DE69900641T2

DE69900641T2 - Messtaster zur verifikation der lineardimensionen von werkstücken

Info

Publication number: DE69900641T2
Application number: DE69900641T
Authority: DE
Inventors: Carlo Carli; Franco Danielli
Original assignee: Marposs SpA
Current assignee: Marposs SpA
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2002510792A; ATE211253T1; EP1070227A1; JP4141637B2; ITBO980219A0; WO1999051935A1; US6449861B1; IT1299955B1; ITBO980219A1; EP1070227B1; ES2169606T3; AU3604399A; DE69900641D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kopf zum Überprüfen der linearen Abmessungen von Teilen in Werkzeugmaschinen oder Meßvorrichtungen mit einer Lagereinheit, einem im wesentlichen starren beweglichen Armsatz einschließlich eines Armes, der einen Fühler zum Kontaktieren des zu überprüfenden Teiles aufweist, einer Vorspannvorrichtung, die zwischen der Lagereinheit und dem beweglichen Armsatz angeordnet ist, einem ersten Zwangssystem mit einer Konstruktion mit Rotationssymmetrie um eine erste geometrische Achse und mit einem zweiten Zwangssystem eines sich vom Typ des ersten Zwangssystemes unterscheidenden Typs, wobei das erste und zweite Zwangssystem zwischen der Lagereinheit und dem beweglichen Armsatz angeordnet sind, um unter der Wirkung der Vorspannvorrichtung die sechs Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes zu eliminieren, wobei die vom ersten Zwangssystem eliminierten Freiheitsgrade die Translation des beweglichen Armsatzes entlang der ersten geometrischen Achse einschließen, sowie einer Detektionsvorrichtung zum Vorsehen eines von der Position des beweglichen Armsatzes abhängigen Signales.
Kontaktdetektionsköpfe oder Berührungsauslösefühler sowie Meßköpfe finden in Koordinaten-Meßvorrichtungen und Werkzeugmaschinen, insbesondere Bearbeitungszentren und Drehmaschinen, für die Überprüfung von bearbeiteten oder zu bearbeitenden Teilen, Werkzeugen, Maschinentischen etc. Verwendung. Diese Köpfe weisen allgemein einen beweglichen Armsatz, wobei ein Arm ein oder mehrere Fühler trägt, eine Vorspannvorrichtung zum Pressen des Armsatzes gegen eine Lagereinheit und eine Detektionsvorrichtung mit einem oder mehreren Schaltern oder anderen Vorrichtungen zum Vorsehen eines Auslösesignales oder mit Positionsmeßwandlern auf.
In Verbindung mit Kontaktdetektionsköpfen erzeugt die Verschiebung des Fühlers infolge des Kontaktes mit dem Teil eine Auslösung der Detektionsvorrichtung, die wiederum die den Maschinenschlitten zugeordneten Meßwandler steuert, welche Meßwerte in bezug auf eine Referenzposition oder einen Ursprung liefern.
Die grundlegenden Erfordernisse für diese Köpfe sind die Wiederholbarkeit, d. h. die Übereinstimmung zwischen vorgegebenen Positionen des Fühlers und der Auslösung der Detektionsvorrichtung oder der Signalwerte der Meßwandler für die Meßköpfe, und die Zuverlässigkeit, massive Ausbildung, geringen Gesamtabmessungen und begrenzten Kosten.
Ein beispielhafter Wert eines akzeptablen Wiederholbarkeitsfehlers für diese Köpfe beträgt 1 um oder weniger.
Einige der Köpfe sind anisotrop in bezug auf die Auslösung der Detektionsvorrichtung infolge von Querverschiebungen des Fühlers. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass normalerweise die Querverschiebungen keine reinen Translationsbewegungen sind, sondern beispielsweise Rotationsverschiebungen des beweglichen Armsatzes entsprechen. Auf Grund der geringen Größe der Fühlerverschiebungen ist es jedoch üblich, die Verschiebungen des Fühlers in Richtungen der Querachsen anzugeben.
Im wesentlichen besteht das Konzept der Anisotropie darin, dass bei Änderung der Richtung der Querverschiebung ein Auslösen der Detektionsvorrichtung in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Exzentrizitätswerten des Fühlers in bezug auf die geometrische Längsachse des Kopfes stattfindet.
Ein Beispiel eines stark anisotropen Kopfes ist in den Fig. 1 bis 3 der US-A-4 153 998 dargestellt.
Ein weiterer anisotroper Kopf ist der offengelegten japanischen Patentanmeldung 63-263406 beschrieben.
Andere bekannte Köpfe, wie sie beispielsweise in der US-A-5 299 360, der GB-A-2 205 650 und dem Erfinderzertifikat SU-A-1516786 beschrieben sind, und einige der in der US A-5 146 691 beschriebenen Köpfe, insbesondere der in Fig. 1 bis 3 dieses Patentes dargestellte Kopf, sind zumindest vom Konzept her von einem isotropen Typ.
Weitere Unterschiede unter den herkömmlichen Köpfen betreffen die Systeme zur Zwangsanordnung des beweglichen Armsatzes an der Lagereinheit.
Wie bekannt, hat ein frei im Raum gelagerter starrer Körper sechs Freiheitsgrade, die in bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem darin bestehen, Translationsbewegungen entlang den Achsen X, Y und Z und Drehbewegungen um die gleichen Achsen durchzuführen.
Als Beispiel hat der in der US-A-5 299 360 beschriebene bewegliche Armsatz des Kopfes in Abwesenheit von auf den Fühler einwirkenden Kräften zwei Freiheitsgrade (die Möglichkeit der Drehung um die X- Achse und die Y-Achse). Der bewegliche Armsatz des in den Fig. 1 bis 3 der US-A-4 153 998 gezeigten Kopfes, der mit der Lagereinheit über ein Zwangssystem gekoppelt ist, das von dem sogenannten Boys'-Gelenk (3 zylindrische Elemente, die am Armsatz fixiert sind, und 3 Paare von Kugeln, die an der Lagereinheit fixiert sind) gebildet wird, besitzt in Abwesenheit von auf den Fühler einwirkenden Kräften keinerlei Freiheitsgrad. Die Zwangssysteme für den beweglichen Armsatz relativ zur Laglereinheit können Kraftschluß- und/oder Verformungsmerkmale besitzen.
In den kinematischen Zwangssystemen (Formzwangssysteme mit Kraftschluß) werden die Freiheitsgrade (ein oder mehr) unter der Wirkung von Kräften, beispielsweise elastischen Kräften, die vom Konzept her starre Elemente des Systems "schließen", eliminiert, wodurch die Elemente in Kontakt gehalten werden. Wenn der Fühler durch Kräfte vorgespannt wird, die Werte besitzen, welche höher sind als die vorstehend erwähnten elastischen Kräfte, verschiebt er sich und eliminiert den entsprechenden Zwang, ohne Verformungen des Zwangssystems zu verursachen (in bezug auf ideale starre Körper). Ein Beispiel eines Kopfes mit einem Zwangssystem mit vollem Kraftschluß ist der bereits erwähnte Kopf der Fig. 1 bis 3 der US-A-4 153 998, der ein Boys'- Gelenk verwirklicht, d. h. ein System, das in typischer Weise eine anisotrope Einheit bildet.
Im Gegensatz dazu tritt in Verbindung mit Zwangssystemen, die Verformungen aufweisen, wie beispielsweise die Blattfeder des in der GB- A-2 205 650 beschriebenen Kopfes, die Verschiebung des Fühlers infolge der elastischen Verformung von einem oder mehreren Elementen des Zwangssystems auf.
