DE10119118A1 - Messkopf zur Vermessung von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Bei einem Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen in 3-D-Meßmaschinen, der an einer in z-Richtung bewegbaren Pinole befestigt ist, die ihrerseits in der xy-Ebene verschiebbar angeordnet ist, mit einem Meßkopfgehäuse, einem Meßtaster und einer Auswerteeinheit, wird vorgeschlagen, eine größere Anzahl von Meßtastern vorzusehen, die jeweils in einer Raumrichtung ausgerichtet und im Meßkopfgehäuse in einem Raster angeordnet sind, wobei jedem Meßtaster ein Meßsensor zugeordnet ist und die Meßsensoren die beim Abtasten der zu vermessenden Oberfläche gewonnenen Signale an die Auswerteeinheit weiterleiten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen in 3-D- Meßmaschinen, der an einer in z-Richtung bewegbaren Pinole befestigt ist, die ihrerseits in der xy-Ebene verschiebbar angeordnet ist, mit einem Meß­ kopfgehäuse, einer Meßkopfaufnahme, einem Meßtaster und einer Auswerte­ einheit.

Oberflächen von Werkstücken lassen sich mit Hilfe von 3-D-Meßmaschinen sehr genau vermessen. Diese Maschinen weisen in der Regel einen Meßtisch zur Aufnahme des Werkstücks und eine mit dem Meßtisch verbundene Brü­ cken-, Portal- oder Auslegerkonstruktion zur Aufnahme der Meßvorrichtung auf. Die genannten Vorrichtungen zur Aufnahme der Meßvorrichtung sind in vielfältiger Hinsicht optimiert worden und bieten daher die Voraussetzung für eine präzise Vermessung von dreidimensionalen Oberflächen.

Allen 3-D-Meßmaschinen gemeinsam ist eine in x-, y- und z-Richtung verfahr­ bare Pinole, die an ihrem dem Meßobjekt zugewandten Ende einen Meßkopf trägt. Der Meßkopf ist nach dem Stand der Technik mit einem Meßtaster aus­ gestattet, der an seinem äußeren Ende eine in der Regel als Halbedelstein gefertigte Meßkugel aufweist. Der eigentliche Meßvorgang erfolgt bei den be­ kannten Meßmaschinen jeweils nach dem gleichen Meßprinzip. Hierbei wird der Meßtaster an das Objekt herangefahren, bis die Kugel die Oberfläche be­ rührt. Der Augenblick der Berührung wird bei mechanischen Tastern durch den auf einen Piezokristall erzeugten Druck registriert. Der in diesem Augen­ blick in z-Richtung gegebene Verfahrweg der Pinole aus ihrer Nullage heraus und die vorliegenden x-, y-Koordinaten der Pinole zusammen ergeben einen Meßpunkt zur Ermittlung der Oberflächengestalt des zu vermessenden Kör­ pers. Anschließend wird die Pinole auf ihre Nulllage zurückgefahren und in der beschriebenen Weise der nächste Punkt der Oberfläche vermessen. Der Vor­ gang wird so oft wiederholt, wie Meßpunkte aufzunehmen sind. Im Ergebnis erhält man ein Raster von Meßwerten, das nach einer Korrektur der gemes­ sene Werte um den Durchmesser der Meßkugel die zu vermessende Oberflä­ che wiedergibt.

Die zur Ermittlung eines Meßpunktes notwendigen Schritte

• - Vorgabe einer neuen Position der Pinole in x-, y-Richtung
• - Vorfahren der Pinole in z-Richtung
• - Registrieren des Berührvorgangs
• - Zuordnen der x-, y-, z-Koordinaten der Pinole zum Meßwert
• - Zurückfahren der Pinole in z-Richtung

sind sehr aufwendig und fallen in gleicher Weise bei jedem Meßpunkt an. Die Ermittlung der kompletten Oberfläche des zu vermessenden Körpers gestaltet sich aufgrund der Vielzahl von notwendigen Messungen daher sehr langwie­ rig.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Meß­ kopf anzugeben, der Aufwand und Zeitdauer bei der Vermessung von dreidi­ mensionalen Oberflächen ohne Einbußen an Genauigkeit auf eine Bruchteil der heute erforderlichen Aufwendung reduziert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• - eine größere Anzahl von Meßtastern vorgesehen ist
• - die jeweils in einer Raumrichtung ausgerichtet
• - und in einer zu dieser Raumrichtung senkrechten Wandung des Meß­ kopfgehäuses in einem Raster angeordnet sind,
• - jedem Meßtaster ein Meßsensor zugeordnet ist
• - und die Meßsensoren die beim Abtasten der zu vermessenden Oberflä­ che gewonnenen Signale an die Auswerteeinheit weiterleiten.

Der vorgeschlagene Meßkopf zur Vermessung von dreidimensionalen Ober­ flächen weist eine größere Anzahl von Meßtastern auf, die in einem Meß­ kopfgehäuse untergebracht sind. Bei der Standardausführung des Meßkopfes weisen alle Meßtaster in eine Raumrichtung und sind in der zu dieser Raum­ richtung senkrechten Wandung des Gehäuses in einem Raster angeordnet.

Der Meßvorgang mit diesem Meßkopf besteht aus den gleichen Schritten, wie eine Messung mit Meßköpfen nach dem Stand der Technik, und läuft in ähnli­ cher Weise ab, wie bei bekannten Meßköpfen. Dementsprechend wird die Pinole mit dem Kopf in Richtung Meßobjekt verschoben, bis möglichst viele, im Idealfall alle Meßtaster die Oberfläche des zu vermessenden Objektes be­ rühren. Im Unterschied zum Stand der Technik liegt hierbei jedoch nicht nur ein Meßtaster, sondern eine größere Anzahl von Meßtastern an der Oberflä­ che des zu vermessenden Objektes an. Die den Meßtastern zugeordneten Meßsensoren erzeugen bei diesem Vorgang jeweils ein der Auslenkung des Meßtasters aus seiner Normallage entsprechendes Signal, das einer Auswer­ teeinheit zugeleitet wird, die hieraus und aus den Raumkoordinaten der Pinole die Gestalt der zu vermessenden Oberfläche ermittelt.

Einem Kerngedanke der Erfindung entsprechend ist der Meßkopf mit zahlrei­ chen Meßtastern ausgestattet. Die vorteilhafte Folge hiervon ist, daß mit ei­ nem Meßvorgang eine Vielzahl von Meßpunkten erfaßt wird. Die Zahl der ins­ gesamt notwendigen Messungen zur Vermessung des kompletten Objektes wird damit gegenüber der Stand der Technik in der Regel um einen Faktor reduziert, welcher der Anzahl der Meßtaster entspricht. Selbst komplizierte Oberflächen lassen sich auf diese Weise in kürzester Zeit vermessen, wobei die Genauigkeit der Messung nur durch die Präzision der 3-D-Meßmaschine selbst bestimmt wird und daher äquivalent der von bekannten Maschinen ist.

Die Standardausführung des Meßkopfes gemäß vorliegender Erfindung wird bevorzugt zur Vermessung von Freiformflächen bzw. von Flächen ohne Hin­ terschnitt eingesetzt. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Raumrichtung, in der die Meßtaster ausgerichtet sind, nicht nur auf die z- Richtung zu beschränken. Gemäß einem Merkmal der Erfindung weisen Meß­ köpfe dieser Art Meßtaster auf, die in z-Richtung und/oder in x-Richtung und/oder in y-Richtung ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Meßtaster - zusätzlich oder alternativ - in x- oder y-Richtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Vermessung von Oberflächen, die bei der gegebenen Einspannung des Objektes auf dem Meßtisch hinsichtlich der z-Richtung einen Hinterschnitt aufweisen. Die Vermessung von Objekten dieser Art erfolgt mit dem Meßkopf gemäß vorliegender Weiterbildung in gleicher Weise wie oben beschrieben. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Pinole nicht in z-Richtung ge­ gen die Oberfläche des Meßobjektes verfahren wird, sondern in x-/y-Richtung, soweit, bis möglichst viele bzw. alle Taster an der Oberfläche anliegen.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen bei vorliegender Ausgestaltung des Meßkopfes sind solche, bei denen Meßtaster sowohl in z-Richtung, als auch in x-/y-Richtung angeordnet sind.

Bei einer anderen zur Vermessung von Flächen mit Hinterschnitt geeigneten Ausführungsform ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Meßkopf um eine horizontale Achse schwenkbar und in der verschwenkten Position arre­ tierbar ausgebildet ist, wobei der Verschwenkwinkel vorzugsweise 90 Grad beträgt. Meßköpfe dieser Ausgestaltung werden so eingesetzt, daß zunächst eine Vermessung des Objektes in z-Richtung erfolgt, d. h. die Pinole aus einer oder mehreren x-/y-Positionen heraus gegen das Objekt verfahren wird. Im Anschluß daran wird der Meßkopf verschwenkt, und die Vermessung in der Weise fortgesetzt, daß die Pinole in Richtung der verschwenkten Taster ge­ gen das Objekt verfahren wird. Im Ergebnis erhält wie bei der vorbenannten Ausführungsform Meßwerte für die Objektpunkte, die durch eine Auslenkung der Meßtaster von zwei unterschiedlich orientierten Bezugsebenen aus be­ schrieben werden.

Dem Ziel eines möglichst flexibel Einsatzes bei der Vermessung von dreidi­ mensionalen Oberflächen dient auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Meßkopf um die z-Achse schwenkbar und in der verschwenkten Position arre­ tierbar ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Meßtaster jeweils in beliebige Richtungen senkrecht zur z-Achse auszurichten und dem­ entsprechend die Oberfläche des Meßobjektes aus beliebigen Richtungen senkrecht zur z-Achse her anzufahren. Mit einem Meßkopf dieser Ausgestal­ tung lassen sich auch kompliziert gestaltete Oberflächen vermessen. Insbe­ sondere bei Kombination mit dem oben beschriebenen Merkmal, das eine Verschwenkung des Meßkopfes um eine horizontale Achse vorsieht, steht ein universell einsetzbarer Meßkopf zur Verfügung, der zur Vermessung von O­ berflächen mit nahezu beliebig geformten Hinterschnitten geeignet ist.

Bei der Vermessung von Oberfläche kann es ggf. auch erforderlich sein, Täler und Senken mit vergleichsweise steilen Flanken in der Oberfläche zu erfas­ sen. Um diesen Anwendungsfall abzudecken, sind gemäß vorliegender Erfin­ dung der Meßkopf und die Meßkopfaufnahme mit Mitteln zum Wechseln des Meßkopfes ausgestattet. Darüber hinaus sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung Varianten des Meßkopfes vorgesehen, die sich in der Anzahl an Meßtastern und/oder der Größe des Rasters voneinander unterscheiden. Da­ mit ist dem Anwender die Möglichkeit gegeben, jeweils den für den Meßfall geeigneten Meßkopf einzusetzen. Insbesondere ist damit auch gewährleistet, daß auch vergleichsweise enge Täler in Oberflächen zeitsparend vermessen werden können und hierfür ein Meßkopf jeweils geeigneter Größe zur Verfü­ gung steht.

Dem gleichen Ziel, dem Meßkopf Senken und Täler zugänglich zu machen, ohne daß das Gehäuse des Meßkopfes auf der zu vermessenden Oberfläche anliegt, dient eine spezielle Ausbildung des Meßkopfgehäuses. Bei dieser Ausführung ist die Wandung des Meßkopfgehäuses, in welcher die Taster angeordnet sind, im Bereich außerhalb des Rasters konisch angeschrägt.

In Umkehrung zu dem dargelegten Fall, sind auch Meßköpfe mit Rastern von Interesse, welche möglichst große Abmessungen aufweisen. Ein solcher An­ wendungsfall liegt vor, wenn die Größe des zu vermessenden Objektes es erlaubt, mit einer einzigen Messung die komplette Oberfläche zu erfassen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind daher auch Ausführungsformen des Meßkopfes vorgesehen, bei denen die Größe des Rasters größer/gleich der zu vermessenden Oberfläche ist.

