DE102013106059A1

DE102013106059A1 - Koordinatenmessgerät zum Vermessen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102013106059A1
Application number: DE102013106059.5A
Authority: DE
Inventors: Roland Brenner; Berthold Matzkovits; Stefan-André Binder
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: DE102013106059B4

Abstract

Ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen von Werkstücken besitzt eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines Werkstücks und einen Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme entlang von zumindest einer definierten Bewegungsachse verfahrbar ist. Das Koordinatenmessgerät besitzt ferner ein Maschinengestell mit einem Schlitten (26), an dem der Messkopf befestigt ist. Der Schlitten ist an zumindest einer ersten Führungsschiene beweglich gelagert, so dass er zusammen mit dem Messkopf entlang der definierten Bewegungsachse an dem Maschinengestell verfahrbar ist. Der Messkopf weist einen Grundträger (52) auf, der überwiegend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist. Der Schlitten (26) ist überwiegend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt, der von dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten verschieden ist. Der Grundträger (52) und der Schlitten (26) sind an einer ersten Befestigungsstelle (48) starr miteinander verbunden. Des Weiteren sind der Grundträger und der Schlitten über ein flexibles Verbindungselement (46) an einer weiteren Befestigungsstelle (44) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen von Werkstücken, mit einer Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines Werkstücks, mit einem Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme entlang von zumindest einer definierten Bewegungsachse verfahrbar ist, und mit einem Maschinengestell mit einem Schlitten, an dem der Messkopf befestigt ist, wobei der Schlitten an zumindest einer ersten Führungsschiene beweglich gelagert ist, so dass er zusammen mit dem Messkopf entlang der definierten Bewegungsachse an dem Maschinengestell verfahrbar ist.
Ein solches Koordinatenmessgerät ist beispielsweise aus DE 10 2010 017 904 A1 bekannt.
Ein Koordinatenmessgerät im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung mit einem Messkopf, der dazu dient, physische Eigenschaften von Werkstücken, wie insbesondere die Position und Lage von Geometriemerkmalen, räumlichen Abmessungen oder auch die Oberflächenbeschaffenheit, an ausgewählten Messpunkten eines Werkstücks zu bestimmen. Vielfach besitzen Koordinatenmessgeräte einen Messkopf mit einem Tastelement, insbesondere in Form eines Taststiftes, mit dem das Werkstück an ausgewählten Messpunkten angetastet (berührt) wird. Aus der Position des Messkopfes innerhalb des Messvolumens lassen sich dann Raumkoordinaten für den angetasteten Messpunkt bestimmen. Aus den Raumkoordinaten einer Vielzahl von Messpunkten können geometrische Eigenschaften, wie die Lage einer Kante, der Durchmesser oder die Tiefe eines Bohrlochs oder auch die Ebenheit einer Oberfläche bestimmt werden. Darüber hinaus gibt es Koordinatenmessgeräte mit Messköpfen, die berührungslos arbeiten, insbesondere durch Aufnahme und Auswertung von Bildern mithilfe einer oder mehrerer Kameras. Gemeinsam ist den Koordinatenmessgeräten, dass der Messkopf relativ zu dem zu vermessenden Werkstück in zumindest einer Raumrichtung verfahren werden kann, um auf diese Weise den Messkopf in eine definierte Position relativ zu den gewünschten Messpunkten zu bringen.
Eine häufige Bauform für Koordinatenmessgeräte ist die Portal- oder Brückenbauweise, bei der der Messkopf an einer Traverse angeordnet ist, die entlang von zwei orthogonal zueinander angeordneten, horizontalen Bewegungsachsen verfahren werden kann. An der Traverse ist eine Pinole angeordnet, die vertikal verfahren werden kann und den Messkopf trägt. Die eingangs genannte DE 10 2010 017 904 A1 beschreibt hingegen ein Koordinatenmessgerät mit einem horizontalen Arm, der an einem vertikal beweglichen Schlitten angeordnet ist. Der Horizontalarm trägt den Messkopf und kann relativ zu dem Schlitten in seiner horizontalen Längsachse verfahren werden. Der Schlitten ist an einer Säule angeordnet, die in einer zweiten Horizontalrichtung verfahren werden kann. Darüber hinaus gibt es weitere Bauformen für Koordinatenmessgeräte, wie etwa Geräte mit einem so genannten Kreuztisch. Der Kreuztisch bildet die Werkstückaufnahme und kann in zwei zueinander orthogonalen horizontalen Raumrichtungen verfahren werden. Es genügt in diesen Fällen, den Messkopf an einem vertikal beweglichen Schlitten anzuordnen, um drei zueinander orthogonale Bewegungsachsen zu realisieren.
