3D-Tastkopf - Feinmechanik + CNC

3D-Tastkopf
Mit dem 3D-Tastkopf können 3D-Objekte auf einer CNCFräsmaschine abgetastet werden. Dabei ist speziell an den
Einsatz auf Maschinen mit Schrittmotorantrieben und einer
Ansteuerung über einen PC gedacht. Derartige Maschinen
werden von verschiedenen Herstellern sowohl als fertige
Maschinen als auch in der Form von Bausätzen angeboten.
Es gibt Hersteller, bei denen die für die Ansteuerung des
Tasters erforderlichen Funktionen bereits in der zur
Maschine gehörenden CAD/CAM-Software integriert sind,
teilweise ist aber ein zusätzliches Programm mit den
entsprechenden Steuerfunktionen erforderlich.
Ein weiteres Einsatzgebiet ist das Vermessen von
Werkstücken und Werkzeugen auf CNC-Maschinen.
Funktionsprinzip
Der Taster enthält ein Kontaktsystem, welches im
elektrischen Sinne einen Öffnerkontakt darstellt. Der Taster
ist über eine 2-adrige Leitung mit der Steuerung verbunden.
Sobald die Tastspitze durch einen Druck von der Seite oder
von unten aus der Ruheposition gebracht wird, öffnet dieser
Kontakt.
3D-Digitalisieren
Um ein Teil abzutasten, wird in X-und Y-Richtung der abzutastende Bereich und die Schrittweite
festgelegt. Nach dem Start fährt die Maschine zur ersten X/Y- Position. Die Z-Achse fährt dann nach
unten, bis die Tastspitze auf das abzutastende Teil trifft. Wenn der Kontakt öffnet, wird die Z-Achse
gestoppt und X/Y/Z-Koordinaten werden gespeichert. Anschließend fährt die Z-Achse wieder zurück
auf die Ausgangshöhe, die X-Achse fährt einen Schritt weiter und die Z-Achse beginnt wieder die
Abwärtsbewegung. Dieser Vorgang wiederholt sich nun, bis der ganze Bereich abgetastet ist. Weil
der Taster auf Druck in jeder Richtung reagiert, schaltet er auch beim Antasten von sehr steilen
Konturabschnitten zuverlässig und genau.
Bisher wurden folgende Varianten für die Ansteuerung realisiert:
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Die CNC-Maschinen "KoSy", welche von den Firmen MAXcomputer GmbH (Schömberg) und emc
Elektronik & Mechanik GmbH (Burkhardtsdorf) hergestellt und vertrieben werden, können ohne
zusätzliche Software zum digitalisieren eingesetzt werden. Die zum Lieferumfang der Maschine
gehörende Software "NC-CAD 6" besitzt bereits die erforderlichen Funktionen zum Abtasten und
zur Umsetzung der Punkte in entsprechende Fräsbahnen.
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Für Maschinen, bei denen die Ansteuerung der Schrittmotorelektronik über die
Druckerschnittstelle erfolgt, ist das Programm "CNC-Digit" erhältlich. Die meisten Steuerungen
und Elektroniken, welche als Bausatz für Eigenbaumaschinen angeboten werden, nutzen diese
Schnittstelle.
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Die Maschinen der Firma proMa Technologie GmbH (Eiterfeld) werden mit dem Programm
“EdiTask” der Firma Trimeta angesteuert. Mit dieser Software ist das digitalisieren mit bis zu 4
Achsen möglich. Die abgetasteten Punkte werden direkt im “Edi T a s k ” ge s p e i c h e r t un d d a r a u s
Fräsbahnen generiert, so daß anschließend sofort Kopien des abgetasteten Teiles gefertigt
werden können.
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Das Programm “EdiTask” enthält eine Z-Höhenkorrektur. Damit ist es möglich, eine Gravur mit
gleichbleibender Gravurtiefe auf leicht unebenen Flächen ohne mechanischen Höhenausgleich
herzustellen. Dazu muß vor der Bearbeitung das Höhenprofil des Werkstückes vermessen
werden. Hierfür ist der Tastkopf ebenfalls gut geeignet.
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Für das Programm “EdiTask” ist eine zusätzliche Software verfügbar, um die Koordinaten der
abgetasteten Punkte als Punktwolke zu speichern. Anschließend kann diese Punktwolke durch
Triangulation oder Flächenrückführung weiter bearbeitet werden. Die erzeugten Flächen können
mit CAD-Systemen weiter bearbeitet werden. Damit sind Maßstabsänderungen, Schwindmaße,
Negativformen und die Ableitung von CNC-Programmen möglich.
Die aufgenommenen Punktkoordinaten können anschließend benutzt werden, um Kopien des
abgetasteten Objektes herzustellen. Die Anwendungsmöglichkeiten hängen dabei natürlich von der
verwendeten Software ab. Die Art der weiteren Verarbeitung der Daten und die Struktur der
Oberfläche bestimmt auch die Auswahl der Tastspitze. Wenn die Punktdaten in einem 3D-CADSystem weiter bearbeitet werden und daraus Flächendaten erzeugt werden sollen
(Flächenrückführung, Triangulation), muß die Tastspitze die Form einer möglichst spitzen Nadel
haben. Oft werden die Fräsbahnen direkt erzeugt (G-Code), indem die Punktkoordinaten mittels
Geradeninterpolation miteinander verbunden werden. In diesem Fall muß der Taststift die gleiche
Kontur haben wie der Fräser, um ein korrektes Ergebnis zu bekommen, d.h. soll das Teil später z.B.
mit einem zylindrischen Fräser Ø2,0mm im Maßstab 1:1 gefräst werden, muß es in diesem Fall auch
mit einem zylindrischen Taststift Ø2,0mm abgetastet werden.
Die abzutastenden Teile müssen Gußrestriktionen erfüllen d.h. sie dürfen keine Hinter-schneidungen
aufweisen, diese können weder abgetastet noch gefräst werden. Bei sehr steilen Konturabschnitten
(>85°) können abhängig von der Form der Tastspitze und der Schrittweite Einschränkungen bei der
Genauigkeit auftreten.
Die wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten sind:
Das Teil wird als Positivform direkt ausgefräst
Die Daten werden genutzt, um eine Negativform (Gießform) des Werkstückes zu fräsen, wobei
Schwundmaße mit eingerechnet werden können.
• Sowohl die Positivform als auch die Negativform kann skaliert werden. (Maßstabsänderung)
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Meßaufgaben
Der Tastkopf kann auch zum Messen bzw. Setzen des Nullpunktes bei Werkstücken, Vorrichtungen
und Werkzeugen verwendet werden. Als Beispiel sei hier das Bestimmen des Koordinatensystems
bzw. der Werkzeuggeometrie bei 5-Achs-CNC-Maschinen (proMa Technologie GmbH) genannt.
technische Daten:
standardmäßig Aufnahmeschaft für Spannzange Ø3,0mm und Ø6,0mm
Tastspitze auswechselbar, Schaft Ø3,0mm oder Gewinde
Taster spricht auf Auslenkung in jeder Richtung an (X / Y / Z)
Antastgenauigkeit 0,01mm
Betätigungskraft ca. 0,3N
Grundkörper Aluminium eloxiert
Anschluß: potentialfreier Öffnerkontakt (keine zusätzliche Stromversorgung
Kabellänge 1,5m
• Kontakte hartvergoldet
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notwendig),
Der Taster kann natürlich bei Bedarf hinsichtlich des Aufnahmeschaftes, der Tastspitze, der
Kabellänge und des Steckers an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden.