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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System zum Messen der Rauheit einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem taktilen Rauheitssensor. Im Vordergrund stehen dabei Rauheitsmessungen an größeren Werkstücken wie beispielsweise Motorblöcken.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Zum Messen der Rauheit von Werkstückoberflächen werden Rauheitssensoren eingesetzt, bei denen es sich meist um Tastschnittgeräte handelt. Ein Tastschnittgerät hat einen beweglich gelagerten Messarm, an dessen Ende ein Abtastelement, z. B. eine Diamantnadel, befestigt ist. Während der Messung liegt das Abtastelement mit einer vorgegebenen Tastkraft an der Werkstückoberfläche an und wird durch Strukturen auf der Werkstückoberfläche ausgelenkt. Die Auslenkung des Messarms, die senkrecht zur Werkstückoberfläche erfolgen soll, wird von einem Wandler erfasst, der elektrische Messsignale erzeugt. Zu diesem Zweck kann der Wandler z. B. ein piezoelektrisches Element enthalten. Der Messarm mit dem Abtastelement wird im Verlauf der Messung mit Hilfe einer Vorschubeiheit parallel zur Werkstückoberfläche geführt, wodurch man ein linienförmiges Rauheitsprofil der Werkstückoberfläche erhält. Bekannt sind jedoch auch berührungslos arbeitende Rauheitstaster, die besonders für die Rauheitsmessung an sehr weichen Werkstücken verwendet werden. Optische Taster können beispielsweise als Autofokussensoren oder konfokale Weißlichtsensoren ausgebildet sein.
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Im Stand der Technik unterscheidet man zwischen Tastschnittgeräten mit und ohne Kufen. Bei Tastschnittgeräten ohne Kufen berührt ausschließlich das Tastelement die zu vermessende Oberfläche. Dadurch erfasst der vom Abtastelement ausgelenkte Messarm nicht nur die feine Rillen und Riefen, sondern auch Welligkeiten und Formabweichungen der Werkstückoberfläche, denen sich die Rillen und Riefen überlagern.
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Falls der Rauheitssensor Welligkeiten und Formabweichungen nicht erfassen soll, kann ein Rauheitssensor mit einer Kufe verwendet werden. Die Kufe ist gemeinsam mit dem Messarm auslenkbar an der Vorschubeinheit befestigt und so breit, dass sie nicht durch die Rillen oder Riefen, sondern nur durch Welligkeiten oder Formabweichungen ausgelenkt wird. Da sich die Aufhängung des Messarms gemeinsam mit der Kufe bewegt, wird das Abtastelement nur durch die feinen Rillen und Riefen, nicht aber durch Welligkeiten oder Formabweichungen ausgelenk. Die Kufe erzeugt dadurch die Wirkung eines Tiefpasses, da nur die Oberflächenabweichungen mit hoher Ortsfrequenz erfasst werden.
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Rauheitssensoren können in kleine handgeführte Rauheitsmessgeräte integriert sein, mit denen sich in Laboren oder Werkstätten zügig Messungen mit akzeptabler Genauigkeit durchführen lassen. Eine höhere Messgenauigkeit ermöglichen Tischgeräte, bei denen der Rauheitssensor an einem verfahrbaren Ständer befestigt ist. Ein Beispiel für ein solches Tischgerät ist in der
EP 2 515 069 A2 beschrieben. Der auslenkbare Messarm ist dort austauschbar an einer Halterung befestigt, die ihrerseits an einen linear beweglichen Schlitten einer Vorschubeinheit angehängt ist.
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Außerdem gibt es große Messsysteme, bei denen der Rauheitssensor an einem Koordinatenmessgerät (CMM, coordinate measuring machine) befestigt wird. 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 ferner 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.
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In den letzten Jahren haben sich die Anforderungen bei der Rauheitsmessung zunehmend erhöht. So müssen beispielsweise in modernen Produktionsabläufen die Werkstücke häufig mit so geringen Toleranzen gefertigt werden, dass eine laufende Prozessüberwachung erforderlich wird. Die Rauheitsmessung findet dann nicht mehr in einem Labor oder in speziell dafür eingerichteten Prüfplätzen statt, sondern muss in den Produktionsablauf integriert werden.