Das Koordinatenmessgerät aus DE 10 2010 017 904 A1 besitzt ein Gegengewicht, das mit dem vertikal beweglichen Schlitten über ein Seil verbunden ist. Das Seil ist über eine Umlenkrolle geführt, so dass sich der Schlitten und das Gegengewicht jeweils gegenläufig auf- und abbewegen. Das Gegengewicht kompensiert die Schwerkraft, die auf den Schlitten wirkt, so dass der Antriebsmotor für den Schlitten unabhängig von der Bewegungsrichtung des Schlittens jeweils gleich belastet ist. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Dimensionierung des Antriebsmotors und hinsichtlich der Genauigkeit, mit der der Schlitten entlang der vertikalen Bewegungsachse positioniert werden kann. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, dass sich das Gesamtgewicht der Maschine erhöht. Jede zusätzliche Masse am Schlitten muss durch die gleiche Masse am Gegengewicht kompensiert werden, so dass sich eine Erhöhung des Gewichts am Messkopf und/oder der am Schlitten angeordneten Komponenten jeweils mit dem Faktor 2 im Gesamtgewicht der Maschine niederschlägt. Aus diesem Grund ist es gerade bei Bauformen mit einem vertikal bewegten Schlitten und einem Gegengewicht wünschenswert, das Gewicht des Schlittens und der am Schlitten angeordneten Komponenten möglichst gering zu halten.
Aus Gewichts- und Kostengründen ist die Verwendung von Aluminium oder anderen leichten und vergleichsweise kostengünstigen Materialien wünschenswert. Probleme macht in diesem Fall jedoch, dass nicht sämtliche Komponenten eines Koordinatenmessgerätes aus Aluminium oder ähnlichen Materialien hergestellt werden können. Beispielsweise sind Führungsschienen, auf denen die beweglichen Teile eines Koordinatenmessgerätes geführt sind, üblicherweise aus Stahl. Stahlschienen ermöglichen eine höhere Präzision, aber Stahl als Material ist schwerer als Aluminium.
Kombiniert man diese Materialien miteinander, um eine präzise Führung von beweglichen Komponenten bei geringem Gesamtgewicht zu erhalten, ergeben sich neue Probleme aufgrund der unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien.
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt an, in welchem Maß sich ein Material bei einer Veränderung der Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient von Aluminium ist etwa um den Faktor 2 größer als der thermische Längenausdehnungskoeffizient einer eisenhaltigen Stahllegierung. Unterschiedliche Längenausdehnungen führen zu Spannungen, wenn die entsprechenden Materialien miteinander verbunden sind, und diese Spannungen können die Genauigkeit, mit der der Messkopf innerhalb des Messvolumens positioniert werden kann, beeinträchtigen.
DE 101 47 614 A1 beschreibt ein Koordinatenmessgerät in Brückenbauweise, wobei vertikale Säulen, auf denen die Brücke gelagert ist, von einer viskosen Flüssigkeit umgeben sind, um Temperatureinflüsse und daraus folgende Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit zu minimieren. Diese Lösung ist jedoch speziell auf die Eigenschaften eines Koordinatenmessgerätes in Brückenbauweise zugeschnitten und nicht ohne weiteres zur Minderung von Temperatureinflüssen bei anderen Koordinatenmessgeräten geeignet.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorlegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das einerseits eine möglichst leichte Bauweise und andererseits eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Messkopf einen Grundträger aufweist, der überwiegend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, wobei der Schlitten überwiegend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, der von dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei der Grundträger und der Schlitten an einer ersten Befestigungsstelle starr miteinander verbunden sind, und wobei der Grundträger und der Schlitten über ein flexibles Verbindungselement an einer weiteren Befestigungsstelle verbunden sind.
Das erste Material ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen Stahl oder ein anderes eisenhaltiges Metall. Das zweite Material ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen Aluminium oder ein anderer Leichtbauwerkstoff. Der Grundträger ist in einigen Ausführungsbeispielen eine massive Platte oder eine Rahmenstruktur mit einer Montagefläche, die einerseits dazu dient, den Messkopf an dem Schlitten zu befestigen. Andererseits bildet der Grundträger eine Basis, an der die weiteren, in der Regel ”inneren” Komponenten des Messkopfes direkt oder indirekt befestigt sind.
Der Grundträger des Messkopfes und der Schlitten des Maschinengestells sind an einer ersten Befestigungsstelle starr miteinander verbunden, so dass sich der Messkopf in einer definierten Position relativ zu dem Maschinengestell befindet. Eine starre Verbindung in diesem Sinne ist jede Verbindung, die auf eine dauerhafte Befestigung der beiden Teile in einer gleichbleibenden Position relativ zueinander ausgelegt ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind der Grundträger und der Schlitten an der ersten Befestigungsstelle starr miteinander verschraubt. Vorzugsweise besitzen sowohl der Grundträger als auch der Schlitten im Bereich der ersten Befestigungsstelle Planflächen, die in direktem Kontakt aneinander anliegen. Die Ausdehnung der aneinanderliegenden Planflächen ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen jedoch sehr klein im Vergleich zu den Abmessungen des Grundträgers bzw. des Schlittens. Dementsprechend ist die erste Befestigungsstelle in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine ”singuläre” Befestigungsstelle bzw. ein Befestigungspunkt, wobei der Begriff ”Punkt” hier nicht im ideal-mathematischen Sinne, sondern im Hinblick auf die technischen Grenzen für eine stabile und dauerhafte Befestigung zu verstehen ist.
