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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für ein Koordinatenmessgerät, ein Koordinatenmessgerät aufweisend den Sensor, sowie Verfahren zur Koordinatenmessung, bei denen der Sensor verwendet wird.
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Bohrungen kommen in der Technik sehr häufig vor und müssen eine gewisse Genauigkeit bezüglich der Form und Lage haben, um ihre späteren Aufgaben erfüllen zu können. Beispiele hierfür sind z.B. Verbrennungsmotoren mit ihren Kolbenbohrungen bzw. die Ventilführungen im Zylinderkopf. Aber auch Teile in der Getriebetechnik und Hydraulik werden in großen Serien hergestellt und haben sehr viele funktionsbestimmende zylindrische Merkmale. Diese sind bisher schon auf Koordinatenmessgeräten (KMG) messbar, jedoch wird in der Regel eine relativ lange Messzeit benötigt, da eine große Anzahl von Punkten für die Bestimmung der Form notwendig ist, was aber nur bei langsamen Scanninggeschwindigkeiten mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird, da durch die permanente Beschleunigung der Maschine bei der Kreisbahnbewegung nicht korrigierbare Fehler entstehen.
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Andere Hersteller, wie z. B. die Firma Renishaw, haben das Problem mit dem REVO® Mehrfachmesssystem dadurch gelöst, dass die Achsen A und B mit einer Sinusbewegung beaufschlagt werden, wodurch sich eine Kreisbahn ergibt. Hierbei entsteht jedoch das Problem, dass oft nicht alle Merkmale eines Werkstücks gemessen werden können, da der Tasterwechsel hier deutliche Nachteile beispielsweise gegenüber der VAST® Technologie der Firma Zeiss hat. Auch hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit ist dieses System der VAST® Technologie unterlegen.
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Die Firma Micro-Epsilon bietet einen Bohrlochsensor auf Basis konfokal-chromatischen Lichts an, welcher berührungslos die Oberfläche mit einer sehr hohen Punkterate abtastet, jedoch wie alle optischen Verfahren abhängig von der Oberfläche nicht überall eingesetzt werden kann (nicht bei Nut und Kegel) und zudem nur schwer in Multisensorikmaschinen einsetzbar ist, aufgrund eines hohen Gewichts, und es ist neben vielen elektrischen Kontakten ist auch eine Lichtwellenleiterschnittstelle notwendig.
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Die
DE 689 22 990 T2 offenbart in
2 einen motorisierten Abtastkopf mit einem festen Teil, das von einer Basis oder einem Gehäuse gebildet ist, die oder das ein bewegbares Teil in Form einer ersten Welle hält, die durch einen Motor relativ zu dem Gehäuse um eine erste Achse drehbar ist. Die erste Welle ist an einem weiteren Gehäuse befestigt, das eine zweite Welle hält, die durch einen Motor relativ zu dem Gehäuse um eine zweite Achse senkrecht zur ersten Achse drehbar ist. An der zweiten Welle ist ein Rahmen befestigt, an welchem eine Oberflächennachweisvorrichtung in Form eines Tasters mit einer dritten Achse senkrecht zur zweiten Achse befestigt ist. Der Taster weist ein freies Ende, das von einem sphärischen Wahrnehmungselement oder einer Oberflächenkontaktspitze definiert ist, und ein gehaltenes Ende auf, das im wesentlichen durch die zweite Achse definiert ist. Der Kopf bildet eine Halterung, auf welcher der Taster angebracht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, womit zylindrische Hohlräume mit verbesserter Messleistung vermessen werden können. Das System sollte vorzugsweise mit bestehenden Messkopf-Systemen, möglichst mechanisch und elektrisch, kompatibel sein.
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Angegeben wird von der Erfindung ein Sensor nach Anspruch 1. Ferner werden ein Koordinatenmessgerät aufweisend diesen Sensor und Verfahren zur Koordinatenmessung nach den weiteren unabhängigen Patentansprüchen bereitgestellt.
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Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird eine Vorrichtung mit einem Sensorelement angegeben, mit der ein Tastelement, das an einer Werkstückoberfläche, insbesondere an der Innenwand eines zylindrischen Hohlraums, antastet, um eine Drehachse rotiert wird. Hierzu weist das Sensorelement eine Rotationseinrichtung auf, welche beispielsweise einen Motor und eine Welle aufweist. Im Messbetrieb vollzieht das Tastelement eine Kreisbewegung und eine Scanbewegung entlang der Innenwand. Die Drehachse, oder eine verlängerte Drehachse, ist insbesondere koaxial mit der Mittelachse (Symmetrieachse) des zylindrischen Hohlraums.
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Das Sensorelement ist an einen Messkopf oder Tastkopf (beide Begriffe werden synonym verwendet) ankoppelbar. Über den Messkopf oder Tastkopf kann in das Sensorelement eine Kraft eingeleitet werden, die zu einer Antastkraft des Tastelements an der Innenwand führt. Ein solcher krafterzeugender Messkopf wird auch als „aktiver Messkopf“ bezeichnet. Das Tastelement wird mit einer definierten Antastkraft (auch Antast-Messkraft) in Antastrichtung an das Werkstück gedrückt. Hiervon zu unterscheiden ist die Bewegungsrichtung des Tastelements entlang der Werkstückoberfläche, auch bezeichnet als Scanrichtung.
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Haben die Werkstückoberfläche (insbesondere erwähnte Innenwand) und die Antaststelle des Tastelements genau den gleichen Abstand zur Drehachse des Sensorelements (auch bezeichnet als „den gleichen Radius“), so entsteht an der Drehachse keinerlei Radialbewegung des Tastelements oder eines Tasters, von dem das Tastelement ein Teil ist. Ist der Abstand nicht exakt gleich, beispielsweise durch eine Ungenauigkeit der Werkstückoberfläche, dann entsteht eine Radialbewegung, die erfasst wird.
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Zusätzlich zu erwähnter Antastkraft kann es vorgesehen sein, eine zu der Antastkraft quer verlaufende Kraft auf die Drehachse bzw. erwähnte Rotationseinrichtung zu erzeugen (auch bezeichnet als „Klemmkraft“ oder „Querkraft“). Diese Kraft dient dazu, die Drehachse koaxial mit der Mittelachse des zylindrischen Hohlraums zu halten und eine Auslenkung der Drehachse quer zu der Antastrichtung des Tastelements zu minimieren oder zu verhindern. Diese Querkraft kann ebenfalls aus dem Messkopf heraus erzeugt werden, wie auch die Antastkraft.
