alpha + phi)

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß wenn phi gleichbleibt, der Winkel alpha bei zunehmenden Werten des Verhältnisses F/P zunehmen wird.

Der Grenzwert von P ergibt sich aus der Steifigkeit des Taststifts und dem Widerstand der Oberfläche des Modells, Die Kraft 1 wird also durch die Bedingungen des Profils bestimmt, und es ist deshalb nur möglich, P kleiner zu machen.

Uiinmfc man nun an, dai3 sich der Taststift nach oben verüchiebt, so ergibt sich P zu

P = W + Q,

wobei W daa restliche (fowioht des Tasfcstifta ist (ein Teil dieses Gewichts kann durch geeignete Mittel, z.B. die Spiral-

2 0 3 «fi I/OBIS

feder 18, austariert werden) und wobei Q = f* · t die vertikale Komponente ist, welche durch die Reibungskräfte in den Lagern erzeugt wird» T ist gleich der Summe der Reaktionskräfte T1 und T2 infolge der Kraft F, und f* ist der Reibungskoeffizient der Lager.

Um P möglichst klein zu machen, muß man also nicht nur das Gewicht des gleitenden Teils reduzieren, sondern auch den Reibungskoeffizienten f* in den Lagern·

Bei einem Verhältnis von J*/P = 40, was sich in der Praxis als das erreichbare Maximum erwiesen hat, und bei einem mittleren Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche des Modells und dem Taststift entsprechend einem tan phi .= 0,3, dem ein "Winkel phi = 17° entspricht, hat alpha etwa die Größe von 70°„

Aus Fig. 1 erkennt man, daß der Fehler, der sich ergibt, wenn der Taststift bei seiner Abwärtsbewegung plötzlich auf eine Abschrägung trifft, durch folgende Gleichungen gegeben ist:

Y²
E = 7^ . tan alpha . sin alpha

Tfg . tan alpha

Hierbei bedeuten
E„ sä Fehler senkrecht zur Oberfläche des Modells

Ε_γ =s Fehler längs der Tertikaiachse des Taststifts

ν = Kopiergeschwindigkeit
M = Masse

a = = vertikale Beschleunigung des Taststifts,

203BR3 /0P18

Wenn also ν und alpha gleichbleiben, nimmt der Fehler mit zunehmenden Werten von a ab, d.h. mit abnehmenden Werten von Q.

Aus dem vorstehend Gesagten folgt, daß die Verwendung von Druckluftlagern dort sehr vorteilhaft ist, wo beträchtliche Neigungen überwunden werden müssen. Bei diesen lagern wird nicht nur der Term Q vernachlässigbar klein, sondern da sie eine hohe radiale Steifigkeit aufweisen, verringern sie auch die Fehler infolge eines Nachgebens des Taststifts in der Querrichtung«,

2. Elektromagnetischer Vibrator

Trotz der Verwendung von Druckluftlagern ist die maximale theoretische Neigung nicht größer als 70 ·

Zum Vergrößern dieses Wertes ist es erforderlich, den Reibungskoeffizienten tan phi zwischen der Oberfläche des Modells und derjenigen des Taststifts zu verringern.

Die Verwendung des elektromagnetischen Vibrators 5 in Kombination mit der Feder 6 und der Masse 7 ermöglicht es, das System mit den erwähnten Bestandteilen sowie der Stange 2 mit der gewünschten Frequenz in Schwingungen zu versetzen und dadurch den Reibungskoeffizienten zwischen dem Taststift und der Oberfläche des Modells zu verringern, wodurch sich der Winkel phi drastisch verringert und der Winkel alpha zunimmt. Man kann deshalb für die Modelle Werkstoffe mit einer hohen Rauhigkeit an der Oberfläche verwenden„

3. Langer vertikaler Hub: f = + 25 mm

Im Gegensatz zu den Taststiften nach dem Stand der Technik, welche einen Hub von wenigen mm haben, kann der erfindungsgemäße Taststift einen langen Vertikalhub ausführen. Die Höhe in einem bestimmten Augenblick ergibt sich durch die Formel

^zeff = ζ + f,

209B83/0818

ζ = Höhe der z-Ach.se, d.h_o des Meßkopfs 42

f = Verschiebung gegenüber einer eingestellten lage bezüglich der z-Achse,

Die Stange 2 des Taststifts wirkt deshalb sozusagen als vierte Achse.