Der Grundträger und der Schlitten sind an der weiteren Befestigungsstelle über ein flexibles Verbindungselement verbunden. Das flexible Verbindungselement ermöglicht (in begrenztem Umfang) eine Relativbewegung zwischen dem Grundträger und dem Schlitten. Infolgedessen werden mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien eliminiert oder zumindest reduziert. Gleichzeitig bleibt aufgrund der starren Verbindung an der ersten Befestigungsstelle jedoch die räumliche Position von Grundträger und Schlitten zumindest für einen Abschnitt des Grundträgers erhalten.
Das flexible Verbindungselement macht es möglich, Schlitten und Grundträger aus unterschiedlichen Materialien herzustellen und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten. Insbesondere wird es möglich, den Schlitten und gegebenenfalls weitere bewegliche Komponenten aus Leichtbaumaterialien, wie Aluminium, herzustellen. Gleichzeitig kann der Grundträger aus Stahl hergestellt sein, was vorteilhaft ist, wenn innerhalb des Messkopfes bewegliche Elemente vorhanden sind, die auf Führungsschienen geführt werden müssen. Infolgedessen ermöglicht das neue Koordinatenmessgerät eine gewichtsoptimierte Bauweise in Verbindung mit einer hohen Messgenauigkeit. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das flexible Verbindungselement ein Koppelstück, das sowohl mit dem Grundträger als auch mit dem Schlitten (insbesondere zerstörungsfrei) lösbar verbunden ist.
In dieser Ausgestaltung ist das Verbindungselement ein separates Koppelstück, welches den Grundträger an der weiteren Befestigungsstelle mit dem Schlitten verbindet. Alternativ hierzu ist es in anderen Ausgestaltungen denkbar, das Verbindungselement integral mit dem Grundträger oder dem Schlitten zu realisieren. Ein separates Koppelstück ermöglicht jedoch eine einfachere Fertigung und Montage. Darüber hinaus kann das separate Koppelstück im Fall einer Beschädigung oder im Fall einer Degradation der Messgenauigkeit aufgrund von Materialermüdung kostengünstig ausgetauscht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das flexible Verbindungselement eine zweite Befestigungsstelle, eine dritte Befestigungsstelle und die weitere Befestigungsstelle auf, wobei die weitere Befestigungsstelle relativ zu der zweiten und der dritten Befestigungsstelle beweglich ist.
In dieser Ausgestaltung ist der Grundträger über eine stabile Dreipunktverbindung an dem Schlitten befestigt. Eine Dreipunktverbindung ist statisch genau bestimmt und erleichtert daher eine dauerhafte Verbindung von Grundträger und Schlitten in einer definierten Position relativ zueinander. Gleichzeitig reduziert das Verbindungselement die zweite und dritte Befestigungsstelle auf lediglich eine weitere Kontaktstelle. In bevorzugten Varianten dieser Ausgestaltung sind der Grundträger und der Schlitten daher über genau eine weitere Befestigungsstelle miteinander verbunden. Die eine weitere Befestigungsstelle ist insbesondere durch eine zusammenhängende Planfläche definiert, an der das Verbindungselement entweder mit dem Schlitten oder mit dem Grundträger in Kontakt steht. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Verbindungselement über die genau eine weitere Befestigungsstelle mit dem Schlitten verbunden und aus einem Material hergestellt, dessen thermischer Längenausdehnungskoeffizient zumindest annähernd dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Grundträgers entspricht. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Anzahl und Größe der Kontaktflächen, an denen unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aneinander stoßen, minimiert ist. Infolgedessen sind thermisch hervorgerufene Spannungen auf ein Minimum reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die dritte Befestigungsstelle eine definierte Position relativ zu der zweiten und dritten Befestigungsstelle auf, wobei die definierte Position unabhängig davon ist, ob das flexible Verbindungselement an dem Grundträger befestigt ist oder nicht.
In dieser Ausgestaltung ist das flexible Verbindungselement im Bereich der zweiten und dritten Befestigungsstelle jeweils so steif ausgebildet, dass sich die definierte Position der weitere Befestigungsstelle beim Befestigen des Verbindungselements am Grundträger nicht verändert.
Mit anderen Worten ist das Verbindungselement gemäß dieser Ausgestaltung im Bereich der zweiten und dritten Befestigungsstelle jeweils so steif ausgebildet, dass die Federelemente des Verbindungselements, die eine begrenzte Beweglichkeit der weiteren Befestigungsstelle relativ zu der zweiten und dritten Befestigungsstelle ermöglichen, beim Befestigen des Verbindungselements am Grundträger nicht verbogen werden. Eine solche Ausgestaltung des Verbindungselements ermöglicht eine besonders hohe Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das flexible Verbindungselement an der zweiten, dritten und weiteren Befestigungsstelle jeweils starr mit dem Grundträger bzw. mit dem Schlitten verbunden.