In der Praxis häufig genutzte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meßkopfes weisen ein möglichst enges Raster der Meßtaster auf. Die Meß­ dichte ist hierbei definiert als das Verhältnis von Rasterfläche zur Anzahl der Meßtaster und beschreibt die Größe der einem Taster zugeordneten Fläche. Fertigungsbedingt sind zwischen den einzelnen Tastern jedoch Zwischenräume endlicher Größe vorhanden, die Meßdichte ist daher nicht beliebig klein vorgebbar. Um bei der Vermessung von Oberflächen auch Meßpunkte in die­ sen Zwischenräumen aufnehmen zu können, ist der Meßkopf gemäß vorlie­ gender Erfindung daher um Strecken verschiebbar ausgebildet, die definierten Zwischenpositionen des Rasters entsprechen. Die dabei bevorzugten Bewegungen sind

• a) eine Verschiebung in Richtung der Rasterpunkte um das halbe Rastermaß
• b) eine Verschiebung in Richtung der Diagonalen der Rasterpunkte um das √2-fache des Rastermaßes.

Durch diese Ausbildung des Meßkopfes läßt sich die effektive Meßdichte er­ höhen, im Fall b) beispielsweise um den Faktor 2.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Teil der Beschreibung entnehmen. In diesem Teil wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßkopfes anhand einer Zeichnung dargelegt. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Schnitt durch den Meßkopf

Fig. 2 einen Meßtaster im Detail

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Meßkopfes gemäß vorliegender Er­ findung zu erkennen. Er umfaßt ein Meßkopfgehäuse 1, das in z-Richtung nach unten weisend eine Wandung 2 aufweist, welche die Taster 3 aufnimmt. Die Taster sind jeweils in z-Richtung verschiebbar in einem Raster 4 angeord­ net und weisen an ihren dem Objekt zugewandten Enden jeweils eine Meßku­ gel 5 auf. In das Gehäuse integriert sind Meßsensoren 6, von denen jeweils ein Sensor einem Taster zugeordnet ist. weist einen Meßamboß 7 auf, der mechanisch, vorzugsweise mittels Piezokristall, oder optisch, vorzugsweise mittels Laserdiode, an den Meßsensor angekoppelt ist. Bei Bewegung des Meßsensors aus seiner Nullage heraus, die durch Anliegen des Meßambos­ ses 7 an der Wandung 2 definiert ist, werden im zugeordneten Meßsensor Signale erzeugt, die ein Maß für die Verschiebung des Tasters und damit die Tiefe der Oberfläche sind.

Der Meßkopf wird von der Meßkopfaufnahme 8 getragen, die ihrerseits fest mit der Pinole 9 verbunden ist. Mit Hilfe der Pinole kann der Meßkopf in Rich­ tung der z-Achse 10 verfahren werden, bis alle Meßtaster an der Oberfläche 11 des zu vermessenden Objektes 12 anliegen. Die bei diesem Vorgang von den Sensoren erzeugten Signale werden über nicht eingezeichnete Leitungen an eine ebenfalls nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet, und dort in Koordinaten der vermessenen Oberfläche umgerechnet.

Das Meßkopfgehäuse weist an der Wandung 2 im Bereich außerhalb des Ra­ sters 4 konischen Anschrägungen 13 auf. Aufgrund dieser Ausbildung sind auch Täler und Senken mit vergleichsweise steilen Flanken in der Oberfläche des zu vermessenden Körpers der Messung mit dem erfindungsgemäßen Meßkopf zugänglich. Im Bereich der Sensoren ist das Meßkopfgehäuse um die horizontale Achse 14 schwenkbar ausgebildet und weist (nicht dargestell­ te) Mittel auf, die eine Arretierung in der Verschwenkposition ermöglichen. Die Verschwenkbarkeit des Meßkopfes eröffnet die Möglichkeit, auch Flächen mit Hinterschnitt zu vermessen. Dabei wird diese Vermessung so durchgeführt, daß die Meßtaster aus der gezeichneten Lage heraus verschwenkt werden und die Pinole anschließend in eben dieser Richtung gegen das Objekt ver­ fahren wird, in welche die verschwenkten Taster weisen.

