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Die
vorliegende Erfindung betrifft Tastfühler von dem Typ mit einem
Taster, der in einem Sitz in dem Tastfühler befestigt ist und von
einer Feder in den Sitz hinein vorgespannt ist. Der Tastfühler kann an
dem Arm einer Vorrichtung befestigt und in Richtung eines Werkstücks bewegt
werden, um den Taster in Kontakt mit dem Werkstück zu bringen. Sobald der Taster
das Werkstück
berührt,
wird er gegen die Wirkung des Vorspannmittels aus seinem Sitz ausgelenkt
und diese Bewegung erzeugt ein Signal, das an die Vorrichtung weitergeleitet
wird, so dass die Vorrichtung die augenblickliche Position des Armes
der Vorrichtung, an dem der Tastfühler befestigt ist, in dem
Augenblick, in dem das Signal ankommt, aufzeichnen kann.
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Eine
Form eines solchen Tastfühlers
ist aus unserem US-Patent Nr. 4 153 998 bekannt, das unter anderem
einen Tastfühler
beschreibt, bei dem der Taster in eine Tasterhalterung hineingeschraubt
ist, und die Tasterhalterung in einem kinematischen Sitz von drei
sich radial erstreckenden, um 120° um
die Achse des Tasters herum beabstandeten Armen gehalten ist. Der
kinematische Sitz wird durch die prismenförmigen Kerben bereitgestellt,
die zwischen einem Paar eng beabstandeter Kugeln, welche derart in
Aufnahmen an dem Gehäuse
des Tasters geklebt sind, dass der Klebstoff eine isolierende Barriere
zwischen den Kugeln und dem Gehäuse
bildet, definiert sind. Die Kugeln sind in Serie in einer elektrischen Schaltung
verdrahtet, die nur dann geschlossen ist, wenn alle drei Arme in
den durch die Kugeln definierten prismenförmigen Kerben sitzen und somit
die Zwischenräume
zwischen den Kugeln überbrücken.
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Das
Kleben der Kugeln in die Aufnahmen und das Verdrahten der einzel nen
Kugeln in der elektrischen Schaltung sind Zeit raubende Vorgänge, die die
Kosten für
den Tastfühler
erhöhen
und die Ursache für
weitere Probleme sein können.
Zum Beispiel kann das Vorhandensein des Klebstoffes zu Ungenauigkeiten
während
des Betriebes des Tastfühlers führen, wenn
signifikante Temperaturunterschiede auftreten. Auch kann die Verdrahtung
eine Fehlerquelle für
den Tastfühler
sein, da einzelne Drähte
von den verwendeten Kugeln abgebrochen oder abgelöst werden
können.
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Weitere
solche Tastfühler
nach dem Stand der Technik sind aus der
DE 19 516 272 und der GB 2 317 055
bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung wie in Anspruch 1 dargelegt sucht einen oder
mehrere dieser Mängel
in einem Tastfühler
zu beseitigen.
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Beispiele
von Tastfühlern
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 ein Querschnittsriss durch
eine Ausführungsform
eines Tastfühlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist,
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2 ein Querschnitt an der
Linie II-II von 1 eines
zusammengesetzten Tastfühlers
ist,
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3 eine Draufsicht eines
flexiblen leitenden Elementes zur Verwendung in dem Tastfühler ist,
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4 eine Draufsicht einer
alternativen Form eines leitenden Elementes ist,
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5 eine Ansicht ähnlich wie 2 eines Tastfühlers ist,
der eine alternative Form eines flexiblen leitenden Elementes enthält,
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6 ein Teil-Querschnittsriss
eines Tastfühlers
ist, der eine weitere Ausführungsform
der Erfindung aufweist,
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7 eine Ansicht an der Linie
A-A von 6 ist,
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8 eine Draufsicht eines
Tastfühlers
der vorliegenden Erfindung ist, der in einem Werkzeugeinstellarm
eingebaut ist, und
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9 ein Seitenriss des in 6 dargestellten Tastfühlers ist.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 1 und 2 der Zeichnungen weist der
Tastfühler
ein äußeres Gehäuse 12 auf,
das vorzugsweise aus Stahl besteht, und das einen radial nach innen
gerichteten ringförmigen
Flansch 14 aufweist. In dem Gehäuse ist eine Tasterhalterung 16 befestigt,
die mit einem länglichen
Taster 18, der eine Achse 18A aufweist, die mit
der Längsachse
des Gehäuses
zusammenfällt,
verbunden ist.
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Der
Taster und ein Teil der Tasterhalterung ragen von dem Gehäuse in der
Richtung der Achse 18A durch eine Öffnung 20 an einem
Ende des Gehäuses
vor, um in der Lage zu sein, ein Werkstück oder Werkzeug zu berühren oder
von diesem berührt zu
werden, wenn zwischen dem Tastfühler
und dem Werkstück
oder Werkzeug eine relative Bewegung stattfindet.
