Die Erfindung betrifft neuartige Messvorrichtungen für die Koordinatenmessung, insbesondere für ein Koordinatenmessgerät oder für ein anderes Gerät (z.B.

Werkzeugmaschine), das für die Koordinatenmessung eingesetzt werden kann. Die Messvorrichtung weist einen Schaft und ein am Schaft befestigtes Tastelement oder Einmesselement auf. Außerdem betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung dieser Messvorrichtungen.

Koordinatenmessgeräte dienen der Bestimmung von Koordinaten, insbesondere der kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) eines Oberflächenpunktes eines Objekts.

Der Messtaster eines Koordinatenmessgerätes dient der Vermessung des Objekts. Die Vermessung des Objekts erfolgt durch Antasten von dessen Oberfläche. Der Messtaster weist einen Schaft, beispielsweise in Form eines beweglich gelagerten dünnen Stabs (Stiftes), und ein Tastelement am Ende des Schafts, beispielsweise eine Tastkugel, auf. Die Kugelform ermöglicht eine Positionsbestimmung aus jeder praktikablen

Anfahrrichtung an ein Objekt, wobei der Abstand der Kugelaußenfläche zu ihrem Zentrum im Rahmen der Fertigungstoleranzen konstant ist.

Einmessvorrichtungen für Koordinatenmessgeräte dienen der Überprüfung von

Messtastern und der Bestimmung von Kalibrierparametern. Sie weisen einen Schaft und ein Einmesselement, meist eine Einmesskugel, auf. Dabei kann das Einmesselement taktil, z.B. mit dem Messtaster, angetastet werden oder auch berührungslos,

insbesondere optisch.

Bei hoch genauen Koordinatenmessgeräten ist die geringe Toleranz der Rundheit (Kugelform) der Einmesskugel für die spätere erreichbare Messgenauigkeit von Vorteil. Rundheitsfehler der Einmesskugel können das Kalibrierungsergebnis beeinflussen.

Typischerweise wird bei der Kalibrierung die Einmesskugel als ideale runde Kugel angenommen. Aufgrund dieser Annahme führt bei der Kalibrierung jede Abweichung von der Kugelform zu Fehlern oder Toleranzen der Kalibrierparameter. Somit wirken sich Rundheitsfehler der Einmesskugel auf die Vermessung von Koordinatenmessgeräten aus. Typischerweise haben gute Einmesskugeln einen Restfehler in der Rundheit von typischerweise 0,5 μηι bis 1 μηι. Dieser Wert scheint klein zu sein, ist aber bei

Koordinatenmessgeräten mit einer Auflösung von bis zu 0,3 μηι erheblich. Auch wenn der Fehler bei der Kalibrierung in manchen Fällen ausgemittelt wird, bleibt dennoch ein Restfehler im Bereich von typischerweise ein bis zwei Zehntel μηι.

Eine Hauptursache des Rundheitfehlers liegt darin, dass bei bisherigen

Fertigungsprozessen die Kugeln am Ende des Fertigungsprozesses, nachdem die Kugelform bereits mit geringer Toleranz erreicht ist und die Oberfläche geglättet ist, noch gebohrt werden. In diese Bohrung wird dann der Kugelschaft eingeklebt. Die Kräfte, die bei der Bohrung an der Kugel entstehen, führen zu leichten Verwerfungen im Material, die die runde Form der Kugel negativ beeinflussen. Außerdem wird das unter mechanischer Spannung stehende Gefüge der Kugel durch die Bohrung unterbrochen, sodass das Spannungsfeld verändert wird und sich die Form der Kugel auch in anderen Bereichen verändert.

Die gleichen Probleme wie bei Einmesskugeln existieren in analoger Form auch bei der Anbringung von Tastkugeln an ihrem Schaft.

Das Tastelement oder das Einmesselement kann jedoch auch anders als kugelförmig geformt sein, z.B. zylindrisch, scheibenförmig oder kegelförmig. Auch bei solchen Formen führen Bohrungen zu unerwünschten Veränderungen der Geometrie des Tastelements oder des Einmesselements.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die zuvor beschriebenen Formfehler bei Tastelementen und bei Einmesselementen zu vermeiden, insbesondere Rundheitsfehler bei Einmesskugeln und kugelförmigen Tastkugeln.

Als Lösung wird eine Messvorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Die

Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen einer solchen Messvorrichtung. Ferner werden Verfahren zur Herstellung solcher Messvorrichtungen angegeben.

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Koordinatenmessung, insbesondere für ein Koordinatenmessgerät oder für ein anderes Gerät (z.B. Werkzeugmaschine), das für die Koordinatenmessung eingesetzt werden kann. Die Messvorrichtung weist einen Schaft und ein am Schaft befestigtes Tastelement oder ein am Schaft befestigtes

Einmesselement auf, wobei die Befestigung des Tastelements oder des Einmesselements am Schaft ohne Ausnehmung, im Speziellen ohne Bohrung, im Tastelement oder Einmesselement ausgeführt ist. Dadurch werden Formfehler bei Tastelementen oder bei Einmesselementen, insbesondere Rundheitsfehler bei Einmesskugeln oder Tastkugeln, vermieden oder zumindest minimiert.

Der Begriff„Messvorrichtung" bezeichnet Einmessvorrichtungen und Messtaster, die in Koordinatenmessgeräten oder im Zusammenhang mit der Koordinatenmessung, insbesondere zum Einmessen von Koordinatenmessgeräten, von Werkzeugmaschinen oder anderen Geräten im Messbetrieb, eingesetzt werden und die schon in der Einleitung dieser Beschreibung erläutert wurden.

Die Lösungen der Erfindung sind sowohl auf Einmessvorrichtungen als auch auf

Messtaster, und im speziellen sowohl auf Tastelemente als auch auf Einmesselemente anwendbar. Die in der Beschreibung vorkommenden Ausdrücke„Tastelement oder Einmesselement" und„Tastelement/Einmesselement" bringen diese beiden Fälle zum Ausdruck und bedeuten nicht, dass Tastelement und Einmesselement dieselbe Sache bezeichnen. Es ist aber auch möglich, einen Messtaster als Einmessvorrichtung und ein Tastelement als Einmesselement zu verwenden.

Der Begriff„der/ein Schaft" bedeutet einen Schaft für ein Einmesselement wenn sich die Offenbarung oder der Anspruch im ersten Fall auf ein Einmesselement bezieht. D.h. die Form, Größe, Art und Material des Schaftes sind dann an eine Einmessvorrichtung und das dazugehörige Einmesselement angepasst. Der Begriff„der/ein Schaft" bedeutet einen Schaft für ein Tastelement wenn sich die Offenbarung oder der Anspruch im zweiten Fall auf ein Tastelement bezieht. D.h. die Größe, Form, Art und Material des Schaftes sind dann an einen Messtaster und das dazugehörige Tastelement angepasst. Es ist somit entweder ein Schaft für ein Einmesselement oder ein Schaft für ein Tastelement gemeint, was nicht ausschließt, dass beide Schäfte im besonderen Fall identisch sein können.

Ein Tastelement oder ein Einmesselement kann verschiede Formen aufweisen, wie Kugel, Zylinder, oder die Form eines Kugelausschnitts, wie z.B. eine Äquatorregion einer Kugel als Scheibe, eine Kugelkappe, oder eine Halbkugel. Der Begriff„ohne Ausnehmung im Tastelement oder im Einmesselement" bedeutet insbesondere, dass aus einem Tastelement oder Einmesselement kein Material zur Verschaffung einer Ausnehmung auf der Oberfläche, die auch als„Vertiefung" bezeichnet werden kann, entfernt wurde/ist. Insbesondere ist keine Ausnehmung vorhanden, in die ein Schaft eingeführt werden könnte, um den Schaft am Tastelement oder

Einmesselement zu befestigen. Insbesondere ist keine Bohrung im Tastelement oder im Einmesselement bzw. in dessen Oberfläche vorhanden.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Tastelement oder ein Einmesselement, welches mittels eines auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements aufgebrachten Zapfens am Schaft befestigt ist. Anders ausgedrückt ist der auf der Oberfläche des Tastelements oder Einmesselements aufgebrachte Zapfen an den Schaft gefügt und der Zapfen stellt das Verbindungselement zwischen dem Tastelement und seinem Schaft oder dem Einmesselement und seinem Schaft dar. Diese Ausführungsform weist keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung, im Tastelement oder im

Einmesselement auf. Zur Befestigung eines Tastelements oder Einmesselements mit einem Zapfen am Schaft sind verschiedene Varianten denkbar. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind nachfolgend erläutert.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Tastelement oder ein

Einmesselement, das mittels eines auf die Oberfläche des Tastelements oder auf die Oberfläche des Einmesselements aufgebrachten Zapfens in einer Ausnehmung im Schaft befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Ausnehmung im Schaft vorhanden, wobei die Verbindung zwischen Zapfen und Schaft z.B. formschlüssig gestaltet ist.

Gegenüber der Befestigung eines Schaftes in einer Bohrung des

Tastelements/Einmesselements hat diese Ausführungsform auch folgenden Vorteil: Ein auf das Tastelement/Einmesselement aufgebrachter Zapfen kann länger gestaltet sein als eine Bohrung im Tastelement/Einmesselement, deren Länge beispielsweise durch die Dimensionierung des Tastelements/Einmesselements begrenzt ist. Durch einen entsprechend längeren Zapfen kann eine räumlich längere Verbindung zwischen Schaft und Tastelement/Einmesselement hergestellt werden, als dies bei einer Bohrung der Fall ist. Vorzugsweise haben sowohl die Ausnehmung im Schaft als auch der Zapfen eine zylindrische Form. Andere Konturen der Ausnehmung des Schaftes und des Zapfens sind ebenfalls möglich, wie beispielsweise kreisförmig oder mehreckig, wie z.B. Viereck, Sechseck oder Achteck. Die Befestigung des Zapfens in der Ausnehmung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Pressen, Klemmen, Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, oder Schrauben, wobei bei letzterer Variante der Zapfen mit einem Gewinde versehen ist und die Ausnehmung mit einem passenden Innengewinde versehen ist. Die Ausnehmung im Schaft ist

vorzugsweise eine Bohrung. Die Ausnehmung kann mit einer Entlüftungsöffnung versehen sein, die sich durch den Schaft erstreckt, beispielsweise in Z-Richtung (entlang der Längsachse des Zapfens), und durch die durch den eingeführten Zapfen verdrängte Luft entweichen kann.

In einer anderen Ausführungsform weist der Zapfen (nicht aber das Tastelement oder das Einmesselement, an dessen Oberfläche der Zapfen befestigt ist) einen von außen zugänglichen Hohlraum oder eine Ausnehmung auf, worin der Schaft befestigt werden kann. In einer vorteilhaften Variante hat der Zapfen die Form eines Hohlzylinders oder einer Röhre. In den Hohlzylinder oder die Röhre kann der Schaft eingeführt werden. Die Außenkontur der Röhre kann im Querschnitt eine beliebige Geometrie aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig oder mehreckig, wie z.B. Viereck, Sechseck oder Achteck. Ebenso kann der Hohlraum der Röhre im Querschnitt eine beliebige Geometrie aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig oder mehreckig.