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Außerdem stellt sich immer häufiger das Problem, dass die Werkstücke, deren Oberflächen automatisiert vermessen werden sollen, groß sind und komplexe Formen haben. Ein Motorblock eines Verbrennungsmotors beispielsweise weist eine Vielzahl von Bohrungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern, zahlreiche Hinterschneidungen und unregelmäßige Ausnehmungen auf, an denen es zu vermessende Oberflächen gibt. Weder die oben erwähnten handgeführten Rauheitsmessgeräte noch die Tischgeräte mit Ständer sind für derartige Messaufgaben im laufenden Prozessbetrieb geeignet.
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Für eine Prozessüberwachung besser geeignet sind die großen Messsysteme, bei denen der Rauheitssensor an einem Koordinatenmessgerät befestigt ist. Bei bestimmten Werkstücken ist es für die meist sehr voluminösen Positioniereinrichtungen der Koordinatengessgeräte aber manchmal schwierig, den Rauheitssensor so in den Öffnungen oder Ausnehmungen eines Motorblocks oder eines ähnlich komplexen Werkstücks zu positionieren, dass eine Rauheitsmessung durchgeführt werden kann. Moderne Rauheits-Messsysteme weisen deswegen gelegentlich einen beweglichen und vergleichsweise schlank gebauten Arm auf, der an dem Koordinatenmessgerät befestigt wird und 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. Bekannte Messsysteme dieser Art sind in der
DE 20 2014 101 900 U1 und der
EP 2 207 006 A2 beschrieben.
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Allerdings lassen sich selbst große und teure Messsysteme mit Koordinatenmessgeräten in der Regel nicht ohne weiteres an unterschiedliche Messaufgaben anpassen. Solche Anpassungen erfordern meist einen Wechsel bestimmter Komponenten des Rauheitssensors. Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Rauheitssensoren mit auswechselbaren Messarmen zu verwenden. Viele Messarme haben eine im Wesentlichen L-förmige Geometrie, wobei die Längen der Schenkel des Messarms variieren.
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Aus der oben bereits erwähnten
DE 20 2014 101 900 U1 ist außerdem bekannt, nicht nur den dort als Tastnadelträger bezeichnete Messarm auszuwechseln, sondern die gesamte Einheit aus Wandler und Tastarm.
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Aus der
DE 10 2015 203 369 A1 ist ein Rauheitstaster bekannt, der über ein Dreh-Schwenkgelenk an einer Pinole eines Koordinatenmessgeräts befestigt ist. Der Rauheitstaster weist ein Abstützelement unmittelbar gegenüber der Messnadel auf.
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Eine ähnliche Anordnung ist aus der
DE 10 2009 019 129 A1 bekannt. Das Dreh-Schwenkgelenk weist dort jedoch drei Drehachsen auf.
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Die
DE 10 2013 015 237 A1 offenbart einen Rauheitstaster, dessen Messarm einen stangenförmigen Schaft und einen an dem Schaft angebrachten scheibenförmigen Prüfkörper trägt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Messen der Rauheit einer Werkstückoberfläche anzugeben, das besonders variabel einsetzbar und unterschiedlichen Messaufgaben gewachsen ist. Trotzdem soll das System auch für eine Rauheitsmessung an großen Werkstücken im laufenden Produktionsbetrieb geeigent sein.
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Ein diese Aufgabe erfindungsgemäß lösendes Messsystem umfasst ein Koordinatenmessgerät, das eine Positioniereinrichtung aufweist, und eine Vorschubeinheit, die eine mit Hilfe eines Antriebs entlang einer Vorschubrichtung linear verfahrbares Kupplungsglied umfasst. Ein Messkopf ist zwischen dem Koordinatenmessgerät und der Vorschubeinheit angeordnet. Der Messkopf ist dazu eingerichtet, definierte Stellkräfte entlang allen Richtungen auszuüben und auf den Messkopf entlang allen Richtungen einwirkende Kräfte und Auslenkungen zu messen. Außerdem umfasst das erfindungsgemäße System einen Kufen-Rauheitstaster, der einen ersten Wandler zum Wandeln einer von der Oberfläche abhängigen Information in ein erstes Messsignal, ein erstes Gehäuse und eine Kufe aufweist, mit der sich das erste Gehäuse an der Oberfläche des Werkstücks während einer Messung abstützt. Zum System gehört ferner ein Frei-Rauheitstaster, der kufenlos ist und einen zweiten Wandler zum Wandeln einer von der Oberfläche abhängigen Information in ein zweites Messsignal und ein zweites Gehäuse aufweist. Ein Abstützelement des Systems ist lösbar an einem nicht von der Vorschubeinheit linear verfahrbaren Teil des Systems befestigbar. Das Kupplungsglied der Vorschubeinheit ist so ausgebildet, dass daran wahlweise entweder der Frei-Rauheitstaster oder der Kufen-Rauheitstaster befestigbar ist. Das Abstützelement ist gleichzeitig mit dem Frei-Rauheitstaster an dem nicht von der Vorschubeinheit linear verfahrbaren Teil des Systems befestigbar.