Sobald der Betrag von f größer als Null wird, erhält der Kopf einen Befehl, um f nach Null zurückzubringen. Wegen der Trägheit des Systems spricht der Kopf mit einer gewissen Verzögerung auf den Beflahl an. Je größer deshalb der Hub ist, um den von einer eingestellten Lage abgewichen werden kann, um so langer wird die Zeitspanne, welche dem Meßkopf 42 für das Nachstellen zur Verfugung steht, und hierdurch kann eine größere Kopiergeschwindigkeit erzielt werden.

4· Langes Gehäuse und kleiner Durchmesser

Der Taststift endet unten in einem langen zylindrischen Körper mit relativ kleinem Durchmesser. Andere Taststift weisen dieses Merkmal ebenfalls auf, um ihr Eindringen in Ausnehmungen zu ermöglichen, ohne am Modell anzustoßen.

Außerdem muß das Gehäuse des Taststifts nicht nur eine ausreichende Steifigkeit in radialer Richtung aufweisen, um zu vermeiden, daß mögliche zeitliche Kräfte vom Modell und ein dadurch bewirktes zeitliches Nachgeben des Gehäuses 17 Meßfehler ergeben, sondern das Gehäuse muß auch leicht sein, falls beträchtliche Neigungen überwunden werden sollen.

Beim erfindungsgemäßen Taststift hängt das Gewicht des Gehäuses, welches die Funktion hat, seitlichen Kräften entgegenzuwirken, voll an der kardanischen Lagerung 26_o Man konnte also diese Teile so überdimensionieren, daß ein etwaiges seitliches Nachgeben vernachlässigbar ist. Dies ist -bei den Taststi; ^n nach dem Stand der Technik nicht der Fall, da dort die axialen Bewegungen und die Querbewegungen nicht voneinander unabhängig sind, so daß diese Taststifte entweder nicht genügend steif oder zu schwer werden.

Es ist anzufügen, daß zum seitlichen Nachgeben des schwenkbaren Gehäuses 17 auch das der Druckluftlager 4 und der verschiebbaren Stange 2 hinzuaddiert werden muß, jedoch sind die letztgenannten Teile sehr steif und die Stange 2 ist sehr kurz, so daß das resultierende seitliche Nachgeben vernachlässigbar ist_e

5. Pneumatische Arbeitskolben 31 zum Zentrieren des schwenkbaren Gehäuses 17 mit einstellbarer Vorspannung

Auch dies ist ein besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Taststifts. Es ermöglicht es, abhängig von den Arbeitsbedingungen die maximal zulässige Kraft F einzustellen, ab welcher sich der Taststift anfängt schrägzustellen. In diesem Fall werden die Differentialtransformatoren 37,38 wirksam, welche die Querverschiebung messen, und der vertikale Hub wird durch das Ansprechen der Bremse 15 arretiert.

Die Tatsache, daß man die Kraft F (Fig. 9) auf einen bestimmten Wert einstellen kann, ist sehr wertvoll, da wie bereits erläutert zum Erzielen eines optimalen Betriebs das Verhältnis F/P so klein wie möglich gemacht werden muß.

Da die Kraft P von den Abmessungen und damit vom Gewicht des verwendeten Werkzeugs 1 abhängt, ist es sehr wichtig, daß man auch die Kraft F verändern kann, falls man das Verhältnis F/P bei einem optimalen Wert halten will. Außerdem haben die Arbeitskolben 31, die wie in Fig. 6 dargestellt in vorteilhafter Weise als Plungerkolben ausgebildet sind, die Funktion, den Taatstift in der Querrichtung zu zentrieren. Diese

20 9 8 83/0618

Zentrierung braucht nicht genau au sein, da mögliche Fehler bezüglich des theoretischen Mittelpunkts von den Differentialtransformatoren 37»58 erfaßt und algebraisch zu den Werten der Achsen χ und y hinzuaddiert werden.