In der zuvor genannten Ausführungsform weist der Schaft vorzugsweise einen Teil oder ein Element auf, dessen Form zu der Form der Ausnehmung des Zapfens komplementär ist, so dass das Teil oder Element die Ausnehmung ausfüllt. Die Befestigung des Schaftes in der Ausnehmung des Zapfens kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Pressen, Klemmen, Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Wderstandsschweißen, oder Schrauben, wobei bei letzterer Variante der Schaft mit einem Gewinde versehen ist und die Ausnehmung im Zapfen mit einem passenden Innengewinde versehen ist.

Verschiedene Varianten sind denkbar, um einen Zapfen an der Oberfläche eines

Tastelements oder eines Einmesselements aufzubringen. Beispielsweise kann ein vorgefertigter Zapfen an der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements befestigt werden, beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere

Widerstandsschweißen. In einer anderen, besonders bevorzugten Variante wird der Zapfen mit einem Lasersinterverfahren auf der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements erzeugt. Lasersintern ist ein Verfahren, bei dem räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt werden. Die räumliche Struktur, in diesem Fall ein Zapfen, wird Schicht für Schicht auf der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements durch Einwirkung eines Laserstrahls aufgebaut, wobei die eingetragene Energie des Laserstrahls eine Sinterung des pulverförmigen Ausgangsstoffs bewirkt. Auch ein auf das Tastelement/Einmesselement durch

Lasersintern aufgebrachter Zapfen kann länger gestaltet sein als eine Bohrung im

Tastelement/Einmesselement, deren Länge beispielsweise durch die Dimensionierung des Tastelements/Einmesselements begrenzt ist. Dadurch werden die oben bereits erwähnten Vorteile erzielt.

Der pulverförmige Ausgangsstoff für das Lasersintern ist beispielsweise ein Kunststoff, ein Metallpulver oder Keramikpulver. Somit können Zapfen aus verschiedenen Materialien auf der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements erzeugt werden. Auch vorgefertigte Zapfen, die nicht mit Lasersintern erzeugt sind, können aus verschiedensten Materialien, u.a. aus dem zuvor Genannten, gefertigt sein. In einer bevorzugten

Ausführungsform bestehen das Tastelement oder das Einmesselement und der Zapfen aus dem gleichen Material. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen der Zapfen und der Schaft aus dem gleichen Material.

In noch einer weiteren Ausführungsform besteht der Zapfen aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Ausdehnungskoeffizient des Tastelements oder Einmesselements und dem Ausdehnungskoeffizient des Schafts liegt. Dadurch können Verspannungen aufgrund thermischer Veränderungen reduziert oder minimiert werden, wenn der Zapfen zwischen Tastelement oder Einmesselement und Schaft angeordnet ist.

Gemäß der vorherigen Ausführungen zum Lasersintern betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements oder eines Einmesselements für ein Koordinatenmessgerät an einem Schaft, wobei bei dem Verfahren

- auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements durch

Lasersintern ein Zapfen aufgebracht wird und - der Zapfen am Schaft, insbesondere in einer Ausnehmung im Schaft, befestigt wird.

Der lasergesinterte Zapfen kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise kreisförmig, gezahnt oder mehreckig wie z. B. Viereck, Sechseck, Achteck. Entlang der Längsrichtung können sich auf der Oberfläche des lasergesinterten Zapfens Nuten erstrecken, die im Falle einer Klebung des Zapfens in eine Ausnehmung des Schaftes als Klebertaschen dienen können.

Der Zapfen kann, auch in Kombination mit den zuvor genannten Formen, einen von außen zugänglichen Hohlraum oder eine Ausnehmung aufweisen, worin der Schaft befestigt werden kann. Ein bevorzugtes Beispiel hierfür ist ein Zapfen in Form eines Hohlzylinders oder Röhrchens.

Auch die Form entlang der Längsachse des Zapfens (Z-Richtung) kann beliebig gewählt werden, sowohl bei einem lasergesinterten als auch bei jedem anderen Zapfen, wobei Zapfen mit einer zylindrischen oder konischen Form bevorzugt sind.

Einmesselemente oder Tastelemente, wie z.B. Einmesskugeln und Tastkugeln, sind typischerweise aus Metall, insbesondere Stahl, Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumnitrit, Siliziumkarbit, oder Kristall, beispielsweise Rubin, Saphir oder Diamant, gefertigt. Häufig werden nichtmetallische Materialen für Einmesselemente oder

Tastelementeverwendet, insbesondere Keramiken oder Kristalle. Andererseits ist es wünschenswert, den auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements aufgebrachten Zapfen aus Metall zu fertigen, wodurch höhere Steifigkeiten als bei anderen Materialien erreicht werden können. Es ist daher nötig, eine haltbare Verbindung zwischen einem metallischen Zapfen, beispielsweise hergestellt durch Lasersintern, und dem nichtmetallischen Kugelwerkstoff herzustellen. Dazu schlägt die vorliegende

Erfindung eine vorteilhafte Ausführungsform einer Messvorrichtung vor, bei der das Tastelement oder das Einmesselement aus einem nichtmetallischen Material besteht, zumindest ein Teil der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements mit einem Haftvermittler beschichtet ist und auf der Haftvermittlerschicht ein metallischer Zapfen mit einem Lasersinterverfahren erzeugt ist. Geeignete Haftvermittler sind Metalle, beispielsweise aus Aluminium, Chrom, Nickel oder metallischen Legierungen, chemisch aufgebrachte Schichten, Kunststoffe,

Primersubstanzen, oder sonstige bekannte Haftvermittler. In einer speziellen

Ausführungsform ist die Haftvermittlerschicht eine Metallschicht, vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie der Zapfen. Die Metallbeschichtung auf der Oberfläche des

Tastelements oder des Einmesselements dient hierbei als Haftvermittler zwischen Tastelement/Einmesselement und Zapfen. Eine Metallschicht kann mittels üblicher Techniken, wie beispielsweise Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), erzeugt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise das Aufdampfen in einem Vorvakuum von 0,01 mbar bis 0,1 mbar.

Es ist auch möglich, die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements anzuätzen, um für den nachfolgenden Schritt des Lasersinterns eine gute und haltbare Grundlage zu bilden. Dabei können ggf. Anteile aus dem Material des Tastelements oder des Einmesselements freigelegt werden, ohne dass dies als„Ausnehmung" im

Einmesselement oder im Tastelement im oben genannten Sinne zu verstehen ist. Eine Ausnehmung im obigen Sinne ist insbesondere derart beschaffen, dass ein Schaft darin eingeführt werden könnte, um eine feste Verbindung zwischen Schaft und

Tastelement/Einmesselement zu schaffen. Insbesondere wird beim Anätzen kein Material des Tastelements oder des Einmesselements mit mechanischen Werkzeugen abgetragen und insbesondere wird beim Anätzen keine Vertiefung im Tastelement oder

Einmesselement erzeugt, in die ein Schaft einführbar wäre.

Entsprechend zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements, das aus einem nichtmetallischen Material besteht, oder eines Einmesselements für ein Koordinatenmessgerät, das aus einem nichtmetallischen Material besteht, an einem Schaft, wobei bei dem Verfahren

- an einer Stelle auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements eine Haftvermittlerschicht, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht wird, und

- auf die Haftvermittlerschicht durch Lasersintern ein metallischer Zapfen

aufgebracht wird

- der Zapfen am Schaft, vorzugsweise in einer Ausnehmung im Schaft, befestigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Zapfen und die Metallschicht aus dem gleichen Metall gebildet.

In einer Variante der Messvorrichtung ist der Zapfen mit einem elastischen Klebstoff in einer Ausnehmung, insbesondere einer Bohrung, des Schaftes derart befestigt, dass die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements nicht am Schaft anliegt, das Zapfenende nicht am Ausnehmungsgrund, insbesondere einem Bohrungsgrund, anliegt und zumindest der Zwischenraum zwischen Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit dem elastischen Klebstoff gefüllt ist. Mit dieser Ausführungsform kann die Steifigkeit der Messvorrichtung in X- und Y-Richtung (d.h. vertikal zur Längsachse des Schaftes) und Z- Richtung (Längsachsenrichtung des Schaftes) in bestimmten Grenzen eingestellt werden. Die Quersteifigkeiten in X-Richtung und Y-Richtung werden durch die Führung des Zapfens in der Schaftausnehmung bestimmt, wobei die Steifigkeit typischerweise umso größer ist, je dichter der Zapfen an der Wand der Ausnehmung, insbesondere der Wand einer Bohrung, anliegt. Bevorzugt ist ein zum Außen-Durchmesser des Zapfens passgenauer Innen-Durchmesser der Ausnehmung, so dass der Zapfen ohne Spiel an den Wandungen der Ausnehmung im Schaft anliegt. Dadurch, dass das Zapfenende in Z- Richtung nicht am Ausnehmungsgrund anliegt und der Zwischenraum zwischen

Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit einem elastischen Klebstoff gefüllt ist, wird in Z- Richtung eine geringere Steifigkeit erzielt als in X- und Y-Richtung. Durch die

Elastizitätseigenschaften des eingesetzten Klebstoffs kann die Steifigkeit in Z-Richtung in gewissen Grenzen durch Wahl des Klebstoffs gesteuert werden, wobei der Klebstoff nach Art einer Feder wirkt. Auch der Abstand des Zapfenendes vom Ausnehmungsgrund, der Durchmesser der Bohrung oder die Abmessungen der Ausnehmung quer zur Z-Richtung und die Schaftlänge beeinflussen die Steifigkeit in Z-Richtung. Dadurch, dass die

Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements, beispielsweise eine

Kugeloberfläche, nicht am Schaft, genauer am Ende des Schaftes, anliegt, ist das Tastelement oder das Einmesselement in Z-Richtung relativ zum Schaft beweglich.

Geeignete elastische Klebstoffe sind beispielsweise Zweikomponentenklebstoffe auf Harzbasis oder feuchtehärtende Klebstoffe. Weitere geeignete elastische Klebstoffe sind beispielsweise Methylmethacrylat-Klebstoffe und silanvernetzende Polymerklebstoffe.

In einer Ausführungsform ist der Zapfen über eine Länge von ca. 0,5 - 2 cm, mehr bevorzugt etwa 0,5 - 1 ,5 cm und am meisten bevorzugt über eine Länge von etwa 1 cm in eine Ausnehmung eines Schaftes eingeführt. Dadurch kann eine vorteilhaft hohe

Quersteifigkeit erzielt werden.

Entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsform betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements oder Einmesselements an einem Schaft, bei dem der Zapfen am Tastelement oder Einmesselement mit einem elastischen

Klebstoff in einer Ausnehmung des Schaftes derart befestigt wird, dass die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements nicht an dem Schaft anliegt, das

Zapfenende nicht am Ausnehmungsgrund anliegt, wobei zumindest der Zwischenraum zwischen Zapfenende und Ausnehmungsgrund mit elastischem Klebstoff gefüllt wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements oder eines Einmesselements, das einen Zapfen aufweist, welcher eine von außen zugängliche Ausnehmung aufweist wie zuvor beschrieben, beispielsweise einen Zapfen in Form eines Hohlzylinders oder Röhrchens. Bei diesem Verfahren wird der Schaft mit einem elastischen Klebstoff in der Ausnehmung des Zapfens derart befestigt, dass das Ende des Schaftes nicht am Grund der Ausnehmung im Zapfen anliegt, wobei zumindest der Zwischenraum zwischen dem Ende des Schaftes und dem Grund der Ausnehmung im Zapfen mit elastischem Klebstoff gefüllt wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Messvorrichtung, bei der ein Tastelement oder ein