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Die Erfindung weist in ihrer allgemeinen oder in speziellen Ausführungsform einen oder mehrere der folgenden Vorteile auf:
- - Ermöglicht wird eine schnelle Messung an einem runden Werkstück mit einem aktiven zentral messenden Messkopf.
- - Ist die Position der Drehachse durch eine Kalibrierung und durch die Messsysteme des Koordinatenmessgeräts und des Messkopfes bekannt, lässt sich die Position des Tastelements bestimmen, wenn ein Winkelermittlungssystem an der Drehachse vorhanden ist. Rotiert nun die Drehachse, so wird der bewegliche Teil des Messkopfes nur um den Fehler des Werkstückes selbst bezüglich des Formfehlers und der Achsposition bewegt, was sich bei realen Werkstücken normalerweise maximal im 0.1 mm Bereich liegt. Bei solch geringen Bewegungen spielt die Beschleunigung von Massen bei Tastköpfen eine untergeordnete Rolle und kann bei den zu erreichenden Genauigkeiten des Gesamtsystems vernachlässigt werden. Auch das Winkelermittlungssystem des Sensorelements kann relativ ungenau und damit kostengünstig sein, da sich selbst bei einem Winkelfehler von einem Grad nur ein Durchmesserfehler von 0,15 Mikrometer Pro Millimeter Bohrungsdurchmesser ergibt.
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Das in dem erfindungsgemäßen Sensor vorhandene Sensorelement weist auf:
- - einen Motor,
- - eine drehbare Welle, die mit dem Motor antreibbar und um eine Drehachse rotierbar ist,
- - ein Winkelermittlungssystem, mit dem ein Drehwinkel der Welle ermittelbar ist,
- - eine erste Kopplungseinrichtung, womit das Sensorelement an einen Messkopf ankoppelbar ist,
- - eine zweite Kopplungseinrichtung, die durch die Welle rotatorisch antreibbar ist, und an die ein Taster ankoppelbar ist.
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Der Motor, die Welle und das Winkelermittlungssystem können in einem Gehäuse untergebracht sein.
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Die erste Kopplungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie komplementär zu einer an einem Messkopf vorgesehenen Kopplungseinrichtung ist. Ein Beispiel hierfür ist ein Teller mit einer Dreipunktlagerung.
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Im Motor ist vorzugsweise ein elektrischer Motor. Die Welle ist an den Motor angekoppelt. Die zweite Kopplungseinrichtung kann an die Welle angekoppelt sein, wozu übliche Kopplungsmittel eingesetzt werden können.
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In einer Ausführungsform weist das Sensorelement weiterhin auf:
- - einen Taster, der ein Tastelement aufweist, und der derart ausgebildet und/oder an die zweite Kopplungseinrichtung des Sensorelements angekoppelt ist, dass bei Drehung der Welle das Tastelement auf einer Kreisbahn bewegbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das Tastelement in einem Abstand von der Drehachse angeordnet wird.
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Der Taster kann eine dritte Kopplungseinrichtung aufweisen, über welche der Taster an die zweite Kopplungseinrichtung des Sensorelements ankoppelbar ist. Die zweite Kopplungseinrichtung an dem Sensorelement kann als Wechselschnittstelle ausgestaltet sein. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Taster anzukoppeln, beispielsweise verschiedene Tasterformen, insbesondere Schaftformen, die für verschiedene Messaufgaben geeignet sind, beispielsweise für verschiedene Bohrungsdurchmesser. Die zweite Kopplungseinrichtung kann als Wechselteller ausgebildet sein, beispielsweise mit einer Dreipunktlagerung
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Der Taster (alternativ auch bezeichnet als „Taststift“) weist neben dem Tastelement auch einen Schaft auf. Der Schaft kann gerade, gebogen oder abgewinkelt sein. Ein gerader Schaft ist beispielsweise gegenüber der Drehachse abgewinkelt. Ein abgewinkelter Schaft kann einen Abschnitt aufweisen, dessen Mittelachse der zu der Drehachse koaxial ist, und einen weiteren Teil, der gegenüber der Drehachse abgewinkelt ist, oder so eingestellt ist. Es können aber auch beide Abschnitte gegenüber der Drehachse abgewinkelt sein, oder so eingestellt sein.
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Das Tastelement befindet sich am Ende des Schaftes. Das Tastelement kann eine beliebige Form haben, beispielsweise rund (dann auch bezeichnet als Tastkugel), zylindrisch, kegelförmig etc.
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Der erfindungsgemäße Sensor für ein Koordinatenmessgerät gemäß Anspruch 1 weist auf:
- - ein Sensorelement wie vorangehend beschrieben,
- - einen Messkopf, an den das Sensorelement über die erste Kopplungseinrichtung angekoppelt ist, wobei der Messkopf dazu eingerichtet ist, eine Kraft zu erzeugen, die auf einen/den Taster übertragbar ist, der an die zweite Kopplungseinrichtung des Sensorelements angekoppelt oder ankoppelbar ist.
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Der Messkopf ist beispielsweise an eine Pinole eines KMG ankoppelbar. Somit kann mit der Kombination KMG/Messkopf/Sensor Element eine Koordinatenmessung erfolgen. Erfindungsgemäße Verfahren sind nachfolgend noch angegeben.
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Als Messkopf besonders geeignet ist ein aktiver Messkopf, der vorzugsweise für den Scan-Betrieb ausgelegt ist. Ein Beispiel hierfür sind Messköpfe der Serie VAST® von Zeiss.