Die Möglichkeit, die Kraft F einzustellen, ermöglicht es ferner, eine Sicherheitseinrichtung zu haben, so daß wenn der Taststift unerwartet z_oB. gegen eine Stufe des Modells stößt und dadurch dia Kraft P beträchtlich überschreitet, der Taststift anfängt, sich schrägzustellen und dadurch eine Querverschiebung von + 20 mm ermöglicht. Dies vermeidet Schäden am Taststift.

6. Große seitliche Verschiebungen /\x, Ay = 5 mm

Diese Verschiebungen sind kleiner als der Vertikalhub, da normalerweise die Kopiergeschwindigkeit verringert werden muß, wenn der Taststift schräggestellt arbeitet, und da eine schräge Konfiguration auch die Simulation eines 3?ingerfräsers ändern würde, wenn letzterer das Werkstück fräst_o Tatsächlich stellt sich ;ja die Achse des Fingerfräser beim Bearbeitungsvorgang nicht schräg. Jedoch sind diese Verschiebungen im allgemeinen größer als diejenigen, die bei den Taststiften nach dem Stand der Technik möglich waren.

Arbeitsweisen:

Die im folgenden gegebenen Zahlenbeispiele stellen nur Ausführungsbeispiele dar und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken.

Die Signale, die vom Taststift zum Rechner übertragen werden sind:

f = Verschiebung relativ zu einer eingestellten Lage auf der z-Achse, mit dem Auflösungsvermögen 0,02 mm

Δ χ = Fehler längs der x-Achse, mit einem Auflösungsvermögen von 0,02 oder 0,05 mm

209893/0818

Ay - Fehler längs der y-Achse, mit einem Auflösungsvermögen von 0,02 oder 0,05 mm.

Das Auflösungsvermögen von 0,02 mm wird für das Pendelkopieren verwendet, dasjenige von 0,05 mm dagegen für das Konturenkopieren. Das f-Signal wird vom fotoelektrischen Meßgerät 14>21,22 direkt in digitaler Form abgegeben,, Die Signale Δ χ und Ay werden von den Differentialtransformatoren 37,38 in analoger Form abgegeben und dann in einem Analog-Digit^aI-Wandler in digitale Form umgewandelt, ehe sie dem Prozeßrechner zugeführt werden.

Pendelkopieren:

Es gibt zwei Arbeitsweisen, nämlich a) mit ausgeschalteter und b) mit eingeschalteter Bremse 15·

a) Ausgeschaltete Bremse 15

Dies ist die normale Arbeitsbedingung, welche es ermöglicht, Gradienten bis zu 70° zu überwinden, wobei die radialen Verschiebungen d des Taststifts

d - / (ΔχΓ + (Ayr (D

in einem Bereich von 0,5 mm liegen«. Hierbei dient das vom fotoelektrischen Meßgerät 14,21,22 kommende Verschiebungssignal "f" für die Verschiebung gegenüber der eingestellten lage ζ für folgende Zwecke:

1p Berechnung der tatsächlichen Höhe ζ + £ in jedem beliebigen Augenblick«

2 β Nachführung der z-Achse bei breiten Wellungen der . Oberfläche, mit einer Geschwindigkeit

V₂ = k . f, (2)

d.h. gemäß einer proportionalen oder linearen Beziehung»

203883/0818

3. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V_& = V^ nach der parabolischen Beziehung

Y_f « Έ (f)² (3)

Ferner werden die folgenden Bedingungen erfüllt:

Bei f = 0 hat die Vorschubgeschwindigkeit ihren Größtwert v_Q = 2,5 m/min

et

Bei f s= + 10 mm wird die Vorschubgeschwind'igkeit

zu Hull

Bei f = + 16 mm befindet sich die Maschine in einer

Notsituation und bleibt stehen, speichert aber ihren Zählerstand, so daß keine Meßwerte verlorengehen.

Bei f S= + 25 mm sprechen die Bndschalter 25 an und

bringen die Maschine zu einem Nothalt<

Aus den oben unter 2. und 3. genannten Geschwindigkeitsbeziehungen folgt, daß für jede Neigung oder Rampe mit konstantem Gradienten ein einziger Wert von f existiert. Ferner dienen die Signale Δ χ undάy zu folgenden Zwecken:

4. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V=Y,

et CL

nach \der parabolischen Beziehung

Y_d « Ϊ" (d²) ■ (4)

5. Berechnen der tatsächlichen Werte χ + Δχ und y +Ay in jedem Augenblick.

Die Vorschubgeschwindigkeit V wird jeweils entsprechend

zuvor am Prozeßrechner eingestellten Werten gleich Y^ oder Y^ gewählt.

2 OfJ R «3/081«

Aus- und Einschalten der Bremse 15·

Um einen intermittierenden Betrieb zu vermeiden, soll die Bremse 15 nur ansprechen, wenn die folgende Bedingung erfüllt is^J-

£ __ 0,5 mm.

Dabei ist d der Wert gemäß Gleichung (1). Bei d — 0,5 sollte die Vorschubgeschwindigkeit auf V = Y-, = 0,35 m/min reduziert worden sein. Sonst befindet sich die Maschine in einer Ausnahmesituation«

b) Eingeschaltete Bremse 15

Wenn die Bremse 15 eingreift, wird f = const« sein, wodurch

ζ ~£ = ζ + const«,

In diesen Fällen sprechen nur die Differentialtransfor matoren 37,35 an, welche die Signale Δχ und Ay abgeben. Diese dienen zu folgenden Zwecken:

1. Berechnung des tatsächlichen Wertes χ +^bc in jedem Augenblick.

2. Berechnung des tatsächlichen Wertes y +Ayin jedem Augenblick.

3. Berechnung von d nach der Gleichung (1).

4. Steuern der Geschwindigkeit der z-Achse gemäß einer linearen Beziehung V = k¹ . d.

5. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V_ = V^ gemäß

el CL

einer parabolischen Beziehung V_d = F" (d²)

2 Π :) 3 M'W Π Π 1 8

Ferner sind die folgenden Bedingungen erfüllt: Für d = 0,5 μ V_d = 0,25 m/min Für d - 1,5 mm ^Vd ⁼ ° Für d * 2 mm. ■ Kotfall Für V_d » O,35m/min Uotfall.

Vor dem Beginn eines Kopiervorgangs muß der Taststift kalibriert werden. Der Operateur gi"bt hierzu mit einem -Druckknopf einen Befehl, und es wird eine geeignete Vorrichtung verwendet« Der Vorgang "besteht darin, den Taststift rückzustellen, wenn die verschiebbare Stange 2 25 mm zurückgegangen ist«

Nach dem Kalibrieren folgt das Eingeben, wobei der Operateur eine Reihe von Parametern wählt, welche die Betriebsbedingungen des Systems bestimmen. Beim Pendelkopieren können diese z.B. in folgendem bestehen:

Auswahl der Lage der Abtastebenen Auswahl des Schrittabstandes der Abtastebenen Auswahl der K_opiergrenzen Maßstabsfaktoren

Übereinstimmung der Achsen

Zulässiger Sehnenfehler zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Durchlaufbahn Ausgabegeräte, z.B« Drucker und Iiochstreifenstanzer Vorschubgeschwindigkeit am Anfang.

209883/0818

Konturenkopieren

Hierbei wird die z-Achse und die Verschiebung gegenüber der eingestellten Lage verriegelt. Der Taststift treibt die Maschine nur mit den Signalen Λ χ und Δ y, welche hier ein Auflösungsvermögen von 0,05 mm haben₀

Die Eingabe besteht hier in folgendem: Auswahl der Koordinaten des Konturenpols

Wahl, ob eine Innen- oder eine Außenkontur abgetastet werden soll

Wahl der Konturenrichtung, also im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt zu ihm

Steuerung des Heranfahrens, um den Taststift in Berührung mit dem Werkstück zu bringen

Startbefehl für den Kopiervorgang„

Mit der Heranfahrsteuerung wird das Werkzeug 1 zur Anlage gegen das Werkstück gebracht, und sobald die Verschiebung d beobachtet wird, wird die automatische Verriegelung zum Kontakt eingeschaltet und dadurch dem Taststift eine Geschwindigkeit V verliehen, welche längs der Geraden gerichtet ist, die durch den Berührungspunkt und den Pol geht. Die Beziehung zwischen V und d ist linear, lautet

• V_n = k (d -2,5),

und erfüllt die folgenden Beziehungen:
Pur d = 2,5 nun ^Yn ~ °
Für d = 0 V_n = -2,5 _β k

IHir d = 5 mm, V_n = +2,5 ν k

Hierbei bedeuten positive Werte von V "weg vom Polⁿ bei Außenkonturen, während bei Innenkonturen ein positives V ^whin zum Pol" bedeutet.