Einmesselement über einen auf die Oberfläche des Tastelements oder Einmesselements aufgebrachten Zapfen am Schaft befestigt ist, wobei

der Zapfen eine von außen zugängliche Ausnehmung aufweist, und

der Schaft mit einem elastischen Klebstoff in der Ausnehmung des Zapfens derart befestigt ist, dass das Ende des Schaftes nicht am Grund der Ausnehmung im Zapfen anliegt, wobei zumindest der Zwischenraum zwischen dem Ende des Schaftes und dem

Grund der Ausnehmung im Zapfen mit elastischem Klebstoff gefüllt ist.

In einer konstruktiv zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit einem Zapfen alternativen Ausführungsform ist der Schaft an die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements angefügt. Hiermit ist eine Ausführungsform gemeint, in welcher das Tastelement oder das Einmesselement keinen Zapfen aufweist. Das Tastelement oder das Einmesselement ist somit nicht über einen Zapfen mit dem Schaft verbunden. Des Weiteren weist diese Ausführungsform auch keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung, im Tastelement oder im Einmesselement auf. Stattdessen ist der Schaft direkt mit der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements verbunden, durch eine Fügeverbindung zwischen Schaft und Oberfläche. Insbesondere ist das Tastelement oder das Einmesselement mit einer Schweißverbindung, Lötverbindung oder Klebeverbindung an den Schaft gefügt bzw. am Schaft befestigt. Diese Ausführungsform ist daher auch zu unterscheiden von der zuvor beschriebenen, ebenfalls erfindungsgemäßen Variante, in der ein am Tastelement oder am Einmesselement angebrachter Zapfen durch

Schweißen, Kleben oder Löten an einem Schaft, insbesondere in einer Ausnehmung im Schaft, befestigt ist. In dieser Ausführungsform ist vorzugsweise das Tastelement oder das Einmesselement an seiner Oberfläche mit einem Schaft durch eine

Schweißverbindung oder Lötverbindung verbunden, ohne dass ein Zapfen am

Tastelement oder am Einmesselement als Verbindungselement vorhanden ist und ohne dass eine Ausnehmung oder Bohrung im Tastelement oder im Einmesselement vorhanden ist.

Unter Berücksichtigung der obigen Erläuterungen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements oder eines Einmesselements für ein

Koordinatenmessgerät an einem Schaft, bei dem der Schaft an die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements gefügt wird bzw. an der Oberfläche befestigt wird. Insbesondere wird das Tastelement oder das Einmesselement durch Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, mit seiner Oberfläche an den Schaft gefügt.

Als Schweißverfahren bieten sich beispielsweise das Laserschweißen oder ein auf elektrischer Leitfähigkeit der Werkstoffe basierendes Schweißverfahren, insbesondere Wderstandsschweißen, an. Das Laserschweißen bietet prinzipiell den Vorteil, dass elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe, beispielsweise ein Tastelement oder ein

Einmesselement aus Keramik und ein Schaft aus Keramik, miteinander verbunden werden können. Der Vorteil des in der Erfindung mehr bevorzugten

Widerstandsschweißens liegt darin, dass die Schweißzeit extrem kurz gehalten werden kann, wodurch das Eindringen von Wärme aus dem Schweißprozess in das Material des Tastelementes oder der Einmesselementes minimiert wird. Somit können störende Effekte durch die Einwirkung von Temperatur, beispielsweise Verformungen des

Tastelements oder des Einmesselements, minimiert werden. Bevorzugte Parameter für das Wderstandsschweißen sind eine Leistung von 10 W bis 100 W und eine Zeitdauer von 10 με bis 100 ms. In der Praxis kann daher mit kurzen intensiven Stromstößen gearbeitet werden.

Sofern das Tastelement oder das Einmesselement ein elektrisch leitfähiges Material aufweist oder zumindest die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, kann eine Schweißverbindung zwischen dem Tastelement oder dem Einmesselement und einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Schaft durch Widerstandsschweißen direkt hergestellt werden.

In einer anderen Variante besteht das Tastelement oder das Einmesselement aus einem elektrisch nicht leitenden Material und die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements ist an der Schweiß- oder Lötverbindungsstelle zum Schaft mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall, beschichtet. Eine

Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen zwischen dem Tastelement oder dem Einmesselement, beispielsweise einer Tastkugel oder Einmesskugel, und dem Schaft setzt voraus, dass auch auf dem Tastelement oder dem Einmesselement eine leitfähige Oberfläche vorliegt. Daher wird bei Tastelementen und Einmesselementen aus nicht leitfähigem Material, beispielsweise Keramik, vor dem Schweißprozess eine leitfähige Beschichtung, insbesondere aus Metall, aufgebracht, die fest mit dem

Oberflächenmaterial, beispielsweise Keramik, verbunden ist. Die leitfähige Schicht gehört dann zur Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements bzw. ist ein Teil der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements. Die leitfähige Beschichtung kann auf unterschiedliche Art und Weise aufgebracht werden. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, eine Beschichtung, insbesondere aus Metall, chemisch abzuscheiden oder mit geeigneten Bedampfungs- oder Beschichtungsverfahren, beispielsweise mit lonenstrahlsputtern, aufzubringen. Ebenfalls geeignet sind PVD- und CVD-Verfahren, die bereits zuvor erwähnt wurden.