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Der Messkopf kann eine vierte Kopplungseinrichtung aufweisen, an welche das Sensorelement mit der ersten Kopplungseinrichtung ankoppelbar ist. Durch die vierte Kopplungseinrichtung wird insbesondere eine Wechselschnittstelle bereitgestellt, sodass verschiedene Sensorelemente gemäß der Erfindung angekoppelt werden können bzw. diese ausgetauscht werden können. Für die Großserienmessung ist es vorteilhaft, für jede zu messende Bohrung den passenden Taster mit der richtigen Ausrichtung zu haben und diese Taster schnell gegeneinander wechseln zu können. Hierzu eignen sich insbesondere Messköpfe mit Wechselschnittstelle, die mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement zu einem Sensor inklusive Taster kombiniert werden können. Beispielsweise kann der Messkopf VAST XTR® Firma Zeiss aufgrund seines drehbaren Tellers, der eine Wechselschnittstelle im Sinne einer vierten Kopplungseinrichtung ist, verschiedene Sensorelemente und verschiedene jeweils an ein Sensorelement angekoppelte Taststifte tragen.
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Erwähnte Kraft vom Messkopf oder im Messkopf erzeugte Kraft wird über die erste Kopplungseinrichtung, die Welle und die zweite Kopplungseinrichtung auf den Taster übertragen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist mit dem Messkopf eine Antastkraft des Tasters erzeugbar, die auf einer Kreisbahn, auf welcher ein an dem Taster vorhandenes Tastelement bei Drehung der Welle bewegbar ist, radial nach außen gerichtet ist. Die Antastkraft kann eine Kraftkomponente einer vom Messkopf erzeugten Kraft sein. Wenn der Taster auf der Kreisbahn rotiert wird und damit das Tastelement rotiert wird, dann wird auch die Antastkraft rotiert bzw. der Vektor der Antastkraft rotiert. Die Richtung der Antastkraft ändert sich mit der Position des Tastelements auf der Kreisbahn, wobei der Vektor der Antastkraft jeweils ausgehend vom Tastelement radial nach außen gerichtet ist. Anders ausgedrückt ist der Vektor der Antastkraft ein auf besagter Kreisbahn umlaufender Vektor.
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In einer Ausführungsform weist der Sensor eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung zur Steuerung/Regelung der Drehung der Welle auf. Die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung kann über eine Signalübertragungsleitung mit einer Steuerung eines Koordinatenmessgeräts verbunden sein oder werden. Von der Steuerung des Koordinatenmessgeräts kann die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors angesteuert werden, um ihrerseits eine Drehbewegung der Welle zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors von der Steuerung des Koordinatenmessgeräts ein Signal oder eine Information erhält, eine Drehbewegung der Welle zu beginnen, vorzugsweise zu dem fest definierten Zeitpunkt. Die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors kann die Winkelgeschwindigkeit der Drehung steuern/regeln, vorzugsweise indem sie ein Signal oder eine Information dazu von der Steuerung eines Koordinatenmessgeräts erhält.
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Der Messkopf kann ebenfalls von der Steuerung des Koordinatenmessgeräts angesteuert werden und ein Signal oder eine Information erhalten, dass eine Antastkraft ausgeübt werden soll, insbesondere ebenfalls ab dem zuvor genannten fest definierten Zeitpunkt. Hierdurch kann die eigentliche Messung gemäß einem erfindungsgemäßen, nachfolgend noch beschriebenen Verfahren, in Gang gesetzt werden. Weiterhin kann durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors eine Drehbewegung der Welle beendet werden, beispielsweise aufgrund eines Signals oder einer Information von der Steuerung des Koordinatenmessgeräts.
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Erwähnte Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors kann mit dem Motor über eine weitere Signalübertragungsleitung verbunden sein, um den Motor anzusteuern.
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Erwähnte Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Sensors kann Messdaten von dem Winkelermittlungssystem erhalten, beispielsweise über eine weitere Signalübertragungsleitung, über welche sie mit dem Winkelermittlungssystem verbunden ist. Diese Messdaten können weitergeleitet werden, beispielsweise an eine Steuerung des Koordinatenmessgeräts. In einer anderen Variante können diese Messdaten zwischengespeichert werden, insbesondere an einen nachfolgend noch erwähnten Datenspeicher.
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Messdaten aus dem Winkelermittlungssystem, auch bezeichnet als Winkelinformationen, geben Information über den Drehwinkel der Welle wieder. Hierdurch kann eine Information über die Position und/oder Orientierung des Schafts, insbesondere des Tastelements, erhalten werden. Ein Schaft kann zur Drehachse abgewinkelt sein (vorzugsweise in einer festen Winkelstellung). D. h. der Schaft kann so an die Welle angekoppelt sein, dass er zur Drehachse der Welle abgewinkelt ist. In diesem Fall wird der Schaft bei Drehung der Welle um die Drehachse rotieren, ähnlich einem Uhrzeiger., Die Winkelinformationen geben eine Information darüber um welchen Winkel eine Rotation erfolgte, bei welcher Winkelstellung sich die Welle befindet und/oder in welcher Drehpositionen, insbesondere Winkelstellung, sich der Schaft momentan befindet.
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Ein Bezug zwischen dem Drehwinkel der Welle und der Position des Tastelements kann durch eine Referenzierung hergestellt werden. Beispielsweise kann der Drehwinkel der Welle auf eine gesetzte Nullposition gestellt werden und in dieser Nullposition ist die zugeordnete Position des Tastelements auf der Kreisbahn, insbesondere eine Winkelposition, bekannt. Diese zugeordnete Position des Tastelements kann beispielsweise auch bei Position Null sein, oder bei einer anderen Drehpositionen oder einem anderen Drehwinkel. Wird nun die Welle gedreht, ist auch die Veränderung der Drehposition oder die neue Drehposition des Tastelements bekannt.
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In einer Ausführungsform ist der Messkopf dazu eingerichtet, eine Klemmkraft zu erzeugen, die auf die Welle übertragbar ist, wobei die Klemmkraft quer zur Antastkraft und quer zur Drehachse der Welle, und vorzugsweise zur Drehachse hin, ausgerichtet ist. Besonders vorteilhaft ist die Klemmkraft senkrecht zur Antastkraft. Besonders vorteilhaft ist die Klemmkraft senkrecht zur Drehachse. Wie bereits erwähnt, dient die Klemmkraft dazu, die Drehachse koaxial mit der Mittelachse des zylindrischen Hohlraums zu halten und eine Auslenkung der Drehachse quer zu der Antastrichtung des Tastelements zu minimieren oder zu verhindern, wenn ein Messbetrieb erfolgt und dass Tastelement im Scan-Betrieb antastet.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind von dem Messkopf zwei Klemmkräfte erzeugbar, die quer zu der Drehachse der Welle hin gerichtet sind und in gegenläufige Richtung orientiert sind. Dieser Ausführungsform greifen Klemmkräfte beidseitig der Drehachse an, um deren Lage zu stabilisieren.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor eine Einrichtung zur Übertragung von Energie von dem Messkopf an den Motor des Sensorelements auf. Dieses Mittel kann als Energieleitung ausgebildet sein, insbesondere zur Übertragung von Strom oder elektrische Energie, um einen Motor des Sensorelements anzutreiben. Die Energie wird von dem Messkopf über die erste Kopplungseinrichtung an den Motor des Sensorelements übertragen. Die erste Kopplungseinrichtung kann Schnittstellen zur Übertragung von Energie aufweisen, insbesondere elektrische Schnittstellen.