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Das erfindungsgemäße System zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass taktile Rauheitstaster mit und ohne Kufe an das Kupplungsglied der Vorschubeinheit befestigt werden können. Die erforderliche Auslenkbarkeit des Kufen-Rauheitstasters entlang der Messrichtung wird durch den Messkopf gewährleistet. Bei Verwendung des Frei-Rauheitstasters hingegen stellt das Abstützelement sicher, dass sich das Messsystem in der Nähe des Messpunktes am Werkstück abstützen kann. Eine solche Abstützung ist besonders bei großen Systemen mit vielen Freiheitsgraden der Bewegung wichtig, da der Rauheitssensor mit dem Messarm dort besonders leicht in Schwingungen geraten kann. Solche Schwingungen können durch vorausgehende Verfahrvorgänge, durch externe Vibrationen, aber auch durch den Messvorgang selbst ausgelöst werden und beeinträchtigen die Messgenauigkeit erheblich. Die Schwingungen werden wirkungsvoll unterdrückt, indem sich das System mit dem Abstützelement am Werkstück abstützt. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Messkopf gleichzeitig eine im Vergleich zur Messung mit dem Kufen-Rauheitstaster höhere Anpresskraft ausübt, weil sich dadurch effektiv die Steifigkeit der Abstützung erhöht. Außerdem können die Lageregler des Messkopfes so eingestellt werden, dass auch der Messkopf selbst möglichst steif wird. Bei der Verwendung eines Kufen-Rauheitssensors ist eine zusätzliche Abstützung in der Regel nicht erforderlich, weil die Kufen selbst durch ihr Aufliegen auf der Werkstückoberfläche schwingungsdämpfend wirken.
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Die Abstützung durch das Abstützelement oder die Kufe ermöglicht es außerdem, den Messkopf und die Vorschubeinheit weniger steif und damit leicht und schlank zu bauen. Dadurch kann der am Kupplungsglied befestigte Rauheitstaster leichter schwer zugänglichen Werkstückoberflächen zugestellt werden.
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Diese Vorteile treten besonders dann hervor, wenn zwischen der Positioniereinrichtung und der Vorschubeinheit ein mehrgliedriger gelenkiger Arm angeordnet ist, der mindestens zwei Glieder aufweist, die relativ zueinander um eine Drehachse drehbar sind. Wie oben bereits erwähnt wurde, sind solche gelenkigen Arme vor allem dann vorteilhaft, wenn die zu vermessenden Werkstücke eine komplexe Bauform haben und es nur mit Hilfe eines solchen Arms möglich ist, den Rauheitssensor der Werkstückoberfläche geeignet zuzustellen. Je nachdem, ob es sich bei dem die Glieder verbindenden Gelenk um ein einfaches Scharniergelenk oder um ein komplexeres Kardan- oder Kugelgelenk handelt, sind die Glieder um eine oder um mehrere Drehachsen drehbar. Vor allem dann, wenn der Arm drei oder mehr Glieder hat, die relativ zueinander um orthogonale Drehachsen drehbar sind, kann der Arm relativ lang sein. Das freie Ende eines solchen langen Arms kann besonders leicht in Schwingungen geraten, was durch eine Abstützung am Werkstück unterdrückt wird.
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Ein solcher Arm kann dabei entweder zwischen dem Koordinatenmessgerät und dem Messkopf oder zwischen dem Messkopf und der Vorschubeinheit angeordnet sein.