Die (insbesondere metall)beschichtete Fläche ist so groß, dass das Schaftende darauf vollständig platziert werden kann, d.h. nur über die Beschichtung mit dem Tastelement oder Einmesselement verbunden ist. Es kann eine kreisförmige Fläche, beispielsweise eine Kugelkappe im Falle eines kugelförmigen Tastelements oder Einmesselements, beschichtet werden. In der Mitte dieser Kappe kann dann der Schaft aufgeschweißt werden. Ein überstehender, nicht durch das Schaftende abgedeckter Bereich der metallischen Beschichtung kann zum Kontaktieren einer Schweißelektrode genutzt werden und der zweite Kontakt für das Schweißen befindet sich am metallischen Schaft. Wenn somit das Tastelement oder das Einmesselement aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material besteht und der Schaft aus Metall, wird der große Teil der beim Wderstandsschweißen eingetragenen Wärme über den Schaft abgeführt und kann nicht in das Tastelement oder das Einmesselement eindringen, wodurch die Entstehung wärmebedingter Formfehler des Tastelements oder des Einmesselements vermieden oder minimiert werden.

Entsprechend den vorangegangenen Ausführungen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Befestigung eines Tastelements, das aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht, oder eines Einmesselements, das aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht, bei dem

- an einer Stelle auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht wird, und

- der Schaft auf die Schicht geschweißt wird.

Beim Widerstandsschweißen kann je nach Geometrie der Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements und des Schaftendes entweder flächig geschweißt werden, beispielsweise auf einer Phase oder Kugelfläche. Eine Phase ist eine Flachstelle, vorzugsweise eine ringförmige Flachstelle, die passgenau zu einer Kugeloberfläche gekrümmt sein kann. Eine Phase ist beispielsweise erhältlich durch Abflachung einer Ringschneide. Eine Ringschneide ist eine ringförmige Stirnfläche, deren radiale

Materialbreite wie bei einem Schneidewerkzeug sehr klein ist.

In einer anderen Variante kann die Fügestelle am Schaft mit örtlichen Erhebungen ausgeführt sein und das Schweißen als Wderstandsbuckelschweißung vorgenommen werden. Mehrere Buckel sind vorzugsweise symmetrisch über den Umfang einer im Querschnitt kreisförmigen Schaftspitze verteilt, wobei vorzugsweise mindestens drei Buckel vorhanden sind.

In einer speziellen Variante der Schweißverbindung ist am Ende des Schaftes eine Ringschneide (d.h. eine ringförmige Stirnfläche, deren radiale Materialbreite wie bei einem Schneidewerkzeug sehr klein ist) vorgesehen, die beispielsweise durch eine Bohrung im Schaft erzeugt sein kann. An diese Ringschneide kann das Tastelement oder das Einmesselement, beispielsweise ein kugelförmiges Tastelement oder Einmesselement, angeschweißt werden. Sofern eine größere Auflage- und Klebefläche erwünscht ist, kann eine Phase (insbesondere mit einer zu einem Kegel oder einer Kugel passgenauen, d. h. daran vollständig anliegenden, Oberfläche) für die Ausführung der Schweißung verwendet werden, indem man die Ringschneide abflacht, z.B. durch Schleifen. Im Fall eines kugelförmigen Tastelements oder Einmesselements verläuft die durch die Phase gebildete Oberfläche vorzugsweise in Tangentenrichtung zum Berührkreis auf dem kugelförmigen Element. Der Berührkreis kann an der äußeren Phasenkante, der inneren Phasenkante oder dazwischen auf der Phasenfläche liegen. Ein auf der Phase außen liegender Berührkreis hat den Vorteil eines größeren Stützradius.

Wie bereits erwähnt, kann die Verbindung zwischen Schaft und Tastelement oder die Verbindung zwischen Schaft und Einmesselement auch eine Lötverbindung sein. Ein Lötverfahren wird vorzugsweise in einem Ofen ausgeführt, um eine gleichmäßige Wrkung der Wärme auf das Tastelement oder das Einmesselement zu erreichen und

Verspannungen zu vermeiden, welche die Form des Tastelements oder

Einmesselements, beispielsweise eine Kugelform, nachteilig beeinflussen könnten. Ein Lötverfahren kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass auf die zu verbindende Stelle des Schafts und/oder des Tastelements/Einmesselements ein Lötmaterial gelegt wird. Optional kann zuvor auch ein Lötflussmittel auf den Schaft und/oder das

Tastelement/Einmesselement aufgebracht werden. Anschließend werden der Schaft und das Tastelement oder der Schaft und das Einmesselement in eine Vorrichtung

eingebracht, die den Schaft mit einer Vorspannkraft auf das Lötmaterial und das

Tastelement/Einmesselement, das ggf. in einer geeigneten Aufnahme sitzt, presst.

Danach kann dieser Aufbau in den Lötofen gestellt und die Lötung ausgeführt werden, ggf. bei sich ändernder Temperatur (entsprechend einer Heizkurve, z.B. einer

Temperaturrampe). Wenn das Tastelement oder das Einmesselement aus einem nicht lötbaren, beispielsweise keramischen oder kristallinen, Material besteht, wird zuvor auf die Oberfläche des Tastelements oder des Einmesselements eine Metallschicht aufgetragen. Statt im Ofen ist auch eine induktive Erwärmung des Übergangbereichs vom Tastelement oder Einmesselement zum Schaft möglich oder ein Laserlötverfahren, bei dem eine Erwärmung mit kurzen Laserpulsen erfolgt.