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Noch einer Ausführungsform weist der Sensor, insbesondere das Sensorelement, einen Datenspeicher zur Speicherung von Messdaten auf, insbesondere von Messdaten aus dem Winkelermittlungssystem. Ermittelte (Dreh)Winkel und/oder (Dreh)Winkeländerungen und zugeordnete Ermittlungszeitpunkte können gespeichert werden. Diese Datenspeicher dient zur Zwischenspeicherung größerer Datenmengen, die bei den möglichen hohen Scangeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Sensors anfallen und die nicht in Echtzeit, während der Messung, weiter übertragen werden können oder sollen. Der Datenspeicher kann insbesondere Winkelpositionen die nach dem Start einer Messung über die Zeit aufgezeichnet werden, speichern. Nach dem Messvorgang können die gespeicherten Daten zur Auswertung verarbeitet werden, insbesondere zusammen mit von einem Messkopf gemessenen Informationen.
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Wie erwähnt, bestimmt der Drehwinkel der Welle die momentane Position des Tastelements auf der Kreisbahn, auf welcher das Tastelement umläuft. Bei Rotation des Tastelements, z.B. zwecks Antasten im Scanbetrieb, ist der Vektor der von dem Messkopf erzeugten Kraft ebenfalls rotierend. Mit dem Messkopf ermittelte Messdaten, beispielsweise eine Auslenkung des Tasters bei Antasten einer nicht optimalen Kreiskontur eines Hohlzylinders oder bei Antasten einer nicht optimal ebenen Fläche, geben Information über die Beschaffenheit des Werkstücks.
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Bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors können erste Daten ermittelt werden, die zeitabhängige Winkelmesswerte sind, die insbesondere den zeitabhängigen Drehwinkel der Welle, und insbesondere des Tasters wiedergeben. Diese ersten Daten können entweder an die Steuerung des KMG in Echtzeit übertragen werden oder in genanntem Datenspeicher zwischengespeichert werden. Ferner können zweite Daten ermittelt werden, insbesondere im Messkopf, die eine zeitabhängige Auslenkung des Tasters wieder geben. Anschließend ist es möglich, genannte erste Daten und genannte zweite Daten zu kombinieren und eine Information zu erhalten, bei welchem Drehwinkel welche Auslenkung des Tasters erfolgte. Beispielsweise ist es möglich, durch eine Steuerung eines KMG ab einem ersten Anfangszeitpunkt die Drehung der Welle des Sensors/Sensorelements zu starten und erste Daten zu ermitteln, und ab einem zweiten Anfangszeitpunkt die Erzeugung einer Antastkraft durch den Messkopf zu starten und zweite Daten zu ermitteln. Durch den ersten und zweiten Anfangszeitpunkt, die vorzugsweise identisch sind, ist es möglich, später die ersten und zweiten Daten so miteinander in Bezug zu setzen, dass man eine Information über eine Auslenkung des Tasters zugeordnet zu einem Drehwinkel der Welle oder einem Drehwinkel des Tasters zu erhalten.
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Obige Schritte können bei erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Aus der Auslenkung des Tasters kann eine Information über das Werkstück gewonnen werden, insbesondere über einen Fehler eines Werkstückes, beispielsweise die Abweichung eines Hohlzylinders von einer idealen Zylinderform.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät, aufweisend einen Sensor wie zuvor beschrieben. Das Koordinatenmessgerät (KMG) kann insbesondere ein Portal-KMG, ein Horizontalarm-KMG oder ein Gantry-KMG sein. Er Messkopf des Sensors kann ein eine Pinole des KMG angebunden sein.
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Nachfolgend werden erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Bei diesen Verfahren können zuvor offenbarte, verfahrensartig formulierte Merkmale Verwendung finden. Bei diesen Verfahren können zuvor offenbarte, gegenständlich formulierte Merkmale Verwendung finden.
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Koordinatenmessung an einer Wand eines im zylindrischen oder im Wesentlichen zylindrischen Hohlraums eines Werkstücks, wobei bei dem Verfahren ein Sensor, wie vorangehend beschrieben, verwendet wird, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- - Einführen des Tasters in den Hohlraum, wobei die Drehachse der Welle koaxial oder im Wesentlichen koaxial zu der Mittelachse des Hohlraums ist,
- - Antasten mit einem an dem Taster vorhandenen Tastelement an der Wand des Hohlraums, wobei der Taster, oder zumindest ein Teil davon, quer zur Drehachse der Welle ausgerichtet ist
- - Rotieren der Welle und des an die Welle gekoppelten Tasters um die Drehachse und dabei Antasten mit dem Tastelement in verschiedene Antastrichtungen im Scan-Betrieb, wobei eine erste Antastkraft erzeugt wird, die auf einer Kreisbahn oder Schraubenbahn, auf welcher das Tastelement bewegt wird, radial nach außen gerichtet ist. Die Kreisbahn wird bei dem Rotieren der Welle erzeugt. Eine Schraubenbahn wird zum Beispiel erzeugt wenn neben der Rotationsbewegung auch eine Translationsbewegung der Welle, des Sensors oder des Tasters erfolgt, wie nachfolgend noch beschrieben.
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Mit dem Verfahren ist es möglich, im Scanbetrieb viele Messpunkte aufzuzeichnen, da eine relativ hohe Drehzahl beim Rotieren der Welle mit dem erfindungsgemäßen Sensor möglich ist. Allgemein ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Sensor eine hohe Scanninggeschwindigkeit zu erzielen.
