DE102017103938A1

DE102017103938A1 - Vorrichtung zum Messen der Rauheit einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102017103938A1
Application number: DE102017103938.4A
Authority: DE
Inventors: Kurt Brenner; Philipp Mayinger; Walter Jenisch; Anton Fuchs; Kai Bartel
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US10794678B2; US20180245905A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche (62) eines Werkstücks (18) hat einen mehrgliedrigen gelenkigen Arm (40) und einen vom dem Arm getragenen Rauheitssensor (44, 44'). Der Rauheitssensor hat ein entlang einer Vorschubrichtung (V) linear verfahrbares und entlang einer Auslenkrichtung (D) elastisch auslenkbares Abtastelement (60). Der Arm weist ein Kupplungsglied (45) auf, das dazu eingerichtet ist, den Arm mit einem beweglichen Träger (36) einer Koordinatenmessmaschine (10) oder eines Roboters zu verbinden. Ferner umfasst der Arm (40) einen ersten Armabschnitt (G1), der relativ zu dem Kupplungsglied um eine erste Drehachse (A1) mit Hilfe eines ersten Antriebs (M1) drehbar und vorzugsweise unterhalb des Kupplungsglieds angeordnet ist. Ein zweiter Armabschnitt (G2) ist relativ zu dem ersten Armabschnitt um eine zweite Drehachse (A1) mit Hilfe eines zweiten Antriebs (M2) drehbar. Der Arm weist außerdem einen dritten Armabschnitt (G3) auf, der relativ zu dem zweiten Armabschnitt um eine dritte Drehachse (A3) mit Hilfe eines dritten Antriebs (M3) drehbar ist. An dem dritten Armabschnitt ist der Rauheitssensor befestigt. Der zweite Armabschnitt ist zwischen dem ersten und dem dritten Armabschnitt angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Auslenkrichtung (D) parallel zur dritten Drehachse (A3) angeordnet, und zwar dauerhaft und damit auch während das Abtastelement linear entlang der Vorschubrichtung verfahren wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Rauheit einer Werkstückoberfläche, die einen mehrgliedrigen gelenkigen Arm, der an einem beweglichen Träger einer Koordinatenmessmaschine befestigt werden kann, und einen von dem Arm getragenen Rauheitssensor umfasst.
Beschreibung des Standes der Technik
Zu Messungen der Rauheit von Werkstückoberflächen werden Rauheitssensoren eingesetzt, die häufig an Koordinatenmessgeräten (CMM, coordinate measuring machine) befestigt werden. Derartige Koordinatenmessgeräte umfassen üblicherweise einen Tisch, der das zu vermessende Werkstück trägt, und eine Positioniereinrichtung, mit der sich der Rauheitssensor in drei orthogonalen Verfahrrichtungen x, y und z relativ zu dem Tisch mit hoher Genauigkeit verfahren lässt. Bekannt sind jedoch auch Koordinatenmessgeräte mit einem Verfahrtisch, der sich relativ zur feststehenden Messvorrichtung bewegt.
Ferner weisen Koordinatenmessgeräte eine Auswerte- und Steuereinrichtung auf, welche die Bewegungen der Positioniereinrichtung steuert und die von dem Rauheitssensor gelieferten Messwerte auswertet.
Bei dem Rauheitssensor handelt es sich meist um ein sogenanntes Tastschnittgerät. Dieses weist einen beweglich gelagerten Messarm auf, an dessen Ende ein Abtastelement, z. B. eine Diamantnadel, befestigt ist, das während der Messung durch den Kontakt mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt wird. Das Abtastelement wird senkrecht zur Auslenkrichtung des Abtastelements mit Hilfe eines Linearantriebs entlang einer Vorschubrichtung verfahren und auf diese Weise über die zu vermessende Werkstückoberfläche geführt.
In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsbereich derartiger Messvorrichtungen zunehmend erweitert. In modernen Produktionsabläufen müssen die Werkstücke häufig mit so geringen Toleranzen gefertigt werden, dass eine laufende Prozessüberwachung unverzichtbar ist. Dies bedingt wiederum eine weitgehende Automatisierung der Mesungen.