In noch einer Ausführungsform der Erfindung ist bzw. wird das Tastelement oder das Einmesselement mit einer Klebeverbindung am Schaft befestigt. Diese Ausführungsform weist keine Ausnehmung, insbesondere keine Bohrung im Tastelement oder im

Einmesselement auf. Bei einer Klebeverbindung weist das Ende des Schaftes

vorzugsweise eine Vertiefung auf, die als Klebstoffreservoir dient. Im Falle eines kugelförmigen Tastelements/Einmesselements weist das Ende des Schaftes

vorzugsweise eine kugelabschnittsförmige oder kegelförmige Öffnung auf, an welche das Tastelement/Einmesselement angesetzt und angeklebt wird. In einer solchen

kugelförmigen oder kegelförmigen Öffnung kann ein Kleberdepot vorgesehen sein. In einer speziellen Variante ist am Ende des Schaftes eine Ringschneide vorgesehen, die beispielsweise durch eine Bohrung im Schaft erzeugt sein kann. An diese Ringschneide kann das Tastelement oder das Einmesselement, das beispielsweise kugelförmig ist, angeklebt werden. Sofern eine größere Auflage- und Klebefläche erwünscht ist, kann eine Phase erzeugt und als Kontaktfläche für die Ausführung der Klebung verwendet werden. Hierbei wird auf die früheren Ausführungen zu Phasenformen verwiesen. Im Fall eines kugelförmigen Tastelements oder Einmesselements ist die Phase vorzugsweise in Tangentenrichtung zum Berührkreis auf dem kugelförmigen Tastelement oder dem kugelförmigen Einmesselement ausgeführt, wobei der Berührkreis außen, innen oder dazwischen auf der Phasenfläche liegen kann. Ein auf der Phase außen liegender Berührkreis hat den Vorteil eines größeren Stützradius und einer gegebenenfalls sauberer durchzuführenden Klebung.

Bei einer Klebeverbindung kann eine Entlüftungsöffnung im Schaft vorgesehen sein, die sich vom Schaftende aus, d.h. von der Klebefläche aus, durch den Schaft erstreckt, beispielsweise in axialer Richtung (Z-Richtung), und durch die verdrängte Luft entweichen kann. Ferner kann für eine Klebung auf dem Tastelement oder auf dem Einmesselement ein Haftvermittler aufgebracht sein. Im Falle eines kugelförmigen Tastelements oder Einmesselements kann die Kugeloberfläche an der Klebestelle für das Schaftende abgeflacht sein und die Flachstelle kann wiederum mit einem Haftvermittler versehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: eine Einmessvorrichtung nach dem Stand der Technik, ein kugelförmiges Einmesselement und das Aufbringen eines Zapfens durch Lasersintern, den Zusammenbau eines kugelförmigen Einmesselements mit aufgebrachtem Zapfen und eines Schaftes, ein Einmesselement mit Zapfen, der mittels eines elastischen

Klebstoffs in der Bohrung eines Schaftes befestigt ist, ein Einmesselement, das mit einer Schweiß- oder Lötverbindung an einem Schaft befestigt ist, eine Draufsicht auf eine Schweiß- oder Lötverbindung eines

Einmesselements entlang der Längsachse des Schafts, einen Schaft mit Buckeln an der Schaftspitze,

Schaftspitzen mit Ringauflagen für Schweißverbindungen im Schnitt entlang der Schaftlängsachse, einen Schaft, eingerichtet für eine Klebeverbindung mit einem

Einmesselement, spezielle Schaftspitzen zur Anbringung eines Einmesselements mit einer Klebeverbindung im Schnitt entlang der Schaftlängsachse, eine Draufsicht auf ein Einmesselement in Richtung der

Schaftlängsachse mit einer präparierten Klebestelle und eine seitliche Ansicht eines Einmesselements mit einer abgeflachten Stelle zur Anbringung eines Schaftes mit einer Klebeverbindung. In der Fig. 1 ist eine Einmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gezeigt. Sie besteht aus einem Schaft 1 und einem Einmesselement 2 in Kugelform. Der Schaft ist aus einem zylindrischen Teil 3 und einem kegelförmigen Teil 4 aufgebaut. Das kegelförmige Teil 4 mündet in eine Schaftspitze 5 und am zylindrischen Teil 3 ist ein Anschluss 6 vorgesehen. Das Einmesselement 2 weist eine Bohrung 7 auf, in der die Schaftspitze 5 zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen Schaft und Einmesselement befestigt ist, beispielsweise durch Kleben.

Die Fig. 2a - 2c zeigen die Aufbringung eines Zapfens auf einen Einmesselement 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Einmesselement 2, hier kugelförmig, besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material und an einer Stelle der Oberfläche wurde eine Metallschicht 8 aufgebracht. Es kann sich bei der Schicht 8 auch um eine Schicht aus einem anderen geeigneten Haftvermittler handeln. In Fig. 2b ist durch ein Lasersinterverfahren ein Zapfenansatz auf die Metallschicht 8 aufgebracht, der aus mehreren einzelnen gesinterten Schichten 9 besteht. In Fig. 2c ist der

Lasersinterprozess abgeschlossen und ein kompletter angesinterter Zapfen 10 auf die Oberfläche des Einmesselements 2 aufgebracht. Der Zapfen kann aus dem gleichen Metall bestehen wie die Metallschicht 8.

In der Fig. 3 ist der Zusammenbau aus einem Schaft 1 und einem Einmesselement 2 mit Zapfen 10 gezeigt. Der Schaft 1 ist in einem Schnitt entlang der Längsachse gezeigt und weist eine Ausnehmung 12 auf, in die der Zapfen 10 des Einmesselements 2 eingeführt und befestigt wird. Entlang seiner Längsachse (Z Richtung) weist der Schaft 1 eine Entlüftungsbohrung 1 1 auf, wodurch Luft, die durch den Zapfen 10 verdrängt wird, entweichen kann. Der Zapfen 10 kann in der Ausnehmung 12 durch Kleben, Pressen, Schrumpfen, Schrauben oder auch Löten befestigt werden.