In dieser Ausgestaltung ist die Verbindung zwischen dem flexiblen Verbindungselement und dem Grundträger einerseits und zwischen dem flexiblen Verbindungselement und dem Schlitten andererseits jeweils starr. Es gibt praktisch nur dort eine begrenzte Relativbewegung zwischen den Komponenten, wo diese Relativbewegung durch die Flexibilität des Verbindungselements gezielt bereitgestellt ist. In denjenigen Fällen, in denen das Verbindungselement über Schraubverbindungen mit dem Grundträger verbunden ist, ist es von Vorteil, wenn das Anzugsmoment für die Schrauben im Wesentlichen vom Grundträger aufgenommen wird, so dass im Optimalfall nur die Flexibilität vorhanden ist, die das Verbindungselement aufgrund seiner Konstruktion und/oder seiner Materialeigenschaften bereitstellt und das Verbindungselement nicht durch die Schrauben bereits verbogen wird. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr stabile Befestigung mit einer definierten Flexibilität für einen gezielten Längenausgleich.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die zweite und die dritte Befestigungsstelle symmetrisch zu der weiteren Befestigungsstelle angeordnet. Vorzugsweise ist das Verbindungselement achssymmetrisch zu einer Achse, die parallel zu der Bewegungsachse des Schlittens durch die weitere Befestigungsstelle verläuft.
Die Ausgestaltung reduziert die Ausgleichsbewegung von Schlitten und Grundträger relativ zueinander auf eine weitgehend geradlinige ”eindimensionale” Bewegung. Dies ist vorteilhaft, um den Messkopf innerhalb enger Toleranzen in einer definierten Position relativ zu dem Schlitten zu halten. Die Ausgestaltung trägt daher zu einer hohen Messgenauigkeit vorteilhaft bei.
In einer weiteren Ausgestaltung definieren die erste und die weitere Befestigungsstelle eine erste Verbindungslinie, und die zweite und die dritte Befestigungsstelle definieren eine zweite Verbindungslinie, die quer und vorzugsweise orthogonal zu der ersten Verbindungslinie verläuft. Vorzugsweise verläuft die erste Verbindungslinie parallel zu der definierten Bewegungsachse, und die zweite Verbindungslinie verläuft quer zu der definierten Bewegungsachse.
Diese Ausgestaltung führt zu einer begrenzten Flexibilität in Richtung der Bewegungsachse. Quer zu der Bewegungsachse des Schlittens wird eine hohe Steifigkeit beibehalten. Die Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil die Bewegung des Schlittens entlang der Bewegungsachse ohnehin mit gewissen Toleranzen behaftet ist, die mit Korrekturverfahren ausgeglichen werden, wohingegen der Schlitten quer zu der Bewegungsachse mit einer hohen Präzision und Steifigkeit gelagert werden kann. Eine sehr steife Bauweise quer zu der Bewegungsachse trägt zu einer hohen Messgenauigkeit vorteilhaft bei, ohne zusätzliche Korrekturmaßnahmen zu erfordern.
In einer weiteren Ausgestaltung liegen die zweite und die dritte Befestigungsstelle wesentlich näher zusammen als die erste und die weitere Befestigungsstelle.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil die mechanischen Spannungen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten umso stärker sind, je mehr Material zwischen starren Befestigungsstellen vorhanden ist. Daher ist es von Vorteil, die zweite und die dritte Befestigungsstelle möglichst eng zueinander anzuordnen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das flexible Verbindungselement zumindest ein Federparallelogramm auf, über das die zweite Befestigungsstelle und die weitere Befestigungsstelle miteinander verbunden sind. Vorzugsweise besitzt das Verbindungselement ein weiteres Federparallelogramm, über das auch die dritte Befestigungsstelle und die weitere Befestigungsstelle miteinander verbunden sind. Alternativ ist es in anderen Ausgestaltungen denkbar, anstelle von Federparallelogrammen einfache Blattfedern zu verwenden.
Die Realisierung des Verbindungselements mit Federparallelogrammen besitzt den Vorteil, dass die Ausgleichsbewegung nahezu geradlinig und nicht auf einer Kreisbahn um einen Schwenkpunkt verläuft. Die Ausgestaltung trägt zu einer hohen Messgenauigkeit bei, da die Freiheitsgrade, die durch das flexible Verbindungselement gezielt eingeführt werden, auf ein Minimum reduziert sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das flexible Verbindungselement überwiegend aus dem ersten Material mit dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt.