Zudem stellt sich immer häufiger das Problem, dass die Werkstücke, deren Oberflächen automatisiert vermessen werden sollen, sehr komplexe Formen haben. Ein Motorblock eines Verbrennungsmotors beispielsweise weist eine Vielzahl von Bohrungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern, zahlreiche Hinterschneidungen und unregelmäßig Ausnehmungen auf, an denen es zu vermessende Oberflächen gibt. Herkömmliche Koordinatenmessgeräte mit ihren meist sehr voluminösen Positioniereinrichtungen sind häufig nicht in der Lage, ein Tastschnittgerät oder einen anderen Sensor so in den Öffnungen oder Ausnehmungen eines Motorblocks zu positionieren, dass eine Rauheitsmessung durchgeführt werden kann.
Moderne Messvorrichtungen für Koordinatenmessgeräte weisen deswegen gelegentlich einen beweglichen und vergleichsweise schlank gebauten Arm auf, der den Rauheitssensor trägt. Der Arm verfügt über mehrere rotatorische Freiheitsgrade und kann somit den Rauheitssensor mit Hilfe von geeigneten Antrieben in praktisch jede beliebige Pose relativ zu dem Werkstück bringen.
Die EP 2 207 006 A2 beschreibt einen Arm, der zwei orthogonale Drehachsen hat. Außerdem ist der an dem Arm befestigte Messarm des Rauheitstasters noch um seine Längsachse drehbar, so dass insgesamt drei rotatorische Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, um den Messarm optimal zu positionieren.
Ein Arm mit drei Drehachsen ist aus der DE 20 2014 101 900 U1 bekannt. Das Rauheitsmessgerät, welches den Rauheitstaster und den Linearantrieb für dessen Vorschub umfasst, ist über eine Kupplung mit dem Arm verbunden, so dass es leicht gegen ein anderes Rauheitsmessgerät ausgetauscht werden kann. Die Auslenkrichtung des Abtastelements verläuft bei dieser bekannten Messvorrichtung während des linearen Vorschubs senkrecht zur dritten Drehachse.
Derartige Messvorrichtungen werden inzwischen nicht nur an den Positioniereinrichtungen von Koordinatenmessgeräten befestigt, sondern auch an den beweglichen Armen von Präzisionsrobotern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Messgenauigkeit von Messvorrichtungen zum Vermessen einer Oberfläche eines Werkstücks zu erhöhen, die einen mehrgliedrigen gelenkigen Arm und einen vom dem Arm getragenen Rauheitssensor umfassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche eines Werkstücks gelöst, die einen mehrgliedrigen gelenkigen Arm und einen vom dem Arm getragenen Rauheitssensor umfasst. Der Rauheitssensor hat ein entlang einer Vorschubrichtung linear verfahrbares und entlang einer Auslenkrichtung elastisch auslenkbares Abtastelement. Der Arm weist ein Kupplungsglied auf, das dazu eingerichtet ist, den Arm mit einem beweglichen Träger einer Koordinatenmessmaschine oder eines Roboters zu verbinden. Ferner umfasst der Arm einen ersten Armabschnitt, der relativ zu dem Kupplungsglied um eine erste Drehachse mit Hilfe eines ersten Antriebs drehbar und vorzugsweise unterhalb des Kupplungsglieds angeordnet ist. Ein zweiter Armabschnitt ist relativ zu dem ersten Armabschnitt um eine zweite Drehachse mit Hilfe eines zweiten Antriebs drehbar. Der Arm weist außerdem einen dritten Armabschnitt auf, der relativ zu dem zweiten Armabschnitt um eine dritte Drehachse mit Hilfe eines dritten Antriebs drehbar ist. An dem dritten Armabschnitt ist der Rauheitssensor befestigt. Der zweite Armabschnitt ist zwischen dem ersten und dem dritten Armabschnitt angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Auslenkrichtung parallel zur dritten Drehachse angeordnet, und zwar dauerhaft und damit auch während das Abtastelement linear entlang der Vorschubrichtung verfahren wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass vor allem im Moment des Antastens, d. h. wenn der Rauheitssensor zu Beginn eines Messvorgangs in Richtung der Oberfläche des Werkstücks verfahren wird und erstmalig die Oberfläche berührt, auf den Arm der Messvorrichtung größere Kräfte parallel zur Auslenkrichtung einwirken. Da die Auslenkrichtung erfindungsgemäß parallel zur dritten Drehachse angeordnet ist, können diese Kräfte jedoch nicht zu einer Drehung des dritten Armabschnitts relativ zu dem zweiten Armabschnitt führen, weil eine solche achsparallele Kraft kein Drehmoment ausübt. Ein Drehmoment kann allenfalls auf den zweiten oder den ersten Armabschnitt ausgeübt werden. Diese Armabschnitte sind jedoch in aller Regel wesentlich massiver ausgeführt als der dritte Armabschnitt, der sich in unmittelbarer Nähe zum Werkstück befindet. Die Abmessungen der Armabschnitte sind nämlich in der Regel umso kleiner, je näher sie sich am Abtastelement befinden. Nur dann, wenn der dritte Armabschnitt schlanke Abmessungen hat, kann er den Rauheitssensor in enge und verwinkelte Regionen eines Werkstücks führen und dort das Abtastelement geeignet über der zu vermessenden Oberfläche positionieren.