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Mit dem Verfahren kann ein Abschnitt einer Wand vermessen werden oder die Wand vollständig vermessen werden.
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Der zylindrische Hohlraum ist insbesondere eine Bohrung. Der Hohlraum kann beidseitig oder einseitig zumindest für den Taster zugänglich sein.
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Bei diesem Verfahren wird die Wand des zylindrischen Hohlraums auf einer Kreisbahn oder Schraubenbahn mit dem Tastelement angetastet und gescannt. Die Antastkraft ist in Richtung der Wand des Hohlraums gerichtet. Hierbei wird mit der Bewegung des Tastelements auf der Kreisbahn oder Schraubenbahn die Richtung der Antastkraft bzw. die Antastrichtung stetig geändert, wobei sie in jeder Position des Tastelements jeweils radial nach außen gerichtet ist. Die Antastkraft ist somit ein auf einer Kreisbahn umlaufender oder Schraubenbahn laufender Vektor, wenn mit dem Tastelement auf einer solchen Bahn gescannt wird.
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Eine Schraubenbahn wird auch als Helix oder als Spiralbahn bezeichnet. Erfindungsgemäß kann die Schraubenbahn regelmäßig oder unregelmäßig sein. Eine regelmäßige Schraubenbahn ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine konstante Steigung aufweist, während eine unregelmäßige Schraubenbahn eine variierende Steigung aufweisen kann.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens weist das Verfahren weiterhin auf:
- - Erzeugen einer Klemmkraft, die quer zur Antastkraft und quer zu der Drehachse, vorzugsweise zur Drehachse hin, gerichtet ist.
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Zu der Klemmkraft gilt das oben bereits bei der Offenbarung des Sensors Gesagte. Im Messbetrieb, wenn das Tastelement einer Kreisbahn rotiert oder einer Schraubenbahn bewegt wird, rotiert auch der Vektor der Klemmkraft, wobei er seine Ausrichtung quer zur Drehachse beibehält. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform werden zwei Klemmkräfte erzeugt, die quer zu der Drehachse der Welle stehen, zur Drehachse hin ausgerichtet und in gegenläufige Richtung orientiert bzw. ausgerichtet sind.
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In einer Variante des Verfahrens weist das Verfahren auf:
- - translatorisches Bewegen des Sensors in Richtung der Drehachse, sodass das Tastelement entlang der Wand auf einer Schraubenbahn bewegt wird.
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Bei diesem translatorisches Bewegen bzw. Verschieben wird die Drehachse vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zu der Mittelachse des Hohlraums gehalten. Bei einer Verschiebung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit und einer Rotation der Welle mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ergibt sich eine regelmäßige Schraubenbahn des Tastelements. Eine Translationsgeschwindigkeit kann grundsätzlich variieren.
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In einer Weiterbildung weist das Verfahren auf:
- - Antasten mit dem Tastelement an einer Auskragungsfläche, die gewinkelt zu der Wand des Hohlraums absteht, wobei eine zweite Antastkraft in Richtung der Auskragungsfläche erzeugt wird.
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Die Auskragungsfläche kann beispielsweise an einer ins Innere des Hohlraums hoch hervorstehenden Auskragung gebildet sein. Die Auskragungsfläche kann beispielsweise senkrecht von der Wand des Hohlraums abstehen, wobei dies nicht zwingend ist.
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Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft durchführbar mit einem Taster mit gewinkeltem Schaft.
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Die zweite Antastkraft wird insbesondere durch eine Kraft in Richtung der Drehachse erzeugt. Diese Kraft kann beispielsweise bei einer Bewegung des Sensors in Richtung der Drehachse erzeugt werden, wobei das Tastelement an der Auskragungsfläche anschlägt.
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Die zweite Antastkraft ist insbesondere quer zur ersten Antastkraft. Die zweite Antastkraft ist insbesondere quer stehend zu einer Ebene, in welcher sich eine Kreisbahn befindet, auf welcher sich das Tastelement bewegt.
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In noch einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Koordinatenmessung einer Fläche eines Werkstücks, wobei bei dem Verfahren ein Sensor wie vorangehend beschrieben verwendet wird, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- - Antasten mit einem an dem Taster vorhandenen Tastelement an der Fläche,
- - Rotieren der Welle und des an die Welle gekoppelten Tasters um die Drehachse, und Antasten mit dem Tastelement im Scan-Betrieb, wobei die Drehachse quer, insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, zu der Fläche ausgerichtet ist, und eine Antastkraft erzeugt wird, die parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ist. Hierdurch ist die Antastkraft quer, insbesondere senkrecht zu der Fläche, orientiert.
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Bei diesem Verfahren wird das Tastelement auf einer Kreisbahn rotiert und scannt hierbei Punkte der Fläche, die auf einer Kreisbahn liegen.
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Bei dem Verfahren werden Abweichungen der Fläche von einer idealen Ebene durch Auslenkung des Tasters in einer Richtung parallel zur Drehachse festgestellt.
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In einer Weiterbildung weist das Verfahren auf:
- - translatorisches Bewegen des Tastelements entlang der Oberfläche.
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Hierbei wird das Tastelement, bei Berührung der Oberfläche, auch in einer Richtung quer zur Drehachse der Welle bewegt. Die rotatorische Bewegung ist mit einer translatorischen Bewegung überlagert. Es wird das Antasten nicht unterbrochen, sodass die Messung im Scanbetrieb erfolgt. So ist es möglich, einen größeren Bereich der Fläche zu vermessen.
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Oben genannte Verfahren sind insbesondere zur Ermittlung von Abweichungen einer Werkstückoberfläche von einer gewünschten Form einsetzbar, insbesondere zur Feststellung der Abweichung von einer idealen Hohlzylinderform (perfekt kreisförmige Kontur) oder zur Feststellung einer Abweichung von einer idealen Ebene. In diesem Sinne können vorangehend genannte Verfahren (zusammenfassend auch bezeichnet als erfindungsgemäßes Verfahren, auch wenn verschiedene Verfahren darunter fallen) folgende Weiterbildungen aufweisen:
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In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren auf:
- Ermitteln einer von dem Drehwinkel oder von einer Drehwinkeländerung der Welle abhängigen radialen und/oder axialen Auslenkung des Tasters aus einer zeitabhängigen Auslenkung des Tasters in radialer und/oder axialer Richtung und
- einem zeitabhängigen Drehwinkel, oder einer zeitabhängigen Drehwinkeländerung, der Welle.