Die Verformungen aufweisenden Zwangssysteme besitzen einige Probleme, da die Verformungen beispielsweise begrenzt werden müssen, um zu vermeiden, dass sie dauerhaft werden, und da diese Systeme normalerweise eine geringe Robustheit besitzen. Insbesondere treten bei diesem Typ Nachteile auf, wenn der Fühler die Möglichkeit haben muß, große Bewegungen durchzuführen, beispielsweise bei Kontaktdetektionsköpfen, die in Werkzeugmaschinen Verwendung finden, welche sehr schnelle Meßzyklen benötigen. In entsprechenden Situationen muß der Kopf große Werte der "Extrabewegung" des Fühlers nach der Erzeugung des Auslösesignales ermöglichen.
Weitere Nachteile, die in einigen herkömmlichen Köpfen auftreten, gehen auf die Tatsache zurück, dass die in diesen Köpfen verwendeten Zwangssysteme zu Situationen eines Überzwanges führen, da die ausgeübten Zwänge über denen liegen, die erforderlich sind, um ein oder mehrere Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes zu eliminieren. Wenn beispielsweise ein Kopf zwei unterschiedliche Zwangssysteme in bezug auf die axiale Translation des beweglichen Armsatzes besitzt, ist es erforderlich, eine Entkopplungsvorrichtung vorzusehen, um die Auswirkung von einem Zwangssystem auf den Fühler zu eliminieren und Instabilitätsprobleme und somit eine schlechte Wiederholbarkeit des Kopfes zu vermeiden. Die Elimination der superabundanten Zwangssysteme bringt Komplikationen bei der Kopfkonstruktion und andere Nachteile mit sich (die Verwendung von Entkopplungselementen auf der Basis von Verformungen, die Verwendung von Armsätzen, die aus einer Vielzahl von gegenseitig beweglichen Elementen bestehen, die Notwendigkeit einer Vielzahl von Vorspannvorrichtungen). Entsprechende Situationen treten bei den Köpfen auf, die in der bereits erwähnten US-A-5 146 691 beschrieben sind.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung eines Kontaktdetektionskopfes oder eines Meßkopfes, der vorteilhafte Kompromisse mit dem Stand der Technik ermöglicht, und zwar in Verbindung mit den folgenden Eigenschaften: Wiederholbarkeit, massive Ausgestaltung, Isotropie, Zuverlässigkeit, Einfachheit der Konstruktion, Möglichkeit der Verwendung sowohl in der Metrologie als auch in der Werkstatt, oder einige dieser Eigenschaften.
Ein günstiger Kompromiß mit relativ allgemeinem Charakter wird durch einen Kopf des anfangs erwähnten Typs erzielt, der dem in der GB-A-2 205 650 beschriebenen Kopf entspricht und bei dem das erste Zwangssystem und das zweite Zwangssystem vollständig mit Kraftschluß arbeiten.
Genauer gesagt, die Erfindung betrifft Eigenschaften in bezug auf die Konstruktion und die Funktionsweise der Zwangssysteme, die Vorspannvorrichtung und die Detektionsvorrichtung, einzeln oder in Kombination mit anderen Eigenschaften betrachtet.
Die Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die lediglich beispielhaft und nicht beschränkend sind, im einzelnen beschrieben. Hiervon zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt entlang Linie I-I in Fig. 2 eines Kontaktdetektionskopfes gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Teilschnitt des Kopfes der Fig. 1 entlang Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Längsschnitt entlang Linie III-III in Fig. 4 eines Kontaktdetektionskopfes gemäß einer Variante in bezug auf die Fig. 1 und 2 ohne die Detektionsvorrichtung;
Fig. 4 einen Teilschnitt des Kopfes der Fig. 3 entlang Linie IV- IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Längsschnitt entlang Linie V-V in Fig. 7 eines Kontaktdetektionskopfes gemäß einer anderen Variante in bezug auf die Fig. 1 und 2 ohne die Detektionsvorrichtung;
Fig. 6 einen vereinfachten Schnitt entlang Linie VI-VI in Fig. 5, wobei einige Details des Kopfes der Fig. 5 gezeigt sind;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der durch Linie VII-VII in Fig. 5 verlaufenden Ebene, wobei eine Feder des Kopfes der Fig. 5 und 6 gezeigt ist;
Fig. 8 eine Längsansicht, teilweise im Schnitt, eines Kontaktdetektionskopfes gemäß einer anderen Variante in bezug auf die Fig. 1 und 2 ohne die Detektionsvorrichtung;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der durch die Linie IX-IX in Fig. 8 verlaufenden Ebene, wobei einige Details des Kopfes der Fig. 8 gezeigt sind;
Fig. 10 einen Längsschnitt, der einen Teil eines Kopfes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 11 einen Längsschnitt, der einen Kopf gemäß einer Variante in bezug auf den Kopf der Fig. 10 zeigt;
Fig. 12 teilweise und schematisch einen Kopf mit einer Detektionsvorrichtung vom Widerstandstyp;
Fig. 13 eine Detektionsschaltung des Kopfes der Fig. 12; und
Fig. 14 schematisch und teilweise einen Kopf mit einer optoelektronischen Detektionsvorrichtung.
Es wird nunmehr die beste Methode zur Verwirklichung der Erfindung beschrieben. Der Kopf der Fig. 1 und 2 umfaßt eine Lagereinheit oder ein Gehäuse 1, die ein erstes Element 2, das im wesentlichen zylindrisch ist und eine obere Basis 3 besitzt, und ein zweites Element 4 aufweist, das im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und eine untere Basis 5 besitzt. Das erste und zweite Element 2, 4 sind mit den Enden gegenüber den Basen 3 und 5 über eine feste oder lösbare Kupplung 6, die in sehr schematischer Weise dargestellt ist, aneinander befestigt.
Der bewegliche Armsatz 7 des Kopfes umfaßt einen Arm 9, der an einem außerhalb des Gehäuses 1 angeordneten Ende einen Fühler 10 und am anderen Ende ein Element mit der Form einer kreisförmigen Scheibe 11 trägt, wobei ein Ringabschnitt 12 in Richtung auf den Fühler 10 vorsteht.
Drei Platten oder Lamellen 13 mit ebenen Wänden sind am Armsatz 7 zwischen der unteren Fläche der Scheibe 11 und dem oberen Abschnitt des Armes 9 befestigt. Die Wände der Platten 13 liegen in radialen Richtungen, erstrecken sich entlang der geometrischen Längsachse Z des Kopfes und sind mit einem Winkelabstand von 120º relativ zur Z- Achse angeordnet.
Drei andere Platten oder Lamellen 14 mit ebenen radialen Wänden parallel zur Z-Achse sind mit einem Winkelabstand von 120º am Element 4 fixiert.
Eine Doppelschraubenfeder 15 ist zwischen der Unterseite der Basis 3 und der Oberseite der Scheibe 11 angeordnet und so vorgespannt, dass sie auf den beweglichen Armsatz 7 eine axiale und torsionale Vorbelastung aufbringt, wie durch die Pfeile in Fig. 1 und 2 gezeigt, wobei die torsionale Vorbelastung ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den beweglichen Armsatz 7 aufbringt.
Drei Zwischenrollelemente, die von freien Kugeln 16 gebildet werden, sind zwischen benachbarten Flächen der entsprechenden Platten 13, 14 angeordnet. Durch die von der Feder 15 aufgebrachte Torsionsvorbelastung bleiben die drei Kugeln 16 zwischen den Plattenpaaren 13, 14 und einer zylindrischen Innenbahn 17 des Elementes 4 eingefangen. Eine ebene Querfläche 18 des Elementes 4 bildet einen axialen Begrenzungsanschlag für die Kugeln 16. Ein anderer axialer Begrenzungsanschlag für die Kugeln 16 wird von der Unterseite der Scheibe 11 gebildet.