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Auslenkrichtung parallel zur dritten Drehachse kann es somit vor allem beim Antasten einer Oberfläche nicht zu einer ungewollten Drehung um die dritte Drehachse kommen. Das Abtastelement bleibt dadurch optimal in der gewünschten Pose gegenüber dem Werkstück positioniert, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Infolge der erhöhten Steifigkeit bezüglich der dritten Drehachse wird auch die Anfälligkeit gegenüber Schwingungen reduziert, wie sie z. B. vom Boden ausgehen können, der das Koordinatenmessgerät oder den Roboter trägt.
Entsprechendes gilt natürlich auch für den eigentlichen Messvorgang, während dem das Abtastelement entlang der Vorschubrichtung mit einem vorgegebenen Mindestdruck über das Werkstück geführt wird. Allerdings sind die dabei auf den Rauheitssensor wirkenden Kräfte entlang der Auslenkrichtung deutlich kleiner als die Kräfte, die im Moment des Antastens wirken.
Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Antrieb des Arms als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Diese Motoren haben ein hohes Drehmoment und einen geringen Stromverbrauch und weisen eine gute elektromagnetische Verträglichkeit auf.
Günstig ist es außerdem, wenn zur Übertragung von Mess-, Regel- und/oder Steuersignalen zwischen den Gliedern des Arms Flexleiterplatten verwendet werden. Die elektronische Bauteile tragenden Flexleiterplatten sind sehr flexibel und schränken dadurch die Drehwinkel bezüglich der Drehachsen nicht ein. Um Drehungwinkel bis zu 360° zu gewährleisten, können die Flexleiterplatten auf Kabelwicklern aufgewickelt werden. Über die Anzahl der Wicklungen kann der maximale Drehwinkel flexibel eingestellt werden. Somit gibt es keine Schleifkontakte oder andere Schnittstellen, die bei einer Übertragung von Analogsignalen problematisch sind, sich abnutzen können und überdies auch im Hinblick auf ESD (engl. electrostatic discharge) nachteilig sind.
Zur elektronenmagnetischen Abschirmung können die Flexleiterplatten einseitig mit einer Metallschicht versehen sein.
Anstelle der Flexleiterplatten können aber auch Lichtwellenleiter zur Übertragung der Messsignale verwendet werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten erfindungsemäßen Messvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung;
2 die in der 1 gezeigte Messvorrichtung in vergrößerter Darstellung;
3 ein Rauheitssensor, der Teil des erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist;
4-6 ein Modell der in den 1 und 2 gezeigten Messvorrichtung in unterschiedlichen Konfigurationen des Messarms.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Koordinatenmessgerät
Die 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät in einer perspektivischen Darstellung. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines zu Werkstücks 18, dessen Oberfläche vermessen werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Messung um eine ortsaufgelöste Rauheitsmessung.
Der Tisch 12 trägt eine Positioniereinrichtung 20, mit der sich eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 22 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Positioniereinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden x-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d. h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden y-Richtung, motorisch verfahren werden kann, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. In einer vertikal ausgerichteten Aufnahme 34 des Auslegers 32 ist ein Messträger 36 aufgenommen und entlang der vertikal verlaufenden z-Richtung motorisch verfahrbar.