In der Fig. 4 ist eine Messvorrichtung gezeigt, bei der der Zapfen 10 mit einem elastischen Klebstoff 13 in der Bohrung 12 des Schaftes 1 derart befestigt ist, dass die Oberfläche 14 des Einmesselements 2 nicht am Schaft 1 , insbesondere nicht an der aus dem

kegelförmigen Teil 4 gebildeten Schaftspitze, anliegt. Dies bedeutet im vorliegenden Fall, dass die Oberfläche 14 des Einmesselements 2 nicht das Schaftende 30 berührt. Ferner liegt das Zapfenende 16 nicht am Bohrungsgrund 17 an und der Zwischenraum zwischen Zapfenende 16 und Bohrungsgrund 17 ist mit elastischem Klebstoff 13 gefüllt. Der Klebstoff 13 ist hier schraffiert dargestellt. Je nach Durchmesser des Zapfens 10 und der Bohrung 12 kann zwischen der Wandung der Bohrung 12 und dem Zapfen 10 ein mehr oder minder großer Spalt gebildet sein, in dem sich ebenfalls Klebstoff befinden kann.

Die Fig. 5 zeigt einen Schaft 1 , an dem ein Einmesselement 2 mit einer

Schweißverbindung 18 befestigt ist. Es kann sich statt um eine Schweißverbindung auch um eine Lötverbindung handeln.

Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Schweißverbindungsstelle auf dem

Einmesselement entlang der Längsachse des Schaftes 1. Das Einmesselement 2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material und die Oberfläche ist teilweise mit einer Metallschicht 20 versehen, in Form einer kreisförmigen Kugelkappe. Die Metallschicht 20 schließt die Schweißverbindungsstelle 19, die auch eine Lötverbindungsstelle sein kann, ein.

Die Fig. 7 zeigt einen Schaft 2, dessen Spitze mit Buckeln 21 versehen ist. Die Buckel sind vorzugsweise symmetrisch über den Umfang der in der Querschnittsansicht (nicht gezeigt) kreisförmigen Schaftspitze verteilt, wobei vorzugsweise mindestens drei Buckel vorhanden sind. Beim Widerstandsbuckelschweißen wird die zum Schweißen notwendige Stromdichte nicht durch die Schweißelektroden, sondern durch die Bauteilform generiert, wobei die notwendige Stromdichte an den Buckeln 21 erzeugt wird.

Die Fig. 8a und 8b zeigen alternative Formen einer Schaftspitze 15. Fig. 8a zeigt im Querschnitt durch die Schaftspitze eine Ringschneide 22, die durch eine

rotationssymmetrische Ausnehmung 23 in der Schaftspitze erzeugt wurde. In Fig. 8b ist die Ringschneide zu einer so genannten Phase abgeflacht worden. Durch die Krümmung der Fläche der Phase 24 eignet sich die Schaftspitze zur Anbringung einer entsprechend gekrümmten Kugel, die mit ihrer Oberfläche vorzugsweise vollflächig an der Phase 24 anliegt.

Die Fig. 9 zeigt einen Schaft 2, der für die Befestigung eines Einmesselements mit einer Klebeverbindung vorgesehen ist.

Die Fig. 10a - 10e zeigen verschiedene Ausführungen einer Schaftspitze 15, wobei der mit gestrichelter Linie gekennzeichnete Ausschnitt x der Fig. 9 entsprechend vergrößert ist. In den Fig. 10a bis 10e ist jeweils ein Schnitt durch die Spitze 15 entlang der

Schaftlängsachse gezeigt. Durch unterschiedlich geformte Bohrungen (sie Fig. 10a und 10b zeigen) sind in der Schaftspitze jeweils Ausnehmungen 23 und Ringschneiden 22 gebildet. In der Fig. 10c ist eine Ringschneide gemäß Fig. 10a abgeflacht worden, wodurch eine Phase 24 hergestellt wurde. Die gekrümmte Phasenfläche dient zur Anbringung einer Kugel, wobei nicht die gesamte Phasenoberfläche auf der

Kugeloberfläche aufliegen muss. Der Berührkreis zwischen Phase und Kugel kann außen oder innen auf der Phasenfläche liegen oder dazwischen. Eine äußere Auflage hat den Vorteil eines größeren Stützradius und gegebenenfalls einer saubereren Klebung zwischen der Oberfläche des Einmesselements und Phasenfläche 24, da überschüssiger Klebstoff nach innen verdrängt wird. Idealerweise liegt die Phasenfläche in

Tangentenrichtung zum Berührkreis.

In Fig. 10d ist die Fläche der Schaftspitze 15 in Form einer Kugelteilfläche 25 gestaltet, wobei der Krümmungsradius gleich dem Krümmungsradius des anzufügenden kugelförmigen Einmesselements ist. Die Fig. 10e zeigt eine Variante der Ausbildungsform nach Fig. 10d, wobei zusätzlich ein Klebstoffdepot 26 vorgesehen ist.

Die Fig. 1 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Klebestelle auf der Oberfläche des

Einmesselements 2. Die Klebestelle ist mit einem Haftvermittler 27 versehen. Die Fig. 12 zeigt eine seitliche Ansicht eines Einmesselements 2 mit einer abgeflachten Stelle 28, an die eine Schaftspitze mit abgeflachtem Ende angeklebt werden kann. Gegebenenfalls kann auf die Flachstelle 28 auch ein Haftvermittler 27 aufgebracht werden.

Viele der zuvor gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen beziehen sich auf Einmessvorrichtungen für ein Koordinatenmessgerät. Analoge Ausführungsformen sind auch bei Messtastern möglich und werden ausdrücklich auch für Messtaster, aufweisend ein Tastelement und einen Schaft, angeregt.