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Eine axiale Auslenkung ist eine Auslenkung in Richtung der Drehachse der Welle. Eine axiale Auslenkung ist anders ausgedrückt eine Auslenkung in einer Richtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Welle. Aus der Auslenkung des Tasters können Informationen über die Werkstückkontur gewonnen werden, insbesondere über eine Abweichung von einer vorgegebenen oder gewünschten Kontur.
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Eine radiale Auslenkung ist insbesondere eine Auslenkung quer zur Drehachse der Welle, insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Welle.
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Aus der Auslenkung des Tasters können Koordinateninformationen des Werkstücks ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere folgende Schritte aufweisen:
- i) Ermitteln der zeitabhängigen Auslenkung des Tasters in radialer und/oder axialer Richtung
- ii) Ermitteln des zeitabhängigen Drehwinkels oder der zeitabhängigen Drehwinkeländerung der Welle,
- iii) Ermitteln der von dem Drehwinkel oder von der Drehwinkeländerung abhängigen radialen und/oder axialen Auslenkung des Tasters aus der zeitabhängigen Auslenkung des Tasters in radialer und/oder axialer Richtung und dem zeitabhängigen Drehwinkel/der zeitabhängigen Drehwinkeländerung der Welle.
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Die in ii) erhaltenen Informationen können in Form zuvor in dieser Beschreibung bereits erwähnter erster Daten ermittelt werden oder vorliegen, welche zeitabhängige Winkelmesswerte sind, die insbesondere den zeitabhängigen Drehwinkel der Welle, und insbesondere des Tasters wiedergeben.
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Die in i) erhaltenen Informationen können in Form zuvor in dieser Beschreibung bereits erwähnter zweiter Daten ermittelt werden oder vorliegen, welche eine zeitabhängige Auslenkung des Tasters wieder geben. Bereits zuvor wurde erwähnt, dass die in i) und ii) erhaltenen Daten kombiniert werden können, um die von dem Drehwinkel(änderung) abhängige radiale und/oder axiale Auslenkung des Tasters zu erhalten.
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In einer speziellen Weiterbildung weist das erfindungsgemäße Verfahren auf:
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Das Zwischenspeichern von Daten zu dem zeitabhängigen Drehwinkel oder von Daten zu der zeitabhängigen Drehwinkeländerung der Welle in einem Datenspeicher. Ein solcher Datenspeicher wurde zuvor schon erwähnt und beschrieben Diese Weiterbildung ist vorteilhaft, wenn durch die erzeugte Datenmenge besser handhaben zu können und sich daher eine Echtzeitübertragung nicht anbietet. Um große Datenmengen zu Drehwinkel oder Drehwinkeländerung zu einer Vielzahl Zeitpunkten übertragen zu können ist es vorteilhaft, die Daten zwischen zu speichern, vorzugsweise in komprimierter Form. Anschließend können zu einem späteren Zeitpunkt die Daten ausgewertet werden, beispielsweise wenn die Messung beendet oder unterbrochen ist, beispielsweise während einer Umfahrung des Werkstücks mit dem Sensor, ohne dass eine Messung durchgeführt wird. Hierauf zielt die nachfolgend erwähnte Weiterbildung des Verfahrens ab:
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In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren folgendes:
- Kombinieren der Daten zu dem zeitabhängigen Drehwinkel der Welle oder von Daten zu der zeitabhängigen Drehwinkeländerung der Welle aus dem Datenspeicher mit Daten zur zeitabhängigen Auslenkung des Tasters in radialer und/oder axialer Richtung,
- wobei durch das Kombinieren die von dem Drehwinkel der Welle oder die von der Drehwinkeländerung der Welle abhängige radiale und/oder axiale Auslenkung des Tasters erhalten wird.
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Dieses Kombinieren kann nach Beendigung oder während einer Unterbrechung der Messung erfolgen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Sensorelement für den erfindungsgemäßen Sensor;
- 2 einen erfindungsgemäßen Sensor während eines Messvorgangs;
- 3 eine Draufsicht auf eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Sensor an der Innenwand einer holzylinderförmigen Bohrung und ein Verfahrensablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 4 eine Messung einer Bohrung mit geringem Durchmesser mit einem erfindungsgemäßen Sensor;
- 5 eine Messung einer Bohrung mit größerem Durchmesser mit einem erfindungsgemäßen Sensor;
- 6 eine Messung einer Auskragungsfläche mit einem erfindungsgemäßen Sensor;
- 7 eine Messung einer Bohrung mit Auskragung;
- 8 die Messung einer außenseitigen Fläche eines Werkstücks mit einem erfindungsgemäßen Sensor;
- 9 ein Koordinatenmessgerät, aufweisend einen erfindungsgemäßen Sensor.
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Das in 1 gezeigte Sensorelement 1 weist den Motor 2, die Trägereinheit 3, die Welle 4, das Lager 5, den Winkelgebersensor 6, die Winkelgeber-Codescheibe 7 und das Lager 8 auf. Genannte Elemente sind in dem Gehäuse 9 untergebracht. Der Winkelgebersensor 6 und die Winkelgeber-Codescheibe 7 bilden zusammen ein Winkelermittlungssystem. Die Winkelgeber-Codescheibe 7 ist drehfest an der Welle 4 befestigt.
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Am oberen Ende des Gehäuses ist ein würfelförmiges Zwischenstück 10 befestigt, an dessen oberem Ende eine erste Kopplungseinrichtung 11 angebracht ist. Die Kopplungseinrichtung 11 ist in Form eines Tellers ausgebildet, der auf der hier nicht sichtbaren Oberseite eine Dreipunktlagerung sowie elektrische Kontakte aufweist.
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Am unteren Ende des Sensorelements 1 ist die zweite Kopplungseinrichtung 12 angeordnet, die drehfest mit der Welle 4 verbunden ist. Auch die zweite Kopplungseinrichtung 12 ist in Form eines Tellers ausgebildet, der auf der Unterseite eine Dreipunktlagerung aufweist. Über diese Dreipunktlagerung ist an die zweite Kopplungseinrichtung 12 eine dritte Kopplungseinrichtung 13 angekoppelt, an deren Unterseite ein Tasterhalter 14 mit dem Winkelscharnier 15 befestigt ist. An dem Tasterhalter 14 ist der Taster 16 befestigt, welcher den Schaft 17 und das Tastelement 18 in Form einer Tastkugel aufweist.