An dem Messträger 36 ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung 22 so mit Hilfe einer Automatikkupplung befestigt, dass sie automatisch gegen andere anders aufgebaute Messvorrichtungen ausgetauscht werden kann. Üblicherweise legt die Positioneriereinrichtung 20 die Messvorrichtung 22 dazu in einer Halterung (nicht gezeigt) am Rand des Tisches 12 ab und fährt dann eine andere in der Halterung aufgenomme Messvorrichtung so an, dass die automatische Kupplung aktiviert wird. Die Kupplung umfasst zu diesem Zweck eine Dreipunktlagerung und einen Elektromagenten, der automatisch nach Erkennen eines an einem Kupplungsteller der Messvorrichtung 22 angebrachten ID-Chips angeschaltet wird. Die Automatikkupplung kann neben einer mechanischen Verbindung auch eine Kommunikationsverbindung herstellen, damit zwischen der Messvorrichtung 22 und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 Steuer- und Messdaten ausgetauscht werden können. Alternativ hierzu kann diese Kommunikation jedoch auch über eine Funkschnittstelle erfolgen.
Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den x-, y- und z-Achse erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 1 m³, so dass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in der 1 dargestellt ist.
Die Positioniereinrichtung 20 verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Automatikkupplung, an der die Messvorrichtung 22 befestigt ist und die im Wesentlichen dem Tool Center Point (TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Positioniereinrichtung 20 und wertet die von der Messvorrichtung 22 übergebenen Messwerte aus. Die Auswertung umfasst auch die rechnerische Korrektur der von der Messvorrichtung 22 gelieferten Messwerte. Damit können statische und dynamische Einflüsse der Positioniereinrichtung 20, thermische Verformungen des Tisches 12, aber auch die durch Antastkräfte bedingte Biegung taktiler Taster berücksichtigt werden.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 22 näher erläutert.
Aufbau der Messvorrichtung
Die Messvorrichtung 22 besteht im Wesentlichen aus einem Arm 40, der mehrere beweglich miteinander verbundene Glieder umfasst, und aus einem an einem Ende des Arms 40 befestigten Rauheitssensor 44. Das in der 2 oben dargestellte Glied des Arms 40 wird im Folgenden als Kupplungsglied 45 bezeichnet und ist dazu vorgesehen, den Arm 40 mit dem entsprechenden Gegenstück der Automatikkupplung am Messträger 36 des Portals 24 zu verbinden.
Der Arm 40 hat einen ersten Armabschnitt G1, der unterhalb des Kupplungsglieds 45 angeordnet ist. Der erste Armabschnitt G1 ist relativ zu dem Kupplungsglied 45 um eine erste Drehachse A1 drehbar und verfügt zu diesem Zweck über einen ersten Antrieb, der in der 2 nur schematisch angedeutet und mit M1 bezeichnet ist. Ein zweiter Armabschnitt G2 ist relativ zu dem ersten Armabschnitt G1 um eine zweite Drehachse A2 mithilfe eines zweiten Antriebs M2 drehbar, wobei die zweite Drehachse A2 senkrecht zur ersten Drehachse A1 verläuft. Ein dritter Armabschnitt G3 ist relativ zu dem zweiten Armabschnitt G2 mithilfe eines dritten Antriebs M3 drehbar, und zwar um eine dritte Drehachse A3, die zur zweiten Drehachse A2 senkrecht verläuft. Der Arm 40 ist dabei so ausgelegt, dass die zweite Drehachse A2 sowohl die erste Drehachse A1 als auch die zweite Drehachse A3 schneidet.
Zur Übertragung der Mess-, Regel- und Steuersignale zwischen den zueinander beweglichen Gliedern des Arms 40 werden vorzugsweise dünne Flexleiterplatten (FPC, Flexible Printed Circuit) verwendet, die elektronische Bauteile tragen und sehr flexibel sind. Dadurch benötigen sie zum einen nur wenig Bauraum. Zum anderen schränken sie die Drehwinkel bezüglich der Achsen A1, A2, A3 nicht ein. Zur elektromagnetischen Abschirmung können die Flexleiterplatten einseitig mit mindestens einer Metallschicht versehen sein.
Am dritten Armabschnitt G3 ist der Rauheitssensor 44 befestigt. Dieser umfasst eine sich radial vom dritten Armabschnitt G3 nach außen erstreckende Vorschubeinheit 52, die eine Antriebseinheit 54 und ein Befestigungselement 56 umfasst. Das Befestigungselement 56 ist linear entlang einer Vorschubrichtung V relativ zu der Antriebseinheit 54 mit Hilfe eines Antriebs M4 verfahrbar, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Vorschubrichtung V verläuft dabei senkrecht zur dritten Drehachse A3 und wird mit dieser mitgedreht.