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Sechs
Ausnehmungen 22 sind in dem Flansch 14 ausgebildet,
die in der von der Öffnung 20 weg
weisenden Richtung offen sind. Die Ausnehmungen sind paarweise angeordnet
und die Paare sind um die Achse 18A herum um 120° beabstandet. Die
Ausnehmungen sind so eingerichtet, dass sie Kugeln 20 aufnehmen,
und können
jede geeignete Form aufweisen, z. B. konisch oder dreieckig, wodurch
die Kugel, wenn sie in der Ausnehmung aufgenommen ist, in einer
stabilen Position verbleibt und kinematisch gelagert ist. Der Abstand
der Kugeln in jedem Paar ist derart, dass sie durch eine von der Tasterhalterung 16 gehaltene
Walze 24 überbrückt werden
können
und einen stabilen Sitz für
diese bilden.
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Die
Walzen 24 sind in Löcher 26 in
der Tasterhalterung um 120° um
die Achse 18A herum eingepasst, und die Löcher sind
anfangs mit einem Kunststoffeinsatz 28 ausgekleidet, der
entlang seiner Länge
geteilt sein kann, und in den die Walzen gepresst sind.
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Die
Kugeln sind mittels eines zylindrischen Stopfens 30 aus
Hartplastik mit einem offenen Ende in ihren jeweiligen Ausnehmungen
angeordnet und hineingeklemmt. In der ringförmigen Fläche an seinem offenen Ende
weist der Stopfen sechs geeignet beabstandete Ausnehmungen 32 auf,
die in dem zusammengesetzten Tastfühler über die Kugeln passen. An seinem
offenen Ende ist der Stopfen 30 auch mit drei länglichen
Schlitzen 34 ausgebildet, die als Führungen für die Walzen 24 wirken,
wenn die Tasterhalterung durch an dem Ende des Tasters wirkende
Kräfte
kippt und senkrecht bewegt wird.
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Wenn
keine Kraft auf den Taster aufgebracht ist, ist die Tasterhalterung
mittels einer Feder 36, die eine Kraft in der Richtung
der Achse 18A erzeugt, um die Walzen in die zwischen den
Kugeln 20 ausgebildeten Sitze zu drängen, in eine neutrale Position
vorgespannt.
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Damit
der Tastfühler
ein Signal erzeugen kann, wenn der Taster entweder durch Kippen
oder senkrechte Bewegung abgelenkt wird, sind die Kugeln elektrisch
in Serie geschaltet und bilden eine Schaltung, die durch die Walzen,
die mit beiden Kugeln in jedem Paar Kontakt herstellen, geschlossen wird.
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Die
Kugeln bestehen aus einem harten elektrisch leitenden Material,
z. B. Stahl oder Wolframcarbid, und sie müssen daher dort, wo sie mit
dem Stahlkörper
in den Ausnehmungen 22 in Kontakt treten, von dem Stahlkörper isoliert
sein.
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Die
Isolierung der Kugeln von dem Körper und
die Serienzusammenschaltung der Kugeln zu einer elektrischen Schaltung
werden gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung durch die Verwendung eines dünnen flexiblen elektrisch leitenden
Elementes 40, das in zwei Schichten ausgebildet ist, auf
eine neue Art erzielt. Eine der Schichten 42 ist aus einem isolierenden
Material gebildet, und die andere Schicht 44 ist ringabschnittförmig und
aus einem elektrisch leitenden Material gebildet. Viele Materialkombinationen
wären für das flexible
Element geeignet, aber in der hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
besteht das Element aus dünnem Kunststoff 42 mit
einer dünnen
Beschichtung 44 aus Kupfer an einer Seite, um die ringabschnittförmigen elektrisch
leitenden Bereiche zu bilden, wie in 3 dargestellt.
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Beim
Zusammensetzen des Tastfühlers
wird das ringförmige
dünne Element
auf dem ringförmigen Flansch 14 angeordnet,
wobei seine isolierende Seite in Kontakt mit dem Flansch steht und
die leitenden Bereiche über
den Ausnehmungen 22 angeordnet sind. Die Kugeln werden
in den Ausnehmungen 32 in dem Stopfen aufgenommen, und
dann wird der Stopfen durch Ausüben
einer Klemmkraft an dem gegenüber
liegenden Ende des Stopfens in Position gepresst.