In dieser Ausgestaltung ist das Verbindungselement zumindest überwiegend und vorzugsweise vollständig aus demselben Material hergestellt, aus dem auch der Grundträger hergestellt ist. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass zwischen dem Verbindungselement und dem Grundträger keine nennenswerten thermischen Spannungen auftreten, da die Materialien denselben thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das flexible Verbindungselement über eine zweite und eine dritte Befestigungsstelle jeweils starr mit dem Grundträger verbunden ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf zumindest ein linear bewegliches Element, insbesondere ein linear bewegliches optisches Element, und zumindest eine zweite Führungsschiene auf, auf der das linear bewegliche Element linear beweglich gelagert ist, wobei die zweite Führungsschiene überwiegend aus einem Material mit dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.
In dieser Ausgestaltung trägt der Grundträger eine Führungsschiene für das linear bewegliche Element im Messkopf. Da diese Führungsschiene aus einem Material mit dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, der dem Grundträger entspricht, sind thermische Spannungen an dieser Kontaktstelle minimiert. Die Vorteile der Erfindung kommen in dieser Ausgestaltung besonders zur Geltung, weil Führungsschienen für die präzise Bewegung eines Elements in einem Koordinatenmessgerät vorzugsweise aus Stahl oder anderen, relativ schweren Materialien hergestellt werden. Andererseits kann der Schlitten ohne weiteres aus einem Leichtbaumaterial hergestellt werden, um das Gesamtgewicht zu reduzieren. Darüber hinaus sind Messköpfe mit beweglichen, insbesondere optischen, Elementen vorteilhaft, weil sie sehr flexible Messungen an verschiedenen Arten von Werkstücken ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung definiert der Messkopf einen internen Referenzpunkt, wobei die erste Befestigungsstelle im Bereich des internen Referenzpunktes angeordnet ist.
Ein interner Referenzpunkt im Sinne dieser Ausgestaltung ist ein Punkt in oder an dem Messkopf, auf den die Position des Messkopfes relativ zu dem Schlitten und/oder relativ zu dem Koordinatensystem des Messgerätes bezogen ist. Die Platzierung der ersten Befestigungsstelle im Bereich des internen Referenzpunktes ist vorteilhaft, weil die erste Befestigungsstelle starr ist. Der Messkopf ist daher im Bereich seines internen Referenzpunktes starr mit dem Schlitten verbunden. Die aufgrund des flexiblen Verbindungselements mögliche Ausgleichsbewegung verändert die Position des internen Referenzpunktes nicht oder allenfalls in einem auf das technisch mögliche Minimum reduzierten Maße. Die Ausgestaltung trägt besonders vorteilhaft zu einer hohen Messgenauigkeit bei.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Koordinatenmessgerät ein Gegengewicht, das mit dem Schlitten über ein seilartiges Zugelement verbunden ist.
Koordinatenmessgeräte mit einem Gegengewicht für einen beweglichen Schlitten sind als solche bereits bekannt, wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik hervorgeht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft bei solchen Koordinatenmessgeräten, da sich hier in besonderem Maße die gegensätzlichen Anforderungen nach geringem Gesamtgewicht und hoher Messgenauigkeit stellen. Die vorliegende Erfindung kann bei einem Koordinatenmessgerät mit einem Gegengewicht für den Schlitten besonders vorteilhaft verwendet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Koordinatenmessgerätes,
2 eine Prinzipskizze für ein Koordinatenmessgerät mit einem beweglichen Schlitten und einem Gegengewicht,
3 den Schlitten und das flexible Verbindungselement in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
4 den Schlitten, das Verbindungselement und den Grundträger aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
5 den Grundträger aus der Darstellung in 4 von der Rückseite her gesehen,
6 den Grundträger aus 5 zusammen mit dem Verbindungselement in einer vergrößerten Darstellung, und
7 Teile eines Messkopfes mit einem beweglichen optischen Element entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt eine Werkstückaufnahme 12, die hier in Form eines so genannten Kreuztisches ausgebildet ist. Der Kreuztisch besitzt eine obere Platte 13a, die auf Führungsschienen gelagert und entlang der Führungsschienen in einer ersten horizontalen Richtung verfahrbar ist. Die Führungsschienen sind auf einer unteren Platte 13b montiert. Die untere Platte 13b ist in einer zweiten horizontalen Richtung verfahrbar. Infolgedessen kann die obere Platte 13a in zwei horizontalen und hier zueinander orthogonalen Raumrichtungen verfahren werden, um ein zu vermessendes Werkstück (hier nicht dargestellt), das auf der oberen Platte angeordnet ist, relativ zu einem Messkopf 14 zu positionieren.
Der Messkopf 14 ist an einer Säule 16 angeordnet, die hier ein stationärer Bestandteil eines Maschinengestells 18 ist. Der Messkopf 14 ist an der Säule 16 in nachfolgend näher erläuterter Weise vertikal verfahrbar. Insgesamt ist der Messkopf 14 daher entlang von drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen bzw. Bewegungsachsen relativ zu einem zu vermessenden Werkstück verfahrbar. Es sei angemerkt, dass dies ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist. Prinzipiell kann die vorliegende Erfindung auch bei Koordinatenmessgeräten verwendet werden, die lediglich ein oder zwei lineare Bewegungsachsen aufweisen. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf Koordinatenmessgeräte in Kreuztischbauweise beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung bei Koordinatenmessgeräten aller Art verwendet werden.
Der Messkopf 14 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel einen optischen Sensor 20 und einen taktilen Sensor mit einem Taststift 22. Dies macht es möglich, ein Werkstück wahlweise durch physisches Antasten oder berührungslos zu vermessen, wobei auch eine kombinierte Messung unter Verwendung beider Sensoren möglich ist.
Mit der Bezugsziffer 24 ist eine Maschinensteuerung bezeichnet, die sämtliche Bewegungen des Koordinatenmessgerätes 10 steuert, sei es in Reaktion auf Bedienereingaben, die von einem Bedienpult 25 erzeugt werden, oder in Abhängigkeit von einem vordefinierten Messprogramm, das in die Maschinensteuerung 24 geladen wird. Die Maschinensteuerung 24 nimmt auch die Messwerte der Sensoren 20, 22 auf, und sie bestimmt mithilfe von Linearmaßstäben (hier nicht dargestellt) in an sich bekannter Weise die Position des Messkopfes 14 relativ zu der Werkstückaufnahme 12.
2 zeigt anhand einer Prinzipskizze, wie der Messkopf 14 an der Säule 16 beweglich gelagert ist. Das Maschinengestell 18 beinhaltet einen Schlitten 26, an dem der Messkopf 14 in einer Weise, die nachfolgend noch näher erläutert ist, befestigt ist. Der Schlitten 26 ist an einer Führungsschiene 28 gelagert. Über einen hier nicht dargestellten Antrieb kann der Schlitten 26 entlang der Führungsschiene 28 verfahren werden. Die entsprechende Bewegungsachse ist in 2 bei der Bezugsziffer 30 angedeutet.
Im dargestellten Ausführungsbeispielen, in dem der Messkopf 14 entlang einer vertikalen Bewegungsachse 30 verfahren werden kann, ist der Schlitten 26 vorteilhaft über ein Seil 32 oder ein anderes seilartiges Zugelement, wie etwa eine Kette oder ein Zahnriemen, mit einem Gegengewicht 34 verbunden. Das Gegengewicht 34 ist hier innerhalb der Säule 16 angeordnet und an einer weiteren Führungsschiene 36 gelagert. Das Seil 32 ist über eine Rolle 38 geführt, so dass sich der Schlitten 26 mit dem Messkopf 14 und das Gegengewicht 34 gegenläufig zueinander entlang der Bewegungsachse 30 bewegen. Bevorzugt ist das Gegengewicht 34 genauso schwer (oder zumindest annähernd genauso schwer) wie der Schlitten 26 mit dem Messkopf 14. In diesem Fall muss der Antrieb lediglich die Trägheitskräfte von Messkopf 14, Schlitten 26 und Gegengewicht 34 überwinden, jedoch nicht gegen die Schwerkraft arbeiten. Prinzipiell kann die Kompensation der Schwerkraft in anderen Ausführungsbeispielen mithilfe einer Zug- oder Druckfeder oder auf andere Weise erfolgen. Darüber hinaus kann die Erfindung prinzipiell auch vorteilhaft verwendet werden, wenn ein Schlitten in einem Koordinatenmessgerät ohne Kompensation von Schwerkraft oder dergleichen mit einem Messkopf, der aus einem anderen Material als der Schlitten selbst hergestellt ist, verbunden werden muss.
3 zeigt einen Schlitten 26, wie er in bevorzugten Ausführungsbeispielen des Koordinatenmessgerätes 10 zur Anwendung kommen kann. Der Schlitten 26 besitzt hier einen weitgehend rechteckigen Grundkörper aus Aluminium, der entsprechend der schematischen Darstellung in 2 ”hochkant” an der Führungsschiene 28 (2) gelagert wird. Die entsprechenden Lager sind in 3 bei der Bezugsziffer 40 angedeutet.
Am unteren Ende (bezogen auf die typische Einbaulage im Koordinatenmessgerät 10) besitzt der Schlitten 26 in diesem Ausführungsbeispiel einen weitgehend dreieckigen Fortsatz, an dessen Spitze eine erste Planfläche 44 ausgebildet ist. Die Planfläche 44 bildet zusammen mit einer Gegenfläche 44' an einem nachfolgend noch erläuterten Verbindungselement 46 eine weitere Befestigungsstelle im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Am oberen Ende (bezogen auf die Einbaulage im Koordinatenmessgerät 10) besitzt der Schlitten 26 eine Planfläche 48, in der hier eine Bohrung 50 mündet. Die Planfläche 48 bildet zusammen mit einer Gegenfläche an einem nachfolgend noch erläuterten Grundträger 52 (4). eine erste Befestigungsstelle im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Wie man anhand 3 erkennen kann, ist die Planfläche 44 in der vorgesehenen Einbaulage des Schlittens 26 horizontal angeordnet, während die Planfläche 48 vertikal liegt. Daher spannen die Planflächen 44, 48 in diesem Ausführungsbeispiel zwei zueinander orthogonale Ebenen auf, was sich im Hinblick auf Stabilität und Positioniergenauigkeit als vorteilhaft erwiesen hat.