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Bei dem Kufen-Rauheitstaster und dem Frei-Rauheitstaster kann es sich um taktile oder berührungslos arbeitende Taster handeln. Beide Arten von Tastern wandeln eine von der Oberfläche abhängige Information, z. B. bezüglich Anordnung und Tiefe von Rillen oder Riefen, in elektrische oder optische Messignale um. Welche Information der Oberfläche von den Wandlern in Messignale gewandelt wird, hängt u.a. von der Messaufgabe und der sich daran orientierenden Auswahl des Tasters ab. So erfasst beispielsweise ein Kufen-Rauheitstaster von einer gegebenen Oberfläche andere Informationen als ein Frei-Rauheitstaster.
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Taktile Taster weisen einen auslenkbaren Messarm auf, wobei die Auslenkung des Messarms von dem Wandler erfasst und in die Messignale gewandelt wird. Bei den berührungslos arbeitenden Tastern sind vor allem optische Taster verbreitet, die z. B. auf dem Prinzip der konfokalen Weißlichtinterferometrie beruhen können.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorschubeinheit eine Linearführung, entlang der das Kupplungsglied verlagerbar ist, wobei eine Kupplungsfläche des Kupplungsglieds von einer Symmetrieachse der Linearführung durchsetzt wird. Durch ein so ausgebildetes Kupplungsglied wird ein besonders schlanker und raumsparender Aufbau möglich, da der Rauheitssensor oder ein Teil davon eine gewissermaßen lineare Verlängerung der Vorschubeinheit bildet. Dieser schlanke langgestreckte Aufbau erleichtert es, die Vorschubeinheit und den Rauheitssensor gemeinsam in schmale Öffnungen oder Bohrungen einzuführen.
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Günstig ist es, wenn das Kupplungsglied Verbindungselemente zur Herstellung einer elektrischen oder optischen Signalverbindung zwischen dem Kupplungsglied einerseits und dem Frei-Rauheitstaster oder dem Kufen-Rauheitstaster andererseits aufweist, wobei die Verbindungselemente dazu eingerichtet sind, die von dem ersten oder zweiten Wandler erzeugten Messsignale an das Kupplungsglied zu übertragen. Durch die in das Kupplungsglied integrierten Verbindungselemente kann auf Verbindungskabel, die außerhalb der Gehäuse der Vorschubeinheit und der Rauheitstaster geführt sind, verzichtet werden. Solche außerhalb der Gehäuse geführten Verbindungskabel können das Anfahren der gewünschten Messpose in komplex aufgebauten Werkstücken behindern.
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An die Reproduzierbarkeit und mechanische Präzision der Kupplung zwischen dem Kupplungsglied und den Rauheitstastern werden hohe Anforderungen gestellt, da der jeweilige Rauheitstaster exakt gegenüber den übrigen Komponenten des Systems ausgerichtet sein muss.
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Wichtig bei der Positionierung des Rauheitssensors ist insbesondere, dass die Messrichtung, d. h. die Richtung, entlang der das Abtastelement des Rauheitssensors ausgelenkt wird, exakt senkrecht zur vermessenden Oberfläche ausgerichtet ist. Hierzu muss der Rauheitstaster nach dem Ankuppeln exakt die durch das Design vorgegebene azimutale Winkelstellung bezüglich der Vorschubeinheit einnehmen. Vorzugsweise weist das Kupplungsglied deswegen ein Fixierelement auf, mit dem der jeweils befestigte Rauheitstaster in einer vorgegebenen azimutale Winkelstellung bezüglich einer Längsachse des Kupplungsglieds fixierbar ist. Bei dem Fixierelement kann es sich z. B. um einen von einer Kupplungsfläche hervorstehenden Bolzen handeln, der in eine präzise gebohrte Bohrung an der Gegenfläche des Rauheitssensor eingeführt wird. Umgekehrt kann natürlich auch eine solche Bohrung ein Fixierelement bilden, in die ein am Rauheitssensor ausgebildeter Bolzen eingeführt wird.