An dem Befestigungselement 56 ist ein als Tastschnittgerät ausgebildeter Rauheitstaster 58 befestigt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen röhrenförmiges Gehäuse 59 mit einem gestuften Durchmesser hat. An seinem freien Ende ragt aus einer Öffnung des Gehäuses 59 ein taktiles Abtastelement 60 hervor, das am Ende eines drehbar gelagerten oder verbiegbaren Messarms befestigt ist und bei dem es sich z. B. um eine Diamantnadel handeln kann. Vom Rauheitstaster 58 erfasst werden Auslenkungen des Abtastelements 60 entlang einer Auslenkrichtung D. Der Rauheitstaster 58 ist so an dem Befestigungselement 56 der Vorschubeinheit 52 befestigt, dass die Auslenkrichtung D parallel zur dritten Drehachse A3 angeordnet ist.
Unmittelbar neben dem Abtastelement 60 befindet sich eine Kufe 61, die im Gegensatz zum Abtastelement nicht auslenkbar ist, sondern fest mit dem Gehäuse 59 des Rauheitstasters 58 verbunden ist und dessen Vorschubbewegung mitvollzieht. Während der Messungen liegt die Kufe 61 am Werkstück an und verhindert, dass der Rauheitstaster 58 während der Messungen schwingt. Ausschläge des Abtastelements 60 entlang der Auslenkrichtung D entsprechen dadurch Wegdifferenzen zum distalen Ende der Kufe 61, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Die Motoren M1, M2, M3 und M4 sind vorzugsweise Gleichstrommotoren, die auch bürstenlos (Brushless DC Motor, BLDC) und mit einem Getriebe ausgestattet sein können, oder Schrittmotoren, die als Reluktanz-, Permanentmagnet- oder Lavet-Schrittmotoren mit einer möglichst kleinen Schrittweite, idealerweise < 0.1° aufgeführt sein können. Durch die Verwendung von mehreren Potentiometern in jeder Achse kann der jeder Achse zugeordnete Winkelbereich auch größer als 360° sein.
Die 3 zeigt einen anderen für die Messvorrichtung 22 geeigneten und mit 44' bezeichneten Rauheitssensor in einer teilgeschnittenen Seitenansicht. Bei dem Rauheitssensor 44' ist die Kufe 61 nicht am beweglichen Gehäuse 59 befestigt, sondern am Ende eines Bügels 64 ausgebildet, der an der Antriebseinheit 54 der Vorschubeinheit 52 befestigt ist. Während des Vorschubs des Rauheitstasters 58 entlang der Vorschubrichtung V bewegt sich die Kufe 61 daher nicht mit. Beim Antasten einer Oberfläche wirken die Antastkräfte entlang der Auslenkrichtung D somit primär nicht auf den Rauheitstaster 58, sondern den Bügel 64 ein.
In der 3 ist außerdem erkennbar, dass das Abtastelement 60 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel am Ende eines gewinkelten Messarms 66 befestigt ist, der um eine Drehachse 68 drehbar ist. Die Drehung des Messarms wird von einem Messsystem 70 erfasst. Auf der Grundlage des vom dem Messsystem 70 erzeugten Signals wird die Auslenkung des Abtastelements 60 entlang der Auslenkrichtung D berechnet.