Wie man anhand 4 erkennen kann, ist der Grundträger 52 in dem hiesigen Ausführungsbeispiel eine weitgehend rechteckige Platte, die im Vergleich zu dem rechteckigen Grundkörper des Schlittens 26 deutlich schmaler und länger ist. Der Grundträger 52 ragt am oberen und unteren Ende über den Schlitten 26 hinaus. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Grundträger 52 aus Stahl hergestellt. Er ist insbesondere dazu ausgebildet, Führungsschienen aus Stahl zu halten, auf denen ein bewegliches optisches Element des optischen Sensors 20 beweglich gelagert ist (7).
In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist der Grundträger 52 eine Rahmenstruktur auf, wie man in der Darstellung der 5, die die Rückseite des Grundträgers 52 zeigt, erkennen kann. Die Rahmenstruktur besitzt Aussparungen und Streben. Dies dient zur Gewichtsreduzierung und Versteifung. Zur Befestigung an dem Schlitten 26 besitzt der Grundträger 52 eine Planfläche 48', in der eine Gewindebohrung 56 mündet. Die Planfläche 48' bildet zusammen mit der Planfläche 48 die erste Befestigungsstelle, an der der Grundträger 52 starr mit dem Schlitten 26 verschraubt werden kann.
Der Grundträger 52 besitzt ferner eine Planfläche 58 und eine Planfläche 60, in denen jeweils eine weitere Bohrung mündet. Die Planflächen 58, 60 bilden zusammen mit entsprechenden Gegenflächen 58', 60' am Verbindungselement 46 eine zweite Befestigungsstelle und eine dritte Befestigungsstelle. Das Verbindungselement 46 ”reduziert” die zweite und dritte Befestigungsstelle hier auf genau eine weitere Befestigungsstelle an der Planfläche 44'. Vorzugsweise sind der Schlitten 26, das Verbindungselement 46 und der Grundträger 52 an den jeweiligen Befestigungsstellen miteinander verschraubt.
Wie man anhand 5 erkennen kann, liegen die drei Planflächen 48', 58, 60 hier nahezu in einer gemeinsamen Ebene, die in der typischen Einbaulage am Koordinatenmessgerät 10 vertikal liegt. Das am Grundträger 52 angeschraubte Verbindungselement 46 stellt dann die horizontale Planfläche 44' bereit, auf der der Fortsatz 42 des Schlittens 26 abgestützt ist. Prinzipiell könnte die Einbaulage von Grundträger 52 und Schlitten 26 auch umgekehrt sein, so dass sich der Grundträger 52 über das Verbindungselement 46 von oben auf dem Fortsatz 42 des Schlittens 26 abstützt.
Wie in 6 angedeutet ist, definieren die erste Befestigungsstelle an den Planflächen 48, 48' und die weitere Befestigungsstelle an den Planflächen 44, 44' eine erste Verbindungslinie 64, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel vertikal verläuft. Die zweite und dritte Befestigungsstelle im Bereich der Planstellen 58/58' und 60/60' definieren eine zweite Verbindungslinie 66, die hier orthogonal zu der ersten Verbindungslinie 64 verläuft. Dabei liegen die zweite und die dritte Befestigungsstelle 58/58' und 60/60' wesentlich näher zusammen als die erste und die weitere Befestigungsstelle. Die erste, zweite und dritte Befestigungsstelle spannen ein gleichseitiges Dreieck auf, das hier symmetrisch einer Achse parallel zur Bewegungsachse 30 liegt. Das Verbindungselement „reduziert” die zweite und dritte Befestigungsstelle auf eine weitere Befestigungsstelle, die auf der Symmetrieachse des Dreiecks liegt.
Wie man in 3 und 6 weiterhin erkennen kann, besitzt das Verbindungselement 46 in diesem Ausführungsbeispiel einen weitgehend quaderförmigen Körper, in dem zwei annähernd ovale bzw. langlochartige Durchgangsöffnungen 70, 72 ausgebildet sind. Die Durchgangsöffnungen 70, 72 bilden jeweils ein Federparallelogramm aus, über das die Planfläche 58' bzw. die Planfläche 60' mit der Planfläche 44' für die weitere Befestigungsstelle verbunden sind. Die Federparallelogramme 70, 72 machen es möglich, dass sich die weitere Befestigungsstelle weitgehend geradlinig entlang der Verbindungslinie 64 und damit weitgehend orthogonal zu der Verbindungslinie 66 bewegen kann. Diese Bewegungsfreiheit ermöglicht den vorteilhaften Längenausgleich zwischen dem Schlitten 26 und dem Grundträger 52.