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Das Abstützelement sollte, da es in der Regel bei der Rauheitsmessung mit einem Kufen-Rauheitstaster nicht benötigt wird, lösbar an dem nicht von der Vorschubeinheit linear verfahrbaren Teil des Systems befestigbar sein. Am günstigsten ist es, wenn das Abstützelement direkt an einem unbeweglichen Teil der Vorschubeinheit lösbar befestigt werden kann. Auf diese Weise kann das Abstützelement sehr kurz und entsprechend leicht gebaut werden. Zur lösbaren Befestigung des Abstützelements können insbesondere Bolzen und/oder Schrauben verwendet werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Messystem in einer perspektivischen Darstellung mit einem Koordinatenmessgerät und einer daran befestigten Messvorrichtung;
- 2 die in der 1 gezeigte Messvorrichtung in vergrößerter Darstellung;
- 3 eine schematische Seitenansicht des in den 1 und 2 gezeigten abgewinkelten Kufen-Rauheitstaster;
- 4 eine schematische Seitenansicht eines geraden Kufen-Rauheitstasters gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
- 5a/5b schematische Seitenansichten eines Frei-Rauheitstasters in unterschiedlichen Vorschubstellungen.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Koordinatenmessgerät
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Die 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes erfindungsgemäßes Messsystem in einer perspektivischen Darstellung. Teil des Messsystems 10 ist ein Koordinatenmessgerät 11, das seinerseits einen Tisch 12 aufweist, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18 mit einer Oberfläche 19, dessen Rauheit ortsaufgelöst gemessen werden soll.
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Der Tisch 12 trägt eine Positioniereinrichtung 20, mit der sich ein Messkopf 21 und eine daran befestigte 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.
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An dem Messträger
36 ist austauschbar der Messkopf
21 befestigt, der die Messvorrichtung
22 trägt. Der Messkopf
21 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel drei hintereinander angeordnete Federparallelogramme auf, wobei die Messvorrichtung
22 über jedes Federparallelogramm in einer Koordinatenrichtung verschiebbar gelagert ist. Zur Erfassung der Auslenkung ist jedem Federparallelogramm ein Wandler in Form eines Tauchspulenmagnetes zugeordnet. Zusätzlich weist jedes Federparallelogramm einen Messkraftgenerator in Form eines Tauchspulenantriebes auf, über den in derjeweiligen Koordinatenrichtung Kräfte auf die Messvorrichtung
22 ausgeübt werden können. Der Messkopf
21 kann auf diese Weise definierte Stellkräfte entlang orthogonaler Richtungen x, y und z auszuüben, während die Wandler des Messkopfes
21 die auf die Messvorrichtung
22 entlang dieser Richtungen einwirkenden Kräfte messen. Weitere Einzelheiten hierzu können der
WO 02/054010 A1 entnommen werden.
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Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den x-, y- und z-Richtungen erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m3, so dass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in der 1 dargestellt ist.
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Die Positioniereinrichtung 20 verfügt für jede der drei Richtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position des Messträgers 36 in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
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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.
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Messvorrichtung
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Die Messvorrichtung 22 besteht im Wesentlichen aus einem Arm 40, der mehrere beweglich miteinander verbundene Glieder umfasst, einer Vorschubeinheit 52 und einem Kufen-Rauheitstaster 44. Das in der 2 oben dargestellte Glied des Arms 40 wird im Folgenden als Verbindungsglied 45 bezeichnet und ist dazu vorgesehen, den Arm 40 mit einer am Messträger 36 des Portals 24 vorgesehenen Automatikkupplung zu verbinden.
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Der Arm 40 hat einen ersten Armabschnitt G1, der unterhalb des Verbindungsglieds 45 angeordnet ist. Der erste Armabschnitt G1 ist relativ zu dem Verbindungsglied 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.
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Am Ende des dritten Armabschnitts G3 ist eine sich radial vom dritten Armabschnitt G3 nach außen erstreckende Vorschubeinheit 52 befestigt. Die Vorschubeinheit 52 umfasst eine Antriebseinheit 54, eine bei 55 angedeutete Linearführung und ein Kupplungslied 56. Das Kupplungsglied 56 ist linear entlang der Linearführung 55 in einer Vorschubrichtung V relativ zu der Antriebseinheit 54 mit Hilfe eines Antriebs M4 verfahrbar, wie dies in der 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Vorschubrichtung V verläuft senkrecht zur dritten Drehachse A3 und wird mit dieser mitgedreht. Eine Kupplungsfläche des Kupplungsglieds 56 wird dabei von einer Symmetrieachse der Linearführung durchsetzt.