Fig. 2 zeigt einen Meßtaster 3 und den zugeordneten Sensor 6 in einer et­ was genaueren Darstellung. Der Meßtaster besteht bei vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel aus einem Schaft 15, der in einer Bohrung 16 der Wandung 2 des Meskopfgehäuses 1 geführt ist. An dem Ende des Schaftes, das dem Meßobjekt zugewandt ist, weist der Taster eine Kugel 5 aus abriebfestem Ma­ terial auf. Alternativ zu dieser Ausführung sind auch Meßtaster im Einsatz, die anstelle einer Kugel ein zu einer Halbkugel ausgeformtes Ende aufweisen. Das andere Ende des Schaftes ist mit einem Meßamboß 7 ausgestattet, der mittels optischer Mittel an den Meßsensor 6 angekoppelt ist. Zwischen Amboß 7 und gegenüberliegender Wand des Meßkopfes ist ein Federelement 17 vor­ gesehen, das den Taster in Richtung Objekt mit einer moderaten Druckkraft beaufschlagt. Das Federelement ist insbesondere für Meßköpfe erforderlich, die auch in horizontaler Richtung Meßtaster aufweisen, oder die in diese Ko­ ordinatenrichtung schwenkbar ausgebildet sind. Bei Meßköpfen, deren Taster nur in z-Richtung weisen, kann die Feder auch entfallen, da bereits die auf die Taster wirkende Schwerkraft eine Rückstellkraft ausreichende Größe erzeugt. Der Meßtaster in vorliegende Darstellung hat keine Berührung mit der Ober­ fläche des Meßobjektes. Er nimmt daher seine Nullage ein, in welcher der Amboß 7 an der Wandung 2 anliegt. Die Meßtaster dieser Ausgestaltung sind gemäß vorliegender Erfindung im Meßkopf rasterförmig angeordnet, wobei die Anzahl der Rasterpunkte von 2 bis zu großen Zahlen reicht. Dabei ermögli­ chen insbesondere Meßköpfe mit einer hohen Anzahl von Tastern eine rasche Aufnahme einer großen Zahl von Meßpunkten.

Claims (9)

1. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen in 3-D-Meßmaschinen, der an einer in z-Richtung bewegbaren Pinole befestigt ist, die ihrerseits in der xy- Ebene verschiebbar angeordnet ist, mit einem Meßkopfgehäuse, einer Meßkopfaufnahme, einem Meßtaster und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß
eine größere Anzahl von Meßtastern (3) vorgesehen ist
die jeweils in einer Raumrichtung ausgerichtet
und in einer zu dieser Raumrichtung senkrechten Wandung (2) des Meßkopfgehäuses (1) in einem Raster (4) angeordnet sind,
jedem Meßtaster (3) ein Meßsensor (6) zugeordnet ist
und die Meßsensoren (6) die beim Abtasten der zu vermessenden Oberfläche (11) gewonnenen Signale an die Auswerteeinheit weiterlei­ ten.

2. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Raumrichtung die z-Richtung und/oder die x-Richtung und/oder die y-Richtung ist.

3. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß
der Meßkopf um eine horizontale Achse (14) schwenkbar
und in der verschwenkten Position arretierbar ausgebildet ist,
und der Verschwenkwinkel vorzugsweise 90 Grad beträgt.

4. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßkopf um die z-Achse (10) schwenkbar
und in der verschwenkten Position arretierbar ausgebildet ist

5. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Meßkopfaufnahme (8) und Meßkopf mit Mitteln zum Wechseln des Meßkopfs ausgestattet sind.

6. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß
Varianten des Meßkopfes vorgesehen sind,
die sich in der Anzahl an Meßtastern und/oder der Größe des Ras­ ters voneinander unterscheiden.

7. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Rasters (4) größer/gleich der zu vermessenden Ober­ fläche ist.

8. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Wandung (2) des Meßkopfgehäuses (1) im Bereich außer­ halb des Rasters konisch angeschrägt (13) ist.

9. Meßkopf zur Vermessung von Oberflächen nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß
er um Strecken verschiebbar ist,
die definierten Zwischenpositionen des Rasters entsprechen,
vorzugsweise um das halbe Rastermaß in Richtung der Raster­ punkte
und/oder um das √2-fache des Rastermaßes in Richtung der Di­ agonalen der Rasterpunkte.