Die relative Anordnung der vorstehend erwähnten Drehachsen A1, A2, A3, der Vorschubrichtung V und der Auslenkrichtung D ist in der 4 ohne die Abschnitte G1, G2, G3 des Arms 40 dargestellt. In dieser modellhaften Darstellung sind zusätzlich mehrere Koordinatensysteme eingezeichnet. Ein Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X₀, Y₀ und Z₀ ist dem Kupplungsglied 45 zugeordnet, das starr an den Messträger 34 der Positioniereinrichtung 20 angekuppelt ist. Weitere Koordinatensysteme sind für die Armabschnitt G1, G2, G3 eingezeichnet. Der erste Armabschnitt G1 hat dabei das Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A1, Y_A1 und Z_A1, das sich um die erste Drehachse A1 bezüglich des Koordinatensystems X₀, Y₀ und Z₀ dreht, wenn der Antrieb M1 entsprechend angesteuert wird. Entsprechend dreht das dem zweiten Armabschnitt G2 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A2, Y_A2 und Z_A2 mit der zweiten Drehachse A2 und das dem dritten Armabschnitt G3 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A3, Y_A3 und Z_A3 mit der dritten Drehachse A3 mit. Die Vorschubeinheit 52 hat nur einen linearen Freiheitsgrad entlang der Vorschubrichtung V. Wie oben bereits erwähnt, dreht sich die Vorschubrichtung V bei einer Drehung des dritten Armabschnitts G3 um die dritte Drehachse A3 mit. Senkrecht zur Vorschubrichtung V und parallel zur dritten Drehachse A3 verläuft die Auslenkrichtung D. Der Arm 40 muss von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 so angesteuert werden, dass die Auslenkrichtung D stets zumindest im Wesentlichen senkrecht auf einer zu vermessenden Oberfläche 62 des Werkstücks 18 steht.
Funktion
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 gibt vor, welche Bereiche der Oberfläche 62 des Werkstücks 18 von dem Rauheitssensor 44, 44' abgetastet werden sollen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 berechnet dann auf der Grundlage an sich bekannter Algorithmen, wie die Positioniereinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 und die Motoren M1 bis M3 der Messvorrichtung 22 angesteuert werden müssen, damit der Rauheitssensor 44, 44' so der Oberfläche 62 zugestellt werden kann, dass eine Rauheitsmessung durchgeführt werden kann. Falls das Werkstück 18 den direkten Weg zu der gewünschten Endpose versperrt, müssen die Algorithmen Umgehungswege festlegen, die sicherstellen, dass keine Teile des Koordinatenmessgeräts 10 und der daran befestigten Messvorrichtung 22 das Werkstück 18 berühren. Vor allem wenn die zu vermessenden Oberflächen sich in Bohrungen oder tiefen Ausnehmungen des Werkstücks 18 befinden, muss zu jedem Zeitpunkt die Pose aller Teile der Messvorrichtung 22 exakt bekannt sein, damit es nicht zu Kollisionen kommt, die einen Abbruch des Messvorgangs nach sich ziehen können.
Da der Arm 40 über drei Drehachsen verfügt, lässt sich der Rauheitssensor 44, 44' grundsätzlich in jede beliebige Pose überführen. Dass bei bestimmten Werkstücken 18 nicht jede beliebige Oberfläche vom Rauheitssensor 44, 44' erreicht werden kann, hängt mit den vorstehend geschilderten Einschränkungen der Verfahrwege und natürlich auch damit zusammen, dass die Abmessungen der einzelnen Teile der Messvorrichtung 22 es unter Umständen nicht erlauben, das Abtastelement 60 an jeder beliebigen Stelle gegenüber einem Werkstück 18 zu positionieren.
Die 5 zeigt in einer an die 4 angelehnten modellhaften Darstellung den Arm 40 der Messvorrichtung 22, der eine Oberfläche 62 an einem gewinkelten Werkstück 18 antastet. In der dargestellten Position befinden sich alle Drehachsen A1, A2, A3 des Arms 40 in einer gemeinsamen Ebene.
Beim Antasten, d. h. wenn die Kufe 61 und das Abtastelement 60 des Rauheitssensors 44, 44' erstmals auf die horizontale und nach unten weisende Oberfläche 62 des Werkstücks 18 auftreffen, wirkt eine Kraft auf den Arm 44, die parallel zur dritten Drehachse A3 verläuft. Da die dritte Drehachse A3 in der dargestellten Position parallel zur ersten Drehachse A1 verläuft, kann diese Kraft kein Drehmoment auf irgendeine der drei Achsen A1, A2, A3 ausüben. Beim Antasten kann es somit nicht zu einer ungewollten Verstellung des Arms 40 und damit zu einer Positionsveränderung des Rauheitssensors 44, 44' kommen.
Nach dem Antasten wird die Vorschubeinheit 52 betätigt, wodurch das Abtastelement 60 entlang der Verfahrrichtung V verfahren wird. Der Rauheitssensor 44, 44' misst dann entlang einer Linie, die entlang der Vorschubrichtung V verläuft, die Rauheit der Oberfläche 62. Eine so orientierte Messlinie ist deswegen günstig, weil die nach unten weisende horizontale Oberfläche 62 des Werkstücks 18 nur entlang der z-Richtung durch Läppen oder ein anderes spanendes Fertigungsverfahren bearbeitet werden kann. Die Messrichtung sollte daher möglichst senkrecht zur Bearbeitungsrichtung und damit parallel zur Y-Richtung ausgerichtet sein.