209883/Π81Ρ

\ Wenn deshalb d « 2,5 ist, wird der Taststift anhalten.

! In diesem Zustand ist die Maschine startbereit. Bs ist

.,' dann erforderlich, den Startbefehl zu geben, und der Taststift bewegt sich anfänglich mit einem Geschwindigkeitsvektor, der senkrecht zu der Geraden verläuft, welche den , Berührungspunkt mit dem Pol verbindet,

j iHir 3 eden Punkt nach dem Startpunkt und mit einem vor-

' , gegebenen Intervall wird die Richtung der Tangente an die ; Kurve in bekannter Weise berechnet, z.B. durch Approximation' an die Gerade, welche die beiden Punkte verbindet, und dann bewegt sich das Werkzeug mit einer Vorschubgeschwindigkeit V^, welche tangential zu der Kurve ist, der das Werkzeug 1 j folgt* Eine Verschiebung des Werkzeugs 1 längs der Tangente \ bewirkt eine Veränderung von d, so daß d Φ 2,5 wird;, dann \ ergibt sich auch eine Geschwindigkeit V_n. Deshalb erfährt das Werkzeug 1 zwei Bewegungskomponenten V₊ und V , nämlich die Vorschubgesohwindigkeit V^, welche längs der Tangente gerichtet ist, und die Geschwindigkeit V_n, welche längs der Geraden gerichtet ist, die den Berührungspunkt mit dem Pol verbindet, und welche das Werkzeug in Anlage gegen das Werkstück hält.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht also klar hervor, daß der erfindungsgemäße Taststift folgende Betriebsarten aufweist;

j Beim Pendelkopieren die Tatsache, daß dieser Vorgang

in zwei Betriebsarten ausgeführt werden kann, d.h. entweder bei ausgeschalteter oder bei eingeschalteter Bremse 15» abhängig von der Tatsache, daß die Befehle gegeben werden von der Verschiebung gegenüber einer eingestellten Iiage auf der 53-Aohse, oder von der radialen Auslenkung.

Beim Pendelkopieren die Tatsache, daß sich die Vorschubgeaohwindigkeit nach einer parabolischen Beziehung ändert^ wodurch ea ermöglicht wird, daß die Vorschubsteuerung mit ainyr gewissen Verzögerung bezüglich der Steuerung der z-Aoh/jo o.lugrait*t! deren Geschwindigkeit; sich nach einer linearen

21) i) 8 m / Π RI 8

Beziehung ändert.

Beim Konturenkopieren die Tatsache, daß ein Konturenpol vorhanden ist, um den sich der !Paststift herumbewegt.

Dies ermöglicht es, leicht von einem Quadranten einer 360° - Kontur zu einem anderen überzugehen, und zwar ohne weitere Informationen außer der Konturenrichtung (im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt zu ihm) und der Art der Kontur, nämlich on Innen- oder Außenkontur.

Weitere Abwandlungen und Variationen sind im Rahmen des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden allgemeinen Erfindungsgedankens ohne weiteres möglich,

Patentanwalt·

Dipl.-Ing. Horst Rös· Dipl.-Ing. Peter Kos β I

209UH3/081ft

Claims (1)

1. DIPL-ING. HORST ROSE DiPL.-iNG. PETEH KOSEL

   PATENTANWÄLTE

   3353 Bad Ganderehelm, Ltf. Juli 1972

   Postfach 129 Hohenhöfen5 Telefon: (05382) 2842

   Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandershelm Unsere Akten-Nr. 2727/2