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Kufen-Rauheitstaster
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An der Kupplungsfläche des Kupplungslieds 56 der Vorschubeinheit 52 ist der Kufen-Rauheitstaster 44 befestigt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen röhrenförmiges und zweifach abgewinkeltes Gehäuse 58 mit einem gestuften Durchmesser hat. An freien Ende des Gehäuses 58 ragt aus einer Öffnung 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, die eine Tastspitze 63 hat. Vom Kufen-Rauheitstaster 44 erfasst werden Auslenkungen des Abtastelements 60 entlang einer Auslenk-richtung D. Der Kufen-Rauheitstaster 44 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so an dem Befestigungselement 56 der Vorschubeinheit 52 befestigt, dass die Auslenkrichtung D parallel zur dritten Drehachse A3 angeordnet ist.
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Unmittelbar neben dem Abtastelement 60 befindet sich eine Kufe 61, die im Gegensatz zum Abtastelement 60 nicht auslenkbar, sondern fest mit dem Gehäuse 58 des Kufen-Rauheitstasters 44 verbunden ist. Während der Messungen liegt die Kufe 61 am Werkstück an und verhindert, dass der Kufen-Rauheitstaster 44 während der Messungen schwingt. Ausschläge des Abtastelements 60 entlang der Auslenkrichtung D entsprechen Wegdifferenzen zum distalen Ende der Kufe 61, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Auslenkungen der Kufe 61 während des Vorschubs werden über den Arm 40 auf den Messkopf 44 übertragen, dort vollständig gedämpft und können optional von den darin angeordneten Wandlern erfasst werden.
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Die 3 zeigt den Kufen-Rauheitstaster 44 in einer schematischen Seitenansicht, wobei einige Teile im Inneren des Kufen-Rauheitstaster 44 ebenfalls dargestellt sind.
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Das Gehäuse 58 des Kufen-Rauheitstasters 44 umfasst einen Anschlussabschnitt 62, dessen Längsachse sich entlang der Vorschubrichtung V erstreckt und mit dem der Kufen-Rauheitstaster 44 an dem verfahrbaren Kupplungsglied 56 der Vorschubeinheit 52 befestigt ist. Daran schließt sich ein Endabschnitt 64 mit einem verringerten Querschnitt an. Der Endabschnitt 64 weist zwei Knickstellen auf, an denen die Längsachse des Endabschnitts um jeweils 45° abgewinkelt ist. Der Teil des Endabschnitts 64 hinter der zweiten Knickstelle ist dadurch parallel zur Auslenkrichtung D und senkrecht zur Vorschubrichtung V ausgerichtet. An der freien Stirnfläche des Endabschnitts 64 ist die Kufe 61 befestigt ist.
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Das Gehäuse 58 umschließt einen Messarm 74, der um eine Drehachse 76 drehbar gelagert ist. Der Messarm 74 trägt an einem Ende das Abtastelement 60. Wenn das Abtastelement 60 durch die Oberfläche 19 des Werkstücks 18 ausgelenkt wird, schwenkt das gegenüberliegende Ende des Messarms 74 aus. Dieser Ausschlag wird von einem Wandler 79 erfasst, der in Abhängigkeit von der Drehstellung des Messarms 74 Messsignale erzeugt, welche die Drehstellung und damit die Auslenkung des Abtastelements 60 repräsentieren. Die Erfassung der Drehstellung durch den Wandler 79 kann dabei induktiv, optisch, magnetisch oder auch pneumatisch erfolgen.
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Während der Messung wird der Kufen-Rauheitstaster 44 mithilfe der Vorschubeinheit 52 entlang der Vorschubrichtung V verfahren. Auf der Grundlage der ortsabhängigen Erfassung der Auslenkung des Abtastelements 60 lässt sich die Rauheit der Oberfläche 19 ermitteln. Über die Kufe 61 stützt sich der Kufen-Rauheitstaster 44 dabei auf der Oberfläche 19 ab. Dadurch kann der Kaufen-Rauheitstaster 44, der am Ende des langen und schlanken Arms 40 befestigt ist, nicht in Schwingungen geraten, welche die Rauheitsmessung beeinträchtigen können.