Bei der in der 6 gezeigten Stellung des Arms 40 wird die nach rechts weisende und vertikal ausgerichtete Oberfläche 62 des Werkstücks 18 mit Hilfe des Rauheitssensors 44, 44' vermessen. Auch hier verläuft die Vorschubrichtung V senkrecht zur Bearbeitungsrichtung der Oberfläche 62 und damit in x-Richtung.
Der Arm 40 ist so abgewinkelt, dass keine der Drehachsen A1, A2, A3 parallel zu einer anderen Drehachse steht. Wenn beim Antasten entlang der Auslenkrichtung D eine Kraft auf den Arm 40 ausgeübt wird, erzeugt diese lediglich ein Drehmoment bezüglich der ersten Drehachse A1. Wie in der 2 erkennbar ist, wird dieses Drehgelenk durch das Kupplungsglied 45 und das erste Glied G1 gebildet. Es handelt sich dabei um vergleichsweise massiv und stabil ausgebildete Baugruppen, die das beim Antasten erzeugte Drehmoment leicht aufnehmen können, ohne dass es zu einer ungewollten Drehung um die erste Drehachse A1 kommt.
Auch die Glieder G1 und G2, die sich relativ zueinander um die zweite Drehachse G2 drehen können, nehmen beim Antasten erzeugte Drehmomente leichter auf als das schlankere Glied G3, das sich um die dritte Drehachse A3 drehen kann.
Beim Antasten können jedoch nie Drehmomente um die dritte Drehachse A3 auftreten, da die Auslenkrichtung D stets, und zwar auch während der Vorschubbewegung entlang der Vorschubrichtung V, parallel zur dritten Drehachse A3 ausgerichtet ist. Sofern es beim Antasten zu größeren Drehmomenten kommt, können diese allenfalls auf die zweite oder dritte Drehachse A2 bzw. A3 einwirken. Da die entsprechenden Drehgelenke massiver aufgebaut sind, führen solche Drehmomente nicht oder in einem geringeren Umfang zu unerwünschten Drehungen des Arms 40, als wenn das Drehmoment auf die dritte Drehachse A3 einwirken würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2207006 A2 [0008]
DE 202014101900 U1 [0009]

Claims

Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche (629 eines Werkstücks (18), mit einem mehrgliedrigen gelenkigen Arm (40) und einem von dem Arm getragenen Rauheitssensor (44; 44'), der ein entlang einer Vorschubrichtung (V) linear verfahrbares und entlang einer Auslenkrichtung (D) elastisch auslenkbares Abtastelement (60) hat, wobei der Arm (40) aufweist: a) ein Kupplungsglied (45), das dazu eingerichtet ist, den Arm (40) mit einem beweglichen Träger (36) einer Koordinatenmessmaschine (10) oder eines Roboters zu verbinden, b) einen ersten Armabschnitt (G1), der relativ zu dem Kupplungsglied (45) um eine erste Drehachse (A1) mithilfe eines ersten Antriebs (M1) drehbar angeordnet ist, c) einen zweiten Armabschnitt (G2), der relativ zu dem ersten Armabschnitt (G1) um eine zweite Drehachse (A2) mithilfe eines zweiten Antriebs (M2) drehbar ist, d) einen dritten Armabschnitt (G3), der relativ zu dem zweiten Armabschnitt (G2) um eine dritte Drehachse (A3) mithilfe eines dritten Antriebs drehbar ist und an dem der Rauheitssensor (44, 44') befestigt ist, wobei der zweite Armabschnitt (G2) zwischen dem ersten Armabschnitt (G1) und dem dritten Armabschnitt (G3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkrichtung (D) parallel zur dritten Drehachse (A3) angeordnet ist, während das Abtastelement (60) linear entlang der Vorschubrichtung (V) verfahren wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung von Mess-, Regel- und/oder Steuersignalen zwischen den Gliedern (G1, G2, G3) des Arms (40) Flexleiterplatten verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexleiterplatten zur Sicherstellung einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit einseitig mit einer Metallschicht versehen sind.