   D.E.A. Digital Electronic Automation S.p.A« Patentgesuch vom4sL Juli 1972

   Patentansprüche

   Taststift zur Anordnung an einem Meßkopf einer Meßmaschine o.dgl., mit einer Stange, an der ein Werkzeug "befestigt ist, das zum Abtasten oder Kopieren von Modellen o, dgl. dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (2) verschiebbar im unteren Teil eines verschwenkbaren Körpers (17) angeordnet ist, in welchem Führungslager (4) für die Stange (2) vorgesehen sind, daß ein den verschwenkbaren Körper (17) tragendes Kardanlager (26) vorgesehen ist, welches mit dem Gestell (29) des Taststifts verbunden· ist, so daß die Axial- und Querverschiebungen der verschiebbaren Stange (2) voneinander unabhängig sind, daß die verschiebbare Stange (2) mit einem ersten Fühlglied (14,21,22) verbunden ist, welches die axialen Verschiebungen der Stange (2) mißt, daß das Kardanlager (26) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Lager (27) aufweist, die mit zwei anderen Fühlgliedern (37,38) zum Messen der Querverschiebungen der Stange (2) verbunden sind, und daß ' mindestens eine elastische Zentriervorrichtung (31) für den verschwenkbaren Körper (17) vorgesehen ist, um diesen in eine mindestens nahezu vertikale Lage zurückzuführen.

   2. Taststift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des verschwenkbaren Körpers (17) als längliches, zylindrisches Teil mit relativ geringem Durchmesser ausgebildet ist, und daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser dieses * Teils vorzugsweise größer als 15 ist.

   20988370818 Ra/Hn.

   Bankkonto: Norddeutsche Landeibank. Filiale Bad Ganderth.lm, Kto-Nr. 22.118.970 . Postscheckkonto: Hannover 66715 970

   5. laststift nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardanlager (26) das Gewicht des verschwenkbaren Körpers (17) Tollständig aufnimmt und daß die lager (4) der Stange (2) am unteren Ende des verschwenkbaren Körpers (17) und in enger Nähe zum Werkzeug (1) angeordnet sind«, ·

   4. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die am verschwenkbaren Körper (17) vorgesehenen Lager als von außen mit Drückluft zu versorgende (40) Druckluftlager (4) ausgebildet sind.

   5« Taststift nach, mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (18) zum teilweisen Austarieren des Gewichts der verschiebbaren Stange (2) vorgesehen ist.

   6. Taststift nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als Spiralfeder (18) ausgebildet ist.

   7» Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verschiebbarkeit der verschiebbaren Stange (2) mindestens 50 mm beträgt.

   8. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbare Stange (2) mit einem Schwingungserzeuger, vorzugsweise einem Elektromagnetischen Vibrator (5) mit einer Feder (6) und einer Masse (.7) verbunden ist«,

   9β Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine elektromagnetische Bremse (15) zum Blockieren der verschiebbaren Stange (2) aufweist.

   10. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Zentriervorrichtung für den verschwenkbaren Körper (17) vier pneumatisch betätigbare Kolben (32) aufweist, welche vorzugsweise mit einer einstellbaren (12) Vorspannkraft beaufschlagbar sind,

   209883/0818

   ti. laststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querverschiebbarkeit der verschiebbaren Stange (2) mindestens etwa 5 mm beträgtc

   12. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die axialen Verschiebungen messende !Fühlglied einen Fotodetektor (14,21,22) aufweist,

   13« Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüohe, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fühlglieder zum Messen der Querverschiebungen jeweils einen Differentialtransformator (37,58) aufweisen·

   14. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zum Durchführen eines pendelartigen Kopiervorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß der pendelartige Kopiervorgang entweder mit aus- oder mit eingeschalteter Bremse (15) und unter der Wirkung eines Steuersignals ausführbar ist, welches eine Funktion der axialen Verschiebung oder eine Funktion der Querverschiebung ist.

   15«> Taststift nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des pendelartigen Kopiervorgangs die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs (1) entsprechend einer parabolischen Beziehung geändert wird, und daß die vertikale Verschiebegeschwindigkeit des Meßkopfs (42) nach einer linearen Beziehung geändert wird.

   16. Taststift nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Durchführen eines Konturenkopiervorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß sich beim Konturenkopiervorgang der Taststift um einen Konturenpol herumbewegt und dabei von einem Quadranten einer 360° - Kontur zu einem anderen läuft, wobei die einzige vorgegebene Information die Konturenrichtung, d.h«, im oder entgegen dem Uhrzeigersinn, und die Arb der Kontur, d.h. innere oder äußere Kontur,betrifft*

   209881/0818

   i at .

   Leerseite