Eine ringförmige ebene Zone 20, d. h. mit der Form eines Ringes, an der Unterseite des Abschnittes 12 wird von der Feder 15 in Kontakt mit einer entsprechenden ringförmigen ebenen Zone 21 am oberen Abschnitt des Elementes 4 vorgespannt, so dass ein erstes Zwangssystem mit Kraftschluß des beweglichen Armsatzes 7 relativ zum Gehäuse 1 gebildet wird. Dieses Zwangssystem hat durch die von der Feder 15 aufgebrachte axiale Vorbelastung Kraftschluß und eliminiert drei Freiheitsgrade in bezug auf die Translation entlang der Längsachse Z und Rotationen um die Querachsen X und Y des karthesischen Koordinatensystems.
Ein zweites Zwangssystem ebenfalls mit Kraftschluß umfaßt Platten 13, 14, Kugeln 16 und eine Wand 17. Das zweite Zwangssystem hat durch die von der Feder 15 aufgebrachte Torsionsvorbelastung Kraftschluß und eliminiert die anderen drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes 7, nämlich Translationen entlang der X- und Y-Achse und eine Rotation um die Z-Achse.
Wenn eine Axialkraft, nämlich entlang der Z-Achse, die größer ist als die von der Feder 15 vorgesehene axiale Vorbelastung, infolge eines Kontaktes mit einem zu überprüfenden Teil auf den Fühler 10 aufgebracht wird, erfährt der bewegliche Armsatz 7 eine Translationsverschiebung entlang der Achse Z, und die Ringzone 20 löst sich von der ebenen Ringzone 21.
Die Konstruktion des Kopfes ist so ausgestaltet, dass das Dreieck mit seinen drei Winkeln, die mit den Kontaktpunkten einer jeden Kugel 16 mit den Platten 13, 14 und der Wand 17 zusammen fallen, ein gleichschenkliges Dreieck ist, dessen Basis von den Kontaktpunkten mit der Platte 14 (stationär) und der Wand 17 (ebenfalls stationär) gebildet wird. Während der Translationsverschiebung rollen daher die Kugeln 16 auf den entsprechenden Platten 13, 14 und der Wand 17. Da die Bewegung der Kugeln 16 eine reine Rollbewegung ist, sind Reibkräfte vernachlässigbar.
Wenn im Gegensatz dazu eine ausreichend große Radialkraft, die in einer Meridianebene des X-, Y-, Z-Systems liegt, infolge eines Kontaktes mit einem zu überprüfenden Teil auf den Fühler 10 aufgebracht wird, erfährt der bewegliche Armsatz 7 eine Schwenkverschiebung an einem Kontaktpunkt zwischen der Ringzone 20 und der ebenen Ringzone 21, und die ebene Ringzone 21 löst sich von der Ringzone 20 von diesem Punkt. Während dieser Schwenkbewegung rollen die Kugeln 16 auf den entsprechenden Platten 13, 14 und der Wand 17.
Eine abdichtende und schützende Dichtung 22 ist zwischen dem beweglichen Armsatz 9 und der Basis 4 angeordnet.
Das außer Eingriff treten des ersten Zwangssystems, d. h. das gesamte oder teilweise Lösen der Ringzone 21 von der Ringzone 20, wird von einer an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Detektionsvorrichtung detektiert, die einen Kondensator mit zwei Ringplatten 23, 24 aufweist, welche in toroidförmigen Ausnehmungen 25, 26 angeordnet sind, die im Ringabschnitt 12 und im Element 4 ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 25 und 26 sind mit einem dielektrischen Material gefüllt und werden von Leitern 27, 28 gekreuzt, die an Platten 23, 24 und eine an der oberen Basis 3 fixierte gedruckte Schaltung 29 angeschlossen sind.
Jede Verschiebung des beweglichen Armsatzes 7 relativ zum Gehäuse 1 bewirkt eine Änderung der Kapazität des die Platten 23, 24 aufweisenden Kondensators, die von einer externen Schaltung, die an die gedruckte Schaltung 29 angeschlossen ist, detektiert wird.
Es ist evident, dass der Kondensator mit den Platten 24, 24 auch durch eine Schaltung mit einer induktiven Kopplung ersetzt werden kann, die an eine in geeigneter Weise modifizierte Detektionsschaltung angeschlossen werden kann.
In den Fig. 3 und 4, die eine Variante in bezug auf den Kopf der Fig. 1 und 2 betreffen, sind gleiche oder äquivalente Elemente wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besitzen die Scheibe 11 und der obere Abschnitt des Elementes 4 zwei ebene Ringzonen 20 und 21, die ein erstes Zwangssystem bilden, das geeignet ist, drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes 32 (Translation entlang der Z-Achse und Rotationen um die X- und Y-Achse) zu eliminieren.
Ein zweites Zwangssystem wird von einem ersten ternären System von zylindrischen Stiften 34 und einem zweiten ternären System von zylindrischen Stiften 35 gebildet. Die Stifte 34 sind am Element 4 fixiert, im wesentlichen entlang der Längsachse Z angeordnet und mit einem Winkelabstand von 120º voneinander vorgesehen. Die Stifte 35 sind an der Scheibe 11 fixiert, in Richtung der Längsachse Z angeordnet und ebenfalls mit einem Winkelabstand von 120º voneinander vorgesehen.
Drei Kugeln 16 sind zwischen den entsprechenden Paaren der Stifte 34 und 35 angeordnet.
Durch die von der Feder 15 aufgebrachte Vorbelastung bleibt jede Kugel 16 im eingefangenen Zustand zwischen einem Stiftepaar 34 und 35 und dem oberen Abschnitt des Armes 9 in Kontakt mit einem Punkt eines stationären Elementes (eines Stiftes 34) und zwei Punkten von beweglichen Elementen (eines Stiftes 35 und des Armes 9).
Der Kopf hat eine solche Konstruktion, dass das Dreieck, dessen drei Winkel mit den Kontaktpunkten einer jeden Kugel 16 mit den Stiften 34 und 35 und dem beweglichen Arm 9 zusammen fallen, ein gleichschenkliges Dreieck ist, dessen Basis von den Kontaktpunkten mit dem Stift 35 (beweglich) und dem Arm 9 (ebenfalls beweglich) gebildet wird.
Wenn eine ausreichend große Kraft auf den Fühler 10 aufgebracht wird, erfährt der bewegliche Armsatz 32 Verschiebungen, die den Verschiebungen entsprechen, welche in Verbindung mit dem beweglichen Armsatz 7 des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kopfes beschrieben wurden.
Der Kopf gemäß den Fig. 5 bis 7, bei dem Elemente, die den vorstehend beschriebenen Elementen entsprechen oder zu diesen äquivalent sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, umfaßt zwei Federn anstelle einer einzigen Feder, die sowohl eine axiale als auch eine torsionale Vorbelastung aufbringen können. Eine Druckfeder 37 ist zwischen der Unterseite der Basis 3 und der Oberseite der Scheibe 11 angeordnet, während eine Torsionsfeder 38, die im wesentlichen eben ist, zwischen den Armen 9 und der unteren Basis 5 vorgesehen ist. Die Feder 38 hat einen Mittelabschnitt, der in einem Loch des Armes 9 verriegelt ist, und zwei Spiralen, deren Enden in Axiallöchern der Basis 5 fixiert sind.