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Die
Klemmkraft auf den Kugeln verformt die unter den Kugeln liegenden
Bereiche des flexiblen Elementes 40 in die Ausnehmungen 22 hinein
und sorgt für
einen guten elektrischen Kontakt an den Kugeln wie auch für einen
stabilen Sitz der Kugeln. Um die Stabilität des Sitzes der Kugeln auf
dem Element 40 in den Ausnehmungen zu unterstützen, kann
das flexible Element mit sechs geformten Ausschnitten 46 versehen
sein, die für
drei Laschen 48 (in 4 dargestellt)
sorgen, die sich unter dem Klemmdruck in die Ausnehmungen hinein
falten und sicherstellen, dass jede Kugel auf drei Punkten in der
Ausnehmung ruht.
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Die
Erfindung ist nicht auf die unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebene Ausführungsform beschränkt. Bei
einer weiteren Ausführungsform
besteht der Körperabschnitt 12 oder
zumindest dessen Flansch 14 aus Aluminium, das sodann anodisiert
wird, um eine isolierende Schicht zu bilden, auf der eine dünne Folie
aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material liegen
oder direkt abgeschieden werden kann. Alternativ kann der Körperabschnitt 12 oder
zumindest dessen Flansch 14 aus einem relativ steifen nicht
leitenden Kunststoff- oder Keramikmaterial bestehen. Bei diesen
Alternativen ist es auch möglich,
es so einzurichten, dass das dünne
ringabschnittförmige
leitende Element oben auf den Kugeln liegt, wobei die stabile Positionierung
der Kugeln und die Kraft für
den erforderlichen elektrische Kontakt durch die Klemmkraft aufrecht
erhalten werden. Bei einer solchen Ausführungsform müssen genug
Bereiche der Kugeln offen sein, so dass die Walzen 24 elektrischen
Kontakt mit diesen herstellen können.
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Ein
Beispiel für
diese Anordnung ist in 5 dargestellt,
bei der das flexible Metallelement 50 in vier Hauptteilen 50a, 50b, 50c und 50d gezeigt
ist, die durch vier isolierende Verbinder 52a, 52b, 52c und 52d,
die die Enden der Walzen 24 umgehen, verbunden sind, wobei
für Teile,
die mit jenen vorhergehender Abbildungen identisch sind, gleiche
Bezugsziffern verwendet werden. Das Metallelement 50 ist oben
auf den Kugeln 22 angeordnet und ist durch den Klemmstopfen 30 mit
diesen in guten elektrischen Kontakt gepresst.
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Die
Klemmkraft kann auf verschiedene Arten ausgeübt werden, bei der bevorzugten
Ausführungsform
ist jedoch eine Lippe 54 an dem Ende des Gehäuses übergeschlagen,
um den Stopfen nach unten in das Tastfühlergehäuse hinein zu zwingen.
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Die
Klemmkraft kann alternativ z. B. durch eine Endkappe mit einem Gewinde,
die sich auf den Körper
schraubt, um durch eine Federkraft, die von einer Feder zwischen
dem Stopfen und einer Stirnwand des Gehäuses geliefert wird, Druck
auf den Stopfen 30 auszuüben, oder durch Befestigen
einer Stirnplatte auf dem Gehäuse
mittels Schrauben, um den Stopfen zusammenzupressen, bereitgestellt sein.
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Um
die elektrische Schaltung zur Außenseite des Tastfühlers zu
schließen,
sind zwei Kontaktstifte 56 durch den Hartplastikstopfen 30 gepresst,
und deren leitende Enden sind in Kontakt mit den gegenüber liegenden
Enden des leitenden Metallelementes gepresst.
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Die 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei der die genaue Anordnung der Kugeln 20 durch
Formung der Ausnehmungen 32 in dem Element 30 erreicht
ist. Zum Beispiel können,
wie in 6 gezeigt, die
Ausnehmungen konisch sein, wodurch jede Kugel genau und wiederholbar
angeordnet wird, wenn die Klemmkraft aufgebracht wird.
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Ein
Teil einer jeden Kugeloberfläche
ragt in den Schlitz 34 in dem Element 30, in welchem
die Walzen 24 lose geführt
sind, wodurch die Walzen während
des Betriebes des Tastfühlers
bewegt werden können,
um auf den Kugeloberflächen
aufzusitzen oder von diesen abzusitzen. Bei dieser Ausführungsform
muss das elektrisch leitende Element nur ausreichend unter dem Klemmdruck
verformbar sein, um einen guten elektrischen Kontakt mit den Kugeln sicherzustellen,
und die Oberfläche
des Flansches, auf die er aufgebracht wird, ist nicht leitend.
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Daher
sorgt die Klemmkraft erneut für
eine genaue Anordnung der Kugeln ohne Kleben, und für einen
guten elektrischen Kontakt zwischen dem leitenden Element und den
Kugeln, ohne dass Drähte erforderlich
sind.