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Der Anschlussabschnitt 62 des Gehäuses 58 ist mit Hilfe einer Überwurfmutter 80 am Kupplungsglied 56 befestigt. In dem vergrößerten teilgeschnittenen Ausschnitt der 3 ist erkennbar, dass von einer Kupplungsfläche 82 des Kupplungsglieds 56 zwei elektrische Kontaktstifte 84 und ein Fixierbolzen 86 abstehen. An der korrespondierenden und gegenüberliegenden Kupplungsfläche 88 des Anschlussabschnitts 62 des Kufen-Rauheitstasters 44 sind mit Signalleitungen 90 verbundene Kontaktsockel 93 und eine Fixierbohrung 96 angeordnet. Im dagestellten gekuppelten Zustand greift der Fixierbolzen 86 in die Fixierbohrung 96 ein, wodurch die azimutale Winkelstellung des Kufen-Rauheitstasters 44 gegenüber der Vorschubeinheit 52 exakt festgelegt ist. In dieser Winkelstellung greifen die Kontaktstifte 84 des Kupplungsglieds 56 in die Kontaktsockel 93 des Kufen-Rauheitstaster 44 ein. Auf diese Weise können vom Wandler 79 erzeugte Messsignale über die Signalleitungen 90, die Kontaktsockel 93 und die Kontaktstifte 84 zur Vorschubeinheit 52 und von dort weiter über die anderen Teile der Messvorrichtung 22, den Messkopf 21 und die Positioniereinrichtung 22 zur Auswerte- und Steuereinrichtung 38 geführt werden. Zumindest ein Teil dieses Übertragungsweges kann aber auch als funkbasierte Verbindung realisiert sein.
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Die 4 zeigt einen mit 44' bezeichneten Kufen-Rauheitstaster gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Das Gehäuse 58' des Kufen-Rauheitstasters 44' ist nicht abgeknickt, sondern erstreckt sich linear entlang der Vorschubrichtung V. Ein solcher gerader Kufen-Rauheitstaster 44' ist beispielsweise dazu geeignet, eine Oberfläche in einer schlitzförmigen Ausnehmung zu vermessen. Mit dem in der 3 gezeigten zweifach abgewinkelten Kufen-Rauheitstaster 44 hingegen lassen sich beispielsweise Stirnflächen in Ausnehmungen oder Bohrungen besonders gut erreichen.
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Der Kufen-Rauheitstaster 44' verfügt über eine Kupplungsfläche 88, die genauso wie die Kupplungsfläche des in der 3 gezeigten Kufen-Rauheitstaster 44 ausgebildet ist. Dadurch kann nach Lösen der Überwurfmutter 80 der in der 3 gezeigte abgewinkelte Kufen-Rauheitstaster 44 sehr einfach und schnell gegen den in der 4 gezeigten geraden Kufen-Rauheitstaster 44' ausgetauscht werden.
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Frei-Rauheitstaster
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Die 5a und 5b zeigen schematische Seitenansichten eines Frei-Rauheitstasters 144 in unterschiedlichen Vorschubstellungen. Der Frei-Rauheitstaster 144 ist im Prinzip genauso aufgebaut wie der Kufen-Rauheitstaster 44, der in der 3 gezeigt ist. Einander entsprechende Teile sind deswegen mit um 100 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet und werden nicht nochmals erläutert.
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Insbesondere die Kupplungsfläche mit den Kontaktsockeln und der Fixierbohrung sind genauso wie bei dem in der 3 gezeigten Kufen-Rauheitstaster 44 ausgebildet. Dadurch kann der Frei-Rauheitstaster 144 im Austausch gegen den in der 3 gezeigten Kufen-Rauheitstaster 44 an die Vorschubeinheit 52 angekuppelt werden.
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Beim Frei-Rauheitstaster 144 ist jedoch keine Kufe am stirnseitigen Ende des Gehäuses 158 befestigt. Das Abtastelement 160 erfasst deswegen nicht nur feine Rillen und Riefen, sondern auch gröbere Welligkeiten und Formabweichungen der Oberfläche 19 des Werkstücks 18.