Drei Radialstifte 39, die am Gehäuse 1 fixiert und mit einem Abstand von 120º voneinander angeordnet sind, und drei Stifte 40, die sich im wesentlichen in Längsrichtung erstrecken, an der Scheibe 11 fixiert sind und ebenfalls unter einem Abstand von 120º voneinander angeordnet sind, bilden Zwangssysteme in bezug auf Translationen entlang den Achsen X und Y und eine Rotation um die Z-Achse. Durch die Wirkung der Federn 37 und 38 wird jeder Stift 40 mit einem entsprechenden Stift 39 in Kontakt vorgespannt.
Wenn eine Kraft mit einer ausreichenden Größe auf den Fühler 10 aufgebracht wird, führt der bewegliche Armsatz des Kopfes der Fig. 5 bis 7 Verschiebungen durch, die denen der Armsätze der in den vorhergehenden Figuren gezeigten Köpfe entsprechen. Die gegenseitigen Verschiebungen unter den Paaren der Stifte 39 und 40 schließen jedoch eine Gleitreibung ein. Um die Reibung zu reduzieren, ist es möglich, drei Kugellager (nicht gezeigt) zu verwenden, deren Innenringe mit den stationären Stiften 39 verkeilt sind und deren Außenringe mit den beweglichen Stiften 40 in Kontakt stehen.
Um entsprechende Zwangssysteme in bezug auf die Translationen entlang der X-Achse und Y-Achse und eine Rotation um die Z-Achse vorzusehen, umfaßt der in den Fig. 8 und 9 gezeigte Kopf 3 Streben 42 mit konischen Enden, die in entsprechenden Sitzen angeordnet sind, welche in Längsstiften 43, die an der unteren Basis 5 fixiert sind, und in Stiften 44, die im wesentlichen länglich ausgebildet sind und an der Scheibe 11 fixiert sind, vorgesehen sind.
Die Enden der Streben 42 werden mit den entsprechenden Sitzen durch die kombinierte Wirkung einer Druckfeder 46, die zwischen der Unterseite der Basis 5 und der Oberseite der Scheibe 11 vorgesehen ist, und von drei Rückzugsfedern 47, deren Enden an entsprechenden Stiften 43 und 44 fixiert sind, in Kontakt gehalten. Es ist augenscheinlich, dass die Anordnung der Federn 47 zu einer Torsionsvorbelastung führt, die auf den beweglichen Armsatz des Kopfes aufgebracht wird, wie durch den Pfeil in Fig. 9 angedeutet.
Fig. 10 zeigt teilweise eine andere Ausführungsform der Erfindung, die sich hauptsächlich von denen der Fig. 1 bis 9 dadurch unterscheidet, dass das erste Zwangssystem mit den ebenen Ringflächen, die im wesentlichen die Form von Ringen besitzen, durch ein anderes Zwangssystem ersetzt ist, das ebenfalls eine Konstruktion mit Rotationssymmetrie, jedoch mit zur Z-Achse geneigten Flächen aufweist. Insbesondere bildet die untere Basis des Gehäuses 50 des Meßfühlers in Übereinstimmung mit einer Öffnung für den Durchgang des beweglichen Armes 51 eine Fläche mit der Form eines Kegelstumpfes 52, die mit einem Element 53 zusammen wirkt, das die Form einer Halbkugel oder eines Kugelsektors besitzt, die bzw. der am beweglichen Arm 51 fixiert ist.
Diese Art von Kupplung kann als solche durch die Wirkung einer geeigneten Vorspannvorrichtung drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes, die aus Translationen entlang den X-, Y- und Z-Achsen bestehen, eliminieren.
Ein zweites Zwangssystem wird von einem ersten ternären System von zylindrischen Stiften 55, die horizontal und radial angeordnet und am Gehäuse 50 fixiert sind, und von einem zweiten ternären System von zylindrischen Stiften 56 gebildet, die an einer Scheibe 57 fixiert sind, welche an einer Verlängerung 58 des beweglichen Armes 51 gekoppelt ist, und im wesentlichen entlang der Z-Achse angeordnet sind und wie das erste ternäre System einen Winkelabstand von 120º voneinander besitzen.
Eine Doppelschraubenfeder 60 mit am Gehäuse 50 und am Element 53 fixierten Enden sieht eine axiale und torsionale Vorbelastung vor, um die entsprechenden Paare der stationären und beweglichen Stifte 55 und 56 in Kontakt zu halten.
Das zweite Zwangssystem kann per se eine Rotation des beweglichen Armsatzes um die Z-Achse und Translationen entlang der X-Achse und Y-Achse verhindern.
Das zweite Zwangssystem ist mit einem wesentlichen Längsabstand vom ersten Zwangssystem angeordnet. Insbesondere ist der Abstand vom Kontaktpunkt zwischen den beiden Stiften 55, 56 bis zur Ebene, die den theoretischen Kontaktumfang zwischen der Fläche mit der Form eines Kegelstumpfes 52 und dem Element 53 enthält, einige Male größer als der Kontaktumfangsradius, beispielsweise zehn Mal größer.
Daher werden im Hinblick auf bekannte Theoreme aus der theoretischen Mechanik ungeachtet der Tatsache, dass sowohl das erste Zwangssystem als auch das zweite Zwangssystem einzeln Translationen entlang der X- und Y-Achse verhindern, keine Probleme hinsichtlich einer Überfülle an Zwangssystemen, nämlich ein Überzwang, hervor gerufen, da der kombinierte Effekt aus den beiden Paaren von Zwangssystemen in bezug auf Translationen entlang der X- und Y- Achse einzelne Zwangssysteme relativ zu Translationen entlang der X- und Y-Achse und zusätzlich zwei Zwangssysteme in bezug auf Rotationen um die gleichen Achsen X und Y zur Verfügung stellen soll.
Was den Kopf der Fig. 5 bis 7 betrifft, so können drei Kugellager (nicht gezeigt) auch im Kopf der Fig. 10 angeordnet sein, um Gleitreibungen unter den Stiften 55 und 56 zu verhindern.
Als Folge der Aufbringung einer Kraft mit ausreichender Größe auf den Fühler 61, die in Radialrichtung wirkt, löst sich das Element 53 teilweise von der Fläche mit Kegelstumpfform 52 und gleitet hierauf mit einem einzigen Kontaktpunkt.
Ein Mikroschalter 62, dessen Gehäuse an der oberen Basis des Meßfühlergehäuses 50 fixiert ist, dient dazu, die Verschiebungen des Fühlers 61 zu detektieren. Wenn der Fühler 61 keiner Wirkung einer Kraft ausgesetzt ist, ist das Ende des beweglichen Schaftes 63 des Mikroschalters 62 in einem geringen Abstand von einer Anschlagplatte 64 angeordnet, die an der Scheibe 57 fixiert ist. Natürlich führt dieses Spiel zu einem gewissen Vorhub vor Betätigung des Mikroschalters 62.
Der in Fig. 11 gezeigte Kopf ist vom Konzept her ähnlich dem der Fig. 10, jedoch keiner Gleitreibung ausgesetzt.
Zu diesem Zweck umfaßt der bewegliche Armsatz 65 eine Platte 66, die einen Arm 51 trägt, und einen mit der Platte 66 über vier Ansätze 68 verbundenen Block 67. Ein Ende der Torsions- und Druckfeder 60 ist am oberen Abschnitt des Blocks 67 fixiert, während der untere Abschnitt des Blocks 67 eine Fläche mit der Form eines Kegelstumpfes 70 bildet, die auf die Fläche 52 weist. Eine Kugel 72 ist zwischen den Flächen mit Kegelstumpfform 52 und 70 angeordnet und kann sich infolge der lateralen Verschiebungen des Fühlers 61 relativ zu den Flächen 52 und 70 mit einer reinen Rollbewegung bewegen.
Das Gehäuse 50 des Kopfes hat einen inneren Ringflansch 74, der drei Längsstifte 75 trägt, die mit einem Abstand von 120º voneinander angeordnet sind. Drei Kugeln 77 sind zwischen den Stiften 75 und den Stiften 56 vorgesehen und ermöglichen, dass sich die beweglichen Stifte 56 relativ zu den stationären Stiften 75 ohne jegliche Gleitreibung verschieben.