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Das
leitende Element kann viele Formen aufweisen, und es muss nicht
erforderlich sein, dass es sich wie in den 1 bis 4 dargestellt
verformt. Zum Beispiel besteht bei der Ausführungsform von 5 und der Ausführungsform von 6 keine Notwendigkeit, dass sich das
leitende Element in Kugel-Ausnehmungen hinein verformt, und es kann
somit dicker und weniger flexibel sein. Weitere Formen des leitenden
Elementes können
daher einen einfachen Metallstreifen mit Ausnehmungen, um Kurzschlüsse zwischen
den Kugeln 22 zu vermeiden, und, abhängig davon, ob er mit einem
isolierten Teil der Tastfühleranordnung
in Kontakt steht oder nicht, mit oder ohne eine/r isolierende/n
Schicht, umfassen.
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Obwohl
die Sitzelemente und Tragelemente jeweils als Kugeln 20 und
Walzen 24 dargestellt sind, könnten stattdessen weitere bekannte
Kombinationen aus Kugeln und Walzen verwendet werden.
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Obwohl
das vorstehend beschriebene Anordnungsverfahren verwendet werden
kann, um Tastfühler
für jeden
beliebigen Zweck zu bauen, betrifft die vorliegende bevorzugte Ausführungsform insbesondere
einen Werkzeugeinstell-Tastfühler.
Bei einem solchen Tastfühler
wie in den 8 und 9 gezeigt weist der Taster
eine quadratische Spitze 58 auf, die in sein freies Ende
geschraubt ist. Der Tastfühler
ist eingerichtet, um in einem Werkzeugeinstellarm 60 befestigt
zu werden.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 8 und 9 ist der Tastfühler in
eine Bohrung 62 in dem Ende des Arms hineingepresst und
stößt gegen einen
Endflansch 64 in der Bohrung. Die Bohrung 62 ist
derart ausgebildet, dass sie zwei Flächen 66, 68 an
gegenüber
liegenden Seiten einer Diametrallinie 70 bereitstellt,
die von dem Tastfühlerkörper berührt werden,
was für
einen seitlichen Halt sorgt. Die Flächen können auf jede geeignete Weise
ausgebildet sein und können
plane Flächen
als Seiten einer prismenförmigen
Nut sein, oder sind, wie bei der bevorzugten Ausführungsform
von 8 gezeigt, Ränder, die
als Ergebnis des Ausschneidens eines profilierten Abschnittes 65 aus
der Wand der Bohrung gebildet sind. Die Flächen 66, 68 erstrecken
sich im Wesentlichen über
die volle Länge
der Bohrung, um ein Kippen des Tastfühlers während der Einstellung der Tastfühlerspitze
zu verhindern, wie unten stehend beschrieben wird.
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Die
Außenfläche des
Tastfühlers
ist mit zwei prismenförmigen
Kerben 72, 74 versehen, die Seitenflächen 76, 78, 80 und 82 in
annähernd
rechten Winkeln aufweisen. Die prismenförmigen Kerben sind symmetrisch
an gegenüber
liegenden Seiten der Diametrallinie 70 vorgesehen, und
jede von ihnen weist eine Fläche 76 bzw. 82 auf,
die in einer Ebene normal zu der Diametrallinie 70 ausgerichtet
ist.
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Ein
Paar Gewindestifte 84, 86 mit einem planen Ende
ist vorgesehen, die sich derart in Gewindebohrungen 88, 90 in
dem Körper
des Arms 60 schrauben, dass ihre planen Enden in Kontakt
mit den Flächen 76 und 82 der
prismenförmigen
Kerben 72, 74 gebracht werden können. Wenn
der Tastfühler mit
dem Arm an einer Vorrichtung zusammengebaut ist, ist er zu Beginn
so angeordnet, dass die Seiten der quadratischen Spitze 58 des
Tasters so nahe wie möglich
mit den x- und y-Achsen der Vorrichtung ausgerichtet sind, indem
Markierungen an dem Tastfühlerkörper mit
Markierungen an dem Arm ausgerichtet werden. Dann erfolgt eine Feineinstellung
unter Verwendung einer an der Vorrichtung angebrachten Messuhr,
indem die Gewindestifte 84, 86 auf die eine oder
andere von den planen Flächen 76 und 82 geschraubt
werden, was den Tastfühler
um seine Längsachse 18A herum
in einer der beiden Richtungen dreht, um die Tasterspitze mit den
Achsen der Vorrichtung auszurichten. Während dieser Drehung gleitet
der Tastfühlerkörper auf
den Flächen 66, 68 ohne
zu kippen.
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Wenn
die Messuhr zeigt, dass die Ausrichtung der Tasterspitze genau ist,
werden beide Gewindestifte nach unten festgezogen, um den Tastfühler in Position
gegen die Flächen 66, 68 zu
verriegeln.