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2 zeigt die Anbindung des Sensorelements 1 mit dem Taster 16 an den teilweise dargestellten Messkopf 19. Der Messkopf 19 weist an der Unterseite die vierte Kopplungseinrichtung 20 auf, an welche die erste Kopplungseinrichtung 11 des Sensorelements angekoppelt ist. Die Kopplung erfolgt über eine an sich bekannte Dreipunktlagerung, wie Sie beispielsweise bei Messköpfen der Markenfamilie VAST® der Firma Zeiss bekannt ist.
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Im Gegensatz zu 1 zeigt 2 einen abgewinkelten Taster 16 mit den Schaftabschnitten 17a und 17b.
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Das Sensorelement 1 weist die Signalübertragungseinrichtung 22 und die Steuerungs-/ Regelungseinrichtung 23 auf. Ferner ist, hier als Teil der Steuerungs-/ Regelungseinrichtung 23, auch einen Datenspeicher 31 vorgesehen.
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Eine Steuerung 21 des Koordinatenmessgeräts 211 (s. 9) schickt über die Signalübertragungsleitung 22 ein Startsignal, auch bezeichnet als „Start-Trigger“ an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 23, welche daraufhin eine Drehung der Welle 4 mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit bewirkt. Dazu ist die Steuerungs-/ Regelungseinrichtung 23 über die Kommunikationsleitung 30 mit dem Motor 2 verbunden. Zum gleichen Zeitpunkt wird durch die Steuerung 21 des Koordinatenmessgeräts 211 eine Erzeugung einer Messkraft in dem Messkopf 19 bewirkt, die zu einer radialen Antastkraft führt, welche mit vorzugsweise der gleichen Winkelgeschwindigkeit umlaufend ist. Durch die Steuerung des Koordinatenmessgeräts kann so bewirkt werden, dass der Drehwinkel der Welle 4 und die Richtung der Antastkraft F1 zumindest grob aufeinander abgestimmt sind. Zumindest ist aber eine Kraftkomponente vorhanden, die eine Antastkraft bewirkt. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 23 ist ferner mit dem Winkelgebersensor verbunden, um von dort Daten erhalten zu können. Diese Daten werden an den Datenspeicher 31 zur Zwischenspeicherung weitergegeben.
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Die Signalübertragungsleitung 22 verläuft im Inneren des Messkopfs 19 bis zu der vierten Kopplungseinrichtung 20, wo sie zunächst an nicht dargestellten elektrischen Kontakten endet. Diese elektrischen Kontakte an der Kopplungseinrichtung 20 kontaktieren weitere, hier nicht dargestellte Kontakte an der ersten Kopplungseinrichtung 11. Von dort aus verläuft die Signalübertragungsleitung 22 im Inneren des Sensorelements bis zu dem der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 23
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Die Antastkraft F1 wird in nachfolgenden Figuren dargestellt. Die Antastkraft des Tasters 16 wird in dem Messkopf 19 erzeugt. Es wirkt die Steuerung 21 des Koordinatenmessgerätes 211 auf den Messkopf ein, um dort eine Kraft zu erzeugen, die eine Antastkraft in gewünschter Höhe und Richtung bewirkt.
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Als gestrichelte Linie dargestellt ist eine elektrische Energieübertragungsleitung als spezielle Einrichtung 24 zur Übertragung von Energie von dem Messkopf 19 an den Motor 2. Die Energieübertragungsleitung 24 verläuft im Inneren des Messkopfs 19 bis zu der vierten Kopplungseinrichtung 20, wo sie zunächst an nicht dargestellten elektrischen Kontakten endet. Diese elektrischen Kontakte an der Kopplungseinrichtung 20 kontaktieren weitere, hier nicht dargestellte Kontakte an der ersten Kopplungseinrichtung 11. Von dort aus verläuft die Energieübertragungsleitung 24 im Inneren des Sensorelements 1 bis zu dem Motor 2.
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In 2 ist das Antasten mit dem Taster 16 im Inneren eines Werkstücks 25 in Form eines Hohlzylinders gezeigt. Hierauf wird in nachfolgenden Figuren näher eingegangen.
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3 zeigt in einer Draufsicht das Hohlzylinder-förmige Werkstück 25 mit dem Hohlraum 26 und der Wand 27, die im Scan- Betrieb mit dem Taster 16 vermessen werden soll. Der Taster 16 ist in den Hohlraum 26 eingeführt, wie auch in 2 zu sehen. Die Welle 4 weist die senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Drehachse D auf, die hier koaxial mit der Mittelachse M des Hohlzylinders ist.
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Das Einführen des Tasters 16 in den Hohlraum 26 wird als Verfahrensschritt S1 bezeichnet und ist in dem Fließschema in 3 abgebildet.
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Der Taster 16 ist quer zu der Drehachse D der Welle 4 ausgerichtet. In diesem Fall steht die Längsachse des Schaftes 17 oder des Schaftabschnittes 17a quer zu der Drehachse D. Somit befindet sich das Tastelement 18 abseitig der Drehachse D. Das Tastelement 18 liegt an der Innenwand 27 an.
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Das Antasten mit dem Taster 16 an der Innenwand 27 wird als Verfahrensschritt S2 bezeichnet und ist in dem Fließschema in 3 abgebildet.
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In dem nachfolgenden Verfahrensschritt S3 wird die Welle 4 in der Drehrichtung R im Uhrzeigersinn gedreht, angetrieben durch den Motor 2. Beim Rotieren der Welle werden der Taster 16 und das Tastelement 18 ebenfalls in Drehrichtung R rotiert und das Tastelement 18 tastet im Scanbetrieb die Oberfläche der Innenwand 27 ab.