Aus Einfachheitsgründen wird in Verbindung mit den Köpfen der Fig. 3 bis 9 keine Detektionsvorrichtung zum Detektieren der Verschiebung des Fühlers und/oder der Verschiebungseinheit beschrieben.
Bei sämtlichen Köpfen der Fig. 1 bis 11 ist es möglich, die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebene kapazitive Vorrichtung oder den in den Köpfen der Fig. 10 und 11 verwendeten Mikroschalter oder Vorrichtungen anderer Typen zu verwenden.
Darüber hinaus ist es möglich, Detektionsvorrichtungen und Meßwandler, wie Vorrichtungen mit einem oder mehreren Meßwandlern mit linear variabler Differenz oder mit Meßwandlern anderer Typen, zu verwenden.
Die Fig. 12 und 13 betreffen einen Kopf oder Meßfühler mit einer Widerstandsdetektionsvorrichtung, die für sämtliche Ausführungsformen der Fig. 1 bis 11 verwendet werden kann. Aus Einfachheitsgründen sind die Zwangssysteme des Meßfühlers der Fig. 12 nur teilweise dargestellt.
Der teilweise in Fig. 12 gezeigte Meßfühler umfaßt eine Lager- und Schutzeinheit mit einem Gehäuse 81, das eine untere Basis 82 und eine obere Basis 83 besitzt. Das Gehäuse 81 hat eine im wesentlichen zylindrische Form und besitzt eine geometrische Längsachse (Z-Achse in einem kartesischen Koordinatensystem).
Ein beweglicher Armsatz 84 ist teilweise im Gehäuse 81 untergebracht und umfaßt ein Lagerelement 85, einen mit dem Lagerelement 85 verbundenen Arm 86, der teilweise aus dem Gehäuse 81 durch ein Loch der unteren Basis 82 vorsteht, und einen Fühler 88, der an einem freien Ende des Armes 86 fixiert ist. Das Lagerelement 85 besitzt eine obere Basis 90, einen zylindrischen Abschnitt 91, der mit einem ringförmigen Ende endet, einen Ring 92 aus einem elektrisch isolierenden Material, der am ringförmigen Ende fixiert ist, und einen anderen Ring 93 aus elektrischem Widerstandsmaterial, der am Ring 92 fixiert ist.
Ein dritter Ring 95 aus isolierendem Material ist im Inneren an der unteren Basis 82 des Gehäuses 81 fixiert, während ein vierter Ring 96 aus einem elektrischen Widerstandsmaterial am dritten Ring 95 fixiert ist.
Eine Vorspannvorrichtung umfaßt eine Druckfeder 97, die zwischen der oberen Basis 83 des Gehäuses 81 und dem Lagerelement 85 angeordnet ist, um die untere Ringfläche 98 des Rings 93 in Kontakt mit der oberen Ringfläche 99 des Ringes 96 zu pressen.
Wenn sich der Armsatz 84 im Ruhezustand befindet, d. h. in Abwesenheit von Kräften, die auf den Fühler 88 einwirken, wird die Zwangsvorrichtung, die die untere Ringfläche 98 des Ringes 93 und die obere Ringfläche 99 des Ringes 96 umfaßt, durch die von der Feder 97 vorgesehene Kraft in Kraftschluß gebracht und verhindert Verschiebungen des beweglichen Armsatzes 84 in Verbindung mit einer Translationsbewegung entlang der Längsachse (Z-Achse) des Meßfühlers und von Rotationsverschiebungen um die Querachsen X und Y.
Das Zwangssystem des beweglichen Armsatzes 84 umfaßt eine weitere Zwangseinrichtung zur Verhinderung von Translationen des beweglichen Armsatzes entlang den Querachsen X und Y und von Rotationsverschiebungen um die Längsachse Z. Aus Einfachheitsgründen ist die weitere Zwangseinrichtung in den Figuren nicht dargestellt. Sie kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet werden, beispielsweise (auch in Verbindung mit der Vorspannvorrichtung) gemäß den Fig. 1 bis 11.
Auch im Kopf der Fig. 12 (und entsprechend in den Köpfen der Fig. 5, 8, 10 und 11) sind ein oder mehrere Dichtungen oder entsprechende Dichtungs- und Schutzelemente, die in den Figuren nicht gezeigt sind, zwischen dem beweglichen Arm 86 und der unteren Basis 82 des Gehäuses 81 fixiert.
Die in Fig. 13 gezeigte elektronische Detektionsvorrichtung umfaßt einen Generator oder eine Gleichstromquelle 101, die eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Kontakte 102, 103 legt, welche an diametral gegenüberliegende Punkte des Ringes 96 angeschlossen sind, und eine Detektionsschaltung 110, die die Spannung aufnimmt, die zwischen zwei Kontakten 104, 105 vorhanden ist, welche an diametral gegenüberliegende Punkte des Ringes 93 angeschlossen sind, der (im Zustand der Fig. 12) auf der gleichen Meridianebene liegt, die die an die Kontakte 102, 103 angeschlossenen Punkte enthält.
Die Detektionsschaltung 110, die in einer Steuer-, Anzeige- und Versorgungseinheit 111 angeordnet sein kann, umfaßt einen Komparator 112, der von einer Spannungsquelle 113 gespeist wird und dessen invertierender Eingang an den Kontakt 104 angeschlossen ist, während sein nicht-invertierender Eingang über einen Widerstand 114 eines Spannungsteilers, der einen anderen Widerstand 115 aufweist, an den Kontakt 105 angeschlossen ist.
Ringflächen 98, 99 sind genau überlappt, so dass sie sich dem theoretischen Zustand eines gegenseitigen Kontaktes auf ihren gesamten Stirnflächen annähern, wenn der Fühler 88 keinen Kräften ausgesetzt ist.
In diesem Zustand fließt ein elektrischer Strom durch den Ring 93. Eine Potenzialdifferenz (die geringer als die über den Kontakten 102 und 103 ist, jedoch in jedem Falle für die nachfolgend beschriebenen Zwecke ausreicht) ist über den Kontakten 104 und 105 vorhanden.
Von einem elektrischen Standpunkt aus kann man sagen, dass die Ringe 93 und 06 "im wesentlichen" parallel geschaltet sind. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass das Wort "parallel" nicht vollständig richtig ist, da der Kontakt aufgeteilt ist.
Durch die gegenseitige Annäherung zwischen dem Meßfühler und einem Teil 117 entlang der Z-Achse und dem Kontakt des Fühlers 88 mit dem Teil 117 kann der bewegliche Armsatz 84 gegen die von der Feder 97 vorgesehene Vorspannung eine Translationsbewegung durchführen, und der Ring 93 löst sich total vom Ring 96, so dass die Potenzialdifferenz über die Kontakte 104 und 105 Null wird.
Bei der gegenseitigen Annäherung und dem Kontakt in Querrichtung, beispielsweise in X-Richtung, wie in Fig. 12 gezeigt, verschwenkt der Armsatz 84 an einem Punkt der Fläche 99. Auch in diesem Falle hört der Stromfluß durch den Ring 93 auf, und die Potenzialdifferenz über den Kontakten 104 und 105 wird gleich Null.
Der Komparator 112 vergleicht einen vom Spannungsteiler 114, 115, der von der Spannungsquelle 113 gespeist wird, definierten Schwellenwert mit der Potenzialdifferenz über den Kontakten 104 und 105. Wenn der Arm 86 nicht abgelenkt wird, besitzt das Signal am Ausgang 116 des Komparators 112 einen niedrigen Pegel. Wenn der Arm 86 abgelenkt wird, hat das Signal am Ausgang 116 einen hohen Pegel.
Fig. 14 betrifft einen Meßfühler mit einer optoelektronischen Detektionsvorrichtung, der für sämtliche Ausführungsformen der Fig. 1 bis 11 verwendet werden kann.