Wie bereits weiter oben angedeutet, besitzt das Koordinatenmessgerät 10 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen einen optischen Sensor 20 mit einer Anzahl von linear beweglichen optischen Elementen, die jeweils auf einer im Messkopf 14 angeordneten Führungsschiene gelagert sind. 7 zeigt einige wesentliche Teile des Sensors 20, insbesondere eine entlang der optischen Achse 74 des Sensors 20 linear verschiebbare Blende 76. Des Weiteren besitzt der Sensor eine entlang der optischen Achse 74 linear verschiebbare Linsengruppe 78. Weitere Linsengruppen sind hier mit den Bezugsziffern 80, 82 bezeichnet. Bezugsziffer 84 bezeichnet einen elektrischen Antrieb, über den die Blende 76 entlang der Führungsschiene 86 axial verfahren werden kann. Mit der Bezugsziffer 88 ist ein Referenzpunkt bezeichnet, der gewissermaßen einen ”Nullpunkt” des optischen Sensors 20 repräsentiert. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt der Referenzpunkt 88 im Bereich der ersten Befestigungsstelle 54. Die Führungsschiene 86 und weitere Teile des optischen Sensors 20 sind dementsprechend so auf dem Grundträger 52 montiert, dass der Referenzpunkt 88 auf Höhe der Planflächen 48, 48' zu liegen kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010017904 A1 [0002, 0004, 0005]
DE 10147614 A1 [0009]

Claims

Koordinatenmessgerät zum Vermessen von Werkstücken, mit einer Werkstückaufnahme (12) zum Aufnehmen eines Werkstücks, mit einem Messkopf (14), der relativ zu der Werkstückaufnahme (12) entlang von zumindest einer definierten Bewegungsachse (30) verfahrbar ist, und mit einem Maschinengestell (18) mit einem Schlitten (26), an dem der Messkopf (14) befestigt ist, wobei der Schlitten (26) an zumindest einer ersten Führungsschiene (28) beweglich gelagert ist, so dass er zusammen mit dem Messkopf (14) entlang der definierten Bewegungsachse (30) an dem Maschinengestell (18) verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (14) einen Grundträger (52) aufweist, der überwiegend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, wobei der Schlitten (26) überwiegend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, der von dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei der Grundträger (52) und der Schlitten (26) an einer ersten Befestigungsstelle (48') starr miteinander verbunden sind, und wobei der Grundträger (52) und der Schlitten (26) über ein flexibles Verbindungselement (46) an einer weiteren Befestigungsstelle (44') verbunden sind.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungselement (46) ein Koppelstück ist, das sowohl mit dem Grundträger (52) als auch mit dem Schlitten (26) lösbar verbunden ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungselement (46) eine zweite Befestigungsstelle (58'), eine dritte Befestigungsstelle (60') und die weitere Befestigungsstelle (44') aufweist, wobei die weitere Befestigungsstelle (44') relativ zu der zweiten und der dritten Befestigungsstelle (58', 60') beweglich ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Befestigungsstelle (44') eine definierte Position relativ zu der zweiten und dritten Befestigungsstelle (58', 60') aufweist, wobei die definierte Position unabhängig davon ist, ob das flexible Verbindungselement (46) an dem Grundträger (52) befestigt ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungselement (46) an der zweiten, dritten und weiteren Befestigungsstelle (58', 60', 44') jeweils starr mit dem Grundträger (52) bzw. mit dem Schlitten (26) verbunden ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Befestigungsstelle (58', 60') symmetrisch zu der weiteren Befestigungsstelle (44') angeordnet sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die weitere Befestigungsstelle (48', 44') eine erste Verbindungslinie (64) definieren und dass die zweite und die dritte Befestigungsstelle (58, 58'; 60, 60') eine zweite Verbindungslinie (66) definieren, die quer, vorzugsweise orthogonal, zu der ersten Verbindungslinie (64) verläuft.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Befestigungsstelle (58', 60') näher zusammen liegen als die erste und die weitere Befestigungsstelle (48'; 44').
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungselement (46) zumindest ein Federparallelogramm (72) aufweist, über das die zweite Befestigungsstelle (58') und die weitere Befestigungsstelle (44') miteinander verbunden sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungselement (46) überwiegend aus dem ersten Material hergestellt ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (14) zumindest ein linear bewegliches Element (76), insbesondere ein linear bewegliches optisches Element, und zumindest eine zweite Führungsschiene (86) aufweist, auf der das linear bewegliche Element (76) linear beweglich gelagert ist, wobei die zweite Führungsschiene (86) überwiegend aus einem Material mit dem ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (14) einen internen Referenzpunkt (88) definiert, wobei die erste Befestigungsstelle (48') im Bereich des internen Referenzpunktes (88) angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Gegengewicht (34), das mit dem Schlitten (26) über ein seilartiges Zugelement (32) verbunden ist.