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Abstützelement
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Damit der Frei-Rauheitstaster 144 während eines Messvorgangs, bei dem er von der Vorschubeinheit 52 entlang der Vorschubrichtung V bewegt wird, nicht in Schwingung gerät, ist an einer Stirnfläche der Antriebseinheit 54 der Vorschubeinheit 52 ein Abstützelement 92 lösbar befestigt. Diese Befestigung erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel mithilfe von Zentrierbolzen 96 und einer nicht dargestellten Verschraubung im Bereich eines Flanschabschnitts 98 des Abstützelements 92. Die Befestigung sollte so ausgebildet sein, dass das Abstützelement 92 nicht in der Papierebene der 5a verkippen kann. Daher sind mindestens zwei Befestigungsmittel wie Bolzen, Schrauben oder Magnete erforderlich, die entlang der Auslenkrichtung D versetzt zueinander angeordnet sind, wie dies in der 5a erkennbar ist. Da die Antriebseinheit 54 während der Messung nicht entlang der Verfahrrichtung V verfahren wird, bleibt auch das Abstützelement 92 während der Messung ortsfest.
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Wie in der rechts in der 5a dargestellten schematischen Schnittzeichnung erkennbar ist, hat das Abstützelement 92 einen halbkreisbogenförmigen Querschnitt. Dadurch überdeckt das Abstützelement 92 in der in der 5a gezeigten Vorschubstellung, in welcher der Messvorgang beginnt, teilweise den Frei-Rauheitstaster 144. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil sich dadurch das Abtastelement 60 sehr dicht neben einem Fuß 94 des Abstützelements 92 befindet, mit dem das Abstützelement 92 die Oberfläche 19 des Werkstücks 18 berührt. Infolge des sehr kleinen Abstands zwischen dem Abtastelement 60 und dem Fuß 94 ist es möglich, die Rauheitsmessung in unmittelbarer Nähe einer Abwinkelung des Werkstücks 18 zu beginnen, wie dies in der 5a erkennbar ist.
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Die 5b zeigt die in der 5a dargestellte Anordnung am Ende der Messung. Man erkennt, dass das Abstützelement 92 während des Vorschubs seine Position gegenüber dem Werkstück 18 nicht verändert hat, sondern sich an der gleichen Stelle abstützt wie zu Beginn des Messvorgangs.
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Wechsel der Rauheitstaster
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Wenn wegen einer neuen Messaufgabe der in der 3 oder 4 gezeigte Kufen-Rauheitstaster 44 bzw. 44' gegen den Frei-Rauheitstaster 144 gemäß den 5a und 5b gewechselt werden soll, muss lediglich die Überwurfmutter 80 gelöst und der Kufen-Rauheitstaster 44, 44' von dem Kupplungsglied 56 abgezogen werden. Dann wird der Frei-Rauheitstaster 144 an das Kupplungsglied 56 angesteckt und durch Anziehen der Überwurfmutter 80 befestigt. Der Fixierbolzen 86 gewährleistet auch beim Frei-Rauheitstaster 90 die winkelmäßig korrekte Ausrichtung.
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Zusätzlich wird das Abstützelement 92 mit Hilfe der Zentrierbolzen 96 und der Verschraubung an der Antriebseinheit 54 des Vorschubeinheit 52 befestigt.
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Unabhängig davon, ob ein Rauheitstaster mit oder ohne Kufe verwendet wird, stützt sich das Messsystem 10 stets am Werkstück 18 ab, wodurch Schwingungen des jeweils verwendeten Rauheitstasters während der Messung wirkungsvoll vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht es die bei allen Rauheitstastern mögliche Abstützung am Werkstück, die Vorschubeinheit 52 und den Arm 40 leicht und schlank zu bauen, da die Anforderungen an die Steifigkeit und Schwingungsfreiheit dieser Komponenten erheblich reduziert sind. Die leichte und schlanke Ausbildung des Arms 40 und der Vorschubeinheit 52 ermöglicht es wiederum, den jeweils befestigten Rauheitstaster in räumlich beengten Verhältnissen optimal relativ zu dem Werkstück zu positionieren.