Der schematisch in Fig. 14 gezeigte Meßfühler umfaßt eine Lager- und Schutzeinrichtung mit einem Gehäuse 121, das eine im wesentlichen zylindrische Form besitzt, eine geometrische Längsachse Z hat, eine unter Basis, die eine innere Lagerfläche 136 bildet, die im wesentlichen eben und ringförmig ist, und eine obere Basis aufweist. Ein beweglicher Armsatz 125 ist teilweise im Gehäuse 121 angeordnet und besitzt ein Lagerelement 127, das einen Abschnitt oder ringförmigen Rand 128 im wesentlichen mit Rotationssymmetrie bildet, einen Arm 131, der mit dem Lagerelement 127 verbunden ist und teilweise relativ zum Gehäuse 121 durch ein Loch in der unteren Basis vorsteht, und einen Fühler 133, der an einem freien Ende des Armes 131 befestigt ist.
Eine Vorspannvorrichtung besitzt eine Druckfeder 137, die zwischen Flächen der oberen Basis des Gehäuses 121 und des Lagerelementes 127 angeordnet ist, um den ringförmigen Rand 128 und die Lagerfläche 136 in gegenseitigen Kontakt zu pressen, wenn der Armsatz 125 im Ruhezustand ist und kein Kontakt zwischen dem Fühler 133 und einem zu überprüfenden Teil 135 vorhanden ist.
Zentner- und Antirotationsvorrichtungen (beispielsweise ähnlich denen der Köpfe der Fig. 1 bis 11, auch in bezug auf die Vorspannvorrichtung) sind beispielsweise zwischen dem beweglichen Armsatz 125 und dem Gehäuse 121 angeordnet, um gegenseitige Verschiebungen einer transversalen Translation und Rotation um die Längsachse Z zu verhindern. Aus Einfachheitsgründen sind diese Vorrichtungen nicht in Fig. 14 gezeigt.
Eine Detektionsvorrichtung vom optoelektronischen Typ umfaßt Emittervorrichtungen und Empfängervorrichtungen. Insbesondere sind zwei lichtemittierende Dioden 141, 143 oder LEDs an der unteren Basis des Gehäuses 121 in diametral gegenüberliegenden Positionen im wesentlichen entsprechend der von der Ringfläche 136 gebildeten Ebene angeordnet. Zwei Empfängerfotodioden 145,147 sind ebenfalls an der unteren Basis des Gehäuses 121 im wesentlichen in der gleichen Ebene der LEDs 141, 143 fixiert und auf diese gerichtet. Die wechselseitige Anordnung der Elemente eines jeden Paares LED/Fotodiode 141/145 und 143/147 ist der Art, dass der von der LED emittierte Lichtstrahl auf die entsprechende Fotodiode entlang einer vorgegebenen Bahn gerichtet ist, die aus einem Abschnitt quer zur Längsachse Z des Gehäuses 121 besteht.
Die beiden LEDs 141, 143 und die beiden Fotodioden 145,147 sind mit Hilfe von Kabeln, die schematisch in Fig. 14 gezeigt sind und das Bezugszeichen 150 aufweisen, elektrisch an eine Versorgungs- und Bearbeitungseinheit 151 angeschlossen.
Die Enden einer Dichtung 157 sind an der unteren Basis des Gehäuses 121 und einem Arm 131 fixiert und verhindern das Eindringen von Licht in den Meßfühler neben dem Schutz des inneren Armsatzes des Meßfühlers vor Fremdpartikeln.
Die beiden LEDs 141 und 143, die in Reihe geschaltet sind, können mit Gleichstrom oder Impulsstrom versorgt werden.
Die Funktionsweise des Meßfühlers der Fig. 14 ist wie folgt, wenn die LEDs 141 und 143 mit Gleichstrom versorgt werden.
Bei Fehlen eines Kontaktes zwischen dem Fühler 133 und dem zu messenden Teil 135 befindet sich der Armsatz 125 in einem Ruhezustand, in dem sich der ringförmige Rand 128 und die Lagerfläche 136 infolge der von der Feder 137 zur Verfügung gestellten Vorspannung in gegenseitigem ringförmigen Kontakt befinden. In diesem Zustand erreichen die von den LEDs 141, 143 emittierten Lichtstrahlen keine Fotodioden 145, 147, da sie auf den Rand 128 treffen.
Während einer gegenseitigen Bewegung zwischen dem Meßfühler und dem zu überprüfenden Teil 135 in Radialrichtung X nach dem Kontakt zwischen dem Fühler 133 und einer Fläche des Teiles 135 zum Zeitpunkt t&sub1; verschwenken der Arm 131 und der gesamte bewegliche Armsatz 125 relativ zum Gehäuse 121 und der Rand 128 erhebt sich teilweise von der Ringfläche 136, wodurch eine Passage des von einer der LEDs, beispielsweise der LED 143, emittierten Lichtstrahles möglich ist. Der Lichtstrahl trifft auf die entsprechende Fotodiode 147, die ein Signal V&sub1; erzeugt, das von einem Verstärker verstärkt und in einem Komparator mit einem Schwellenwert VT verglichen wird. Wenn der Wert VT zu einem Zeitpunkt t&sub1;+ überschritten wird, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das das Auftreten des Kontaktes zwischen dem Fühler 133 und dem Teil 135 signalisiert.
Im Falle einer Längsbewegung zwischen dem Meßfühler und dem Teil 135 und eines Kontaktes zwischen dem Fühler 133 und einer Querfläche des Teiles 135 in Z-Richtung erheben sich der Arm 131 und der bewegliche Armsatz 125 und bewirken, dass sich der Rand 128 von der Ringfläche 136 löst. In diesem Zustand erreichen die von den LEDs 141, 143 emittierten Lichtstrahlen die entsprechenden Fotodioden 145, 147, und die Verarbeitung der Signale V&sub1;, die von letzteren vorgesehen werden, findet in der vorstehend beschriebenen Weise statt.
Bei dem Meßfühler der Fig. 14 ist es möglich, die anderen Modifikationen und Varianten einzuführen. Insbesondere ist es möglich, Emitter- und Empfängertypen zu verwenden, die sich von den vorstehend beschriebenen Typen unterscheiden. Beispielsweise können die Fotodioden durch CCD-Vorrichtungen (ladungsgekoppelte Speicher) oder Fototransistoren ersetzt werden. Desweiteren ist es möglich, nichtoptische Systeme zu verwenden, beispielsweise andere Strahlungssysteme, wie Systeme auf der Basis von Ultraschall oder Mikrowellen, anstelle der LED-Fotodioden-Kopplungen.
Natürlich können auch weitere Änderungen der beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise ist es bei den in den Fig. 1 bis 4, 10 und 11 dargestellten Meßfühlern möglich, anstelle einer Torsions- und Druckfeder 15 zwei Federn in ähnlicher Weise wie für die in den Fig. 5 bis 7 beschriebene Ausführungsform zu verwenden und umgekehrt.
Um ein mögliches anisotopes Verhalten der Köpfe der Fig. 1 bis 9 zu verringern, ist es zweckmäßig, die Breite der ringförmigen Kontaktzone zwischen der Ringfläche 20 und der Ringfläche 21 fühlbar geringer auszubilden als den Innenradius der gleichen Ringzone, so dass von einem praktischen Standpunkt aus gesehen die Kontaktzone als zu einem Umfang äquivalent angesehen werden kann. Diesbezüglich wird darauf hingewiesen, dass die Abmessungen in den Figuren nicht als signifikant anzusehen sind. Ähnliches trifft auf den Kopf der Fig. 12 bis 14 zu.
Somit zeigen sämtliche Ausführungsformen der Fig. 1 bis 11 Köpfe mit einer isostatischen Kopplung des beweglichen Armsatzes, einer konzeptmäßigen Isotropie in bezug auf Querverschiebungen des Fühlers sowohl für einen Kontaktdetektionsmeßfühler als auch einen Meßfühler und Zwangssystemen mit vollem Kraftschluß.