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Wird hierbei das Sensorelement 1 nicht nach oben oder unten bewegt (also in Blickrichtung des Betrachters, oder in entgegengesetzte Richtung dazu), erfolgt der Scan auf einer Kreisbahn. Erfolgt jedoch zeitgleich zu der Drehbewegung in Richtung R eine translatorische Bewegung des Sensorelements 1 in Richtung der Drehachse D, wie in 4 und 5 anhand zweier Zustände gezeigt, vollzieht das Tastelement 18 eine Bewegung auf einer Schraubenbahn und erfolgt der Scan auf einer Schraubenbahn, auch bezeichnet als Spiralbahn.
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Die Antastkraft F1 des Tastelements ist mit dem zugehörigen Pfeil dargestellt und ist radial nach außen gerichtet. Die Antastkraft F1 wird in dem Messkopf 19 erzeugt. Im Messkopf 19 wird eine Kraft erzeugt, die über die vierte Kopplungseinrichtung 20 und die erste Kopplungseinrichtung 11 in das Sensorelement 1 eingeleitet wird und über die zweite Kopplungseinrichtung 12 in den Taster 16 und die Tastkugel 18 weitergeleitet wird. Die radiale Richtung der Kraft F1 wird in dem Messkopf 19 erzeugt.
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Bei dem Scannen der Oberfläche der Innenwand 27 werden Unebenheiten der Oberfläche der Innenwand 27, hier Abweichungen von der idealen Kreisform, durch Auslenkungen des Tasters 16 und des Sensorelements 1 am Messkopf 19 registriert. Beispielsweise wird bei einer Ausstülpung nach innen, in Richtung des Hohlraums 26 der Taster 16 und das Sensorelement 1 entgegen der Richtung der Antastkraft F1 ausgelenkt, in dem Messkopf 19 registriert wird. Bei einer Ausstülpung nach außen werden der Taster 16 und das Sensorelement 1 in Richtung der Antastkraft F1 ausgelenkt, was ebenfalls im Messkopf 19 registriert wird.
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Oben wurde auf ein Scannen mit dem Tastelement 18 auf einer Spiralbahn oder Schraubenbahn eingegangen. Zum Scannen von Hohlzylindern ist nur ein Vorschub in Richtung der Zylinderachse M notwendig, der nur mit geringer Beschleunigung und Geschwindigkeit erfolgt. Trotzdem werden können sehr viele Messpunkte aufgezeichnet werden, da die Scanninggeschwindigkeit durch eine relativ hohe Drehzahl des Tasters 16 sehr hoch ist. Durch das Positionserfassungssystem des Messkopfes 19, welches mit einem ca. 50mal schnelleren Takt läuft als der Systemtakt der Steuerung eines KMG, sind wesentlich mehr Scanningpunkte möglich als beim herkömmlichen Scanning, wenn die Abtastung des Drehwinkels der Welle 4 synchron mit der Abtastung der Auslenkung des Messkopfes 19 erfolgt.
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Um die durch eine hohe Punkterate großen Datenmengen bestehend aus den Ist-Drehwinkelpositionen zu den Abtastzeitpunkten übertragen zu können, können diese komprimiert und in die Zeiten der Umfahrwege eines Werkstücks 25 mit dem Sensor 1, 19 gelegt werden. Daher ist auf der der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 23 des Sensors 1, 19 der Datenspeicher 31 vorgesehen, um die Drehwinkelstellungen zu den Abtastzeitpunkten des Winkelermittlungssystem 6, 7 einer kompletten Bahn zu speichern und zeitversetzt zu übertragen. Der Datenspeicher 31 zeichnet beispielsweise Winkelpositionen die nach einem Start-Trigger ermittelt werden, über die Zeit auf. Nach dem Scan-Vorgang können die gespeicherten Daten mit den von dem Messkopf 19 gemessenen zeitabhängigen Auslenkung des Tasters 16 verarbeitet werden, um eine Informationen zur (dreh)winkelabhängigen Auslenkung des Tasters 16 zu erhalten und dadurch das Werkstück zu charakterisieren, bzw. die Abweichung der gemessenen Form von einer Idealform.
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Bei dem Scanvorgang treten sowohl Reibungskräfte zwischen der dem Tastelement 18 und der Oberfläche der Innenwand 27 des Werkstücks 25, als auch Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte an dem Taster 16 auf. Um solchen Kräften entgegen zu wirken, werden die Klemmkräfte K1 und K2 aufgebracht, um die Drehachse D in der vorgegebenen, in 3 gezeigten Sollposition zu halten. Die Klemmkräfte K1 und K2 stehen quer zur Antastkraft F1 und quer zur Drehachse D. Die Klemmkräfte K1 und K2 sind entgegengesetzt und stehen in Richtung der Drehachse D. Die Klemmkräfte K1 und K2 werden in dem Messkopf 19 erzeugt.
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In den nachfolgenden Beispielen ist der Sensor 1 immer in Z- Richtung eingebaut, da dies zeichnungstechnisch am einfachsten ist. An einer realen Maschine, wie einem KMG, kann der Sensor 1 in jeder erforderlichen Lage eingebaut sein und die Antast-Messkraft sowie die Klemm-Messkraft des Messkopfes können entsprechend räumlich gedreht sein.
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4 zeigt einen Scanningvorgang in einer Bohrung mit relativ geringem Durchmesser. Der Scanningvorgang erfolgt von unten nach oben in einer spiralförmigen Bewegung, d. h. die Maschine fährt in Z nach oben, dargestellt durch die Translationsrichtung T, während sich der Taster 16 in Richtung R dreht. Die Fehler des Werkstückes 25 werden als Auslenkung des Tasters 16 in X- und/oder Y-Richtung wiedergegeben. Das Sensorelement 1 wird durch die Fehler des Werkstücks 25 (Abweichung von perfekter Zylinderform) in X- Y- Richtung bewegt, was eine zuvor beschriebene Auslenkung ist. Diese Auslenkung wird von dem Messkopf 19 (z.B. Zeiss VAST®) erfasst.
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5 zeigt einen Scanvorgang in einer Bohrung mit relativ größeren Durchmesser. Der Schaft 17 des Bohrlochsensors ist für die große Bohrung stärker abgewinkelt als in 4.
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6 zeigt das Antasten mit dem Tastelement 18 an einer Auskragungsfläche 32 der Auskragung (oder Verengung) 34, die gewinkelt zu der Innenwand 27 des zylindrischen Hohlraums 26 steht. Ein Antasten findet gleichzeitig an der Innenwand 27 und der