Claims

1. Kopf zur Überprüfung der linearen Abmessungen von Teilen in Werkzeugmaschinen oder Meßvorrichtungen mit einer Lagereinheit (1; 50; 81; 121), einem im wesentlichen starren beweglichen Armsatz (7; 32; 65; 84; 125) einschließlich eines Armes (9; 51; 86; 131), der einen Fühler (10; 61; 88; 133) zum Kontaktieren des zu überprüfenden Teiles (117; 135) aufweist, einer Vorspannvorrichtung (15; 371 38; 46, 47; 60), die zwischen der Lagereinheit und dem beweglichen Armsatz angeordnet ist, einem ersten. Zwangssystem (20, 21; 52, 53; 70, 72; 93, 96; 128, 136) mit einer Konstruktion mit Rotationssymmetrie um eine erste geometrische Achse (Z) und einem zweiten Zwangssystem (13, 14, 16, 17; 34, 35; 39, 40; 42-44; 55, 56; 75, 77) eines sich vom Typ des ersten Zwangssystemes unterscheidenden Typs, wobei das erste und zweite Zwangssystem zwischen der Lagereinheit und dem beweglichen Armsatz angeordnet sind, um unter der Wirkung der Vorspannvorrichtung die sechs Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes zu eliminieren, wobei die vom ersten Zwangssystem eliminierten Freiheitsgrade die Translation des beweglichen Armsatzes entlang der ersten geometrischen Achse einschließen, sowie einer Detektionsvorrichtung (23, 24; 62; 93, 96, 110; 141, 143, 145, 147, 151) zum Vorsehen eines von der Position des beweglichen Armsatzes abhängigen Signales, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste Zwangssystem als auch das zweite Zwangssystem jeweils mindestens einen ersten Abschnitt (21; 52; 14, 17; 34; 39; 43; 55; 75), der starr mit der Lagereinheit verbunden ist, und mindestens einen zweiten Abschnitt (20; 53; 70; 13; 35; 40; 44; 56), der starr mit dem beweglichen Armsatz verbunden ist, aufweisen und daß der mindestens eine erste Abschnitt und mindestens eine zweite Abschnitt eines jeden Zwangssystemes unter der Wirkung der Vorspannvorrichtung gegeneinander eine Vorspannkraft aufbringen können.

2. Kopf nach Anspruch 1, bei dem das erste Zwangssystem ein erstes Element (52), das an der Lagereinheit fixiert ist, und ein zweites Element (53), das am beweglichen Armsatz fixiert ist, aufweist, wobei das erste und zweite Element den mindestens einen ersten Abschnitt und den mindestens einen zweiten Abschnitt des ersten Zwangssystemes bilden und an Punkten miteinander in Kontakt treten können, die im wesentlichen in einem Umfang angeordnet sind, der in einer Ebene senkrecht zur ersten geometrischen Achse liegt.

3. Kopf nach Anspruch 1, bei dem das erste Zwangssystem drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes und das zweite Zwangssystem die anderen drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes eliminieren kann.

4. Kopf nach Anspruch 1, bei dem das erste Zwangssystem eine Ringfläche (21; 98) und eine im wesentlichen ebene Fläche (20; 99; 136) aufweist, wobei die beiden Flächen den mindestens einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt des ersten Zwangssystemes bilden und von der von der Vorspannvorrichtung (15; 37, 38; 46, 47) zur Verfügung gestellten Kraft in einen im wesentlichen ringförmigen Kontakt miteinander vorgespannt sind, um drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes (7; 32; 84; 125) zu eliminieren, wobei diese drei Freiheitsgrade die Translation entlang der ersten geometrischen Achse und Rotationen um geometrische Achsen quer zur ersten geometrischen Achse betreffen.

5. Kopf nach Anspruch 4, bei dem das zweite Zwangssystem (13, 14, 16, 17; 34, 35; 39, 40; 42-44) die drei weiteren Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes eliminieren kann, wobei diese drei weiteren Freiheitsgrade die Rotation um die erste geometrische Achse und Translationen um die quer verlaufenden geometrischen Achsen betreffen.

6. Kopf nach Anspruch 5, bei dem das zweite Zwangssystem ein erstes ternäres System von Elementen (13; 35; 40; 44), das am beweglichen Armsatz fixiert ist, und ein zweites ternäres System von Elementen (14; 34; 39; 43) aufweist, das an der Lagereinheit fixiert ist, wobei das erste und zweite ternäre System von Elementen jeweils den mindestens einen zweiten Abschnitt und den mindestens einen ersten Abschnitt des zweiten Zwangssystemes enthalten.

7. Kopf nach Anspruch 6, bei dem die Elemente (13, 14; 34, 35; 39, 40; 43, 44) eines jeden der ternären Systeme um die erste geometrische Achse herum mit einem Winkelabstand voneinander von 120º angeordnet sind.

8. Kopf nach Anspruch 6, bei dem das zweite Zwangssystem mindestens drei Rollvorrichtungen (16) aufweist, die zwischen einem der Elemente (14; 34), die an der Lagereinheit fixiert sind, und einem der Elemente (13; 35), die am beweglichen Armsatz (7; 32) fixiert sind, angeordnet sind.

9. Kopf nach Anspruch 8, bei dem jede der Rollvorrichtungen ein kugelförmiges Element (16) aufweist.

10. Kopf nach Anspruch 9, bei dem die Lagereinheit axiale Begrenzungsanschlagflächen (18) für die kugelförmigen Elemente der drei Rollvorrichtungen bildet.

11. Kopf nach Anspruch 5, bei dem das zweite Zwangssystem mindestens drei Streben (42) aufweist, die zwischen der Lagereinheit (5) und dem beweglichen Armsatz angeordnet sind.

12. Kopf nach Anspruch 6, bei dem jedes der ternären Systeme von Elementen drei Stifte (34, 35; 39, 40; 43, 44) aufweist.

13. Kopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Vorspannvorrichtung (15; 37, 38; 46, 47; 60) eine Kraft entlang der ersten geometrischen Achse und ein Drehmoment um die gleiche erste geometrische Achse auf den beweglichen Armsatz aufbringen kann.

14. Kopf nach Anspruch 13, bei dem die Vorspannvorrichtung eine Doppelschraubenfeder (15; 38; 60) aufweist.

15. Kopf nach Anspruch 13, bei dem die Vorspannvorrichtung eine Druckfeder (37) und eine Torsionsfeder (47) umfaßt.

16. Kopf nach Anspruch 13, bei dem die Vorspannvorrichtung eine Druckfeder (46) und drei Rückholfedern (47) aufweist.

17. Kopf nach Anspruch 1, bei dem die Detektionsvorrichtung (23; 24; 62; 110; 141, 143, 145, 147, 151) das Außereingrifftreten des ersten Zwangssystemes detektieren kann.

18. Kopf nach Anspruch 4, bei dem die Detektionsvorrichtung (23, 24; 62; 110; 141, 143, 145, 147, 151) die Elimination des im wesentlichen ringförmigen gegenseitigen Kontaktes detektieren kann.

19. Kopf nach Anspruch 17, bei dem die Detektionsvorrichtung (141, 143, 145, 147, 151) den Durchtritt von Strahlung durch die Ringfläche und die im wesentlichen ebene Fläche (136) detektieren kann.

20. Kopf nach Anspruch 17, bei dem die Detektionsvorrichtung Widerstandselemente (93, 96) aufweist, die mit dem beweglichen Armsatz (84) und der Lagereinheit (81) gekoppelt und in der Lage sind, in im wesentlichen ringförmigen gegenseitigen Kontakt zu treten.

21. Kopf nach Anspruch 17, bei dem die Detektionsvorrichtung eine kapazitive Schaltung (23, 24) zwischen dem beweglichen Armsatz (7) und der Lagereinheit (4) aufweist.

22. Kopf nach Anspruch 6, bei dem die Elemente von einem der ternären Systeme erste Stifte (40) aufweisen, die im wesentlichen parallel zur ersten geometrischen Achse angeordnet sind, und die Elemente des anderen der ternären Systeme zweite Stifte (39) umfassen, die in im wesentlichen radialer Richtung angeordnet sind.

23. Kopf nach Anspruch 22, bei dem jeder der ersten Stifte (40) in Kontakt mit einem der zweiten Stifte (39) bleiben kann.

24. Kopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Zwangssystem eine Kupplung mit mindestens einer Rotationsfläche (52, 53; 70, 72) aufweist, die relativ zur ersten geometrischen Achse (Z) geneigt ist, um drei Freiheitsgrade des beweglichen Armsatzes zu eliminieren, wobei diese drei Freiheitsgrade Translationen entlang der ersten geometrischen Achse und geometrischen Achsen (X, Y) quer zu der ersten geometrischen Achse betreffen.

25. Kopf nach Anspruch 24, bei dem die Kupplung im wesentlichen von einem Kugel-Kegel-Typ (52, 53; 70, 72) ist.

26. Kopf nach Anspruch 24, bei dem das zweite Zwangssystem (55, 56; 75, 77) einen weiteren Freiheitsgrad des beweglichen Armsatzes in bezug auf die Drehung um die erste geometrische Achse und in Kombination mit dem ersten Zwangssystem zwei weitere Freiheitsgrade in bezug auf Drehungen um die quer verlaufenden geometrischen Achsen eliminieren kann.

27. Kopf nach Anspruch 26, bei dem die Lagereinheit einen ersten Abschnitt (52) und einen zweiten Abschnitt (55; 75), die entlang der ersten geometrischen Achse voneinander beabstandet sind, aufweist und bei dem das erste Zwangssystem (52, 53; 70, 72) am ersten Abschnitt und das zweite Zwangssystem (55, 56; 75, 77) am zweiten Abschnitt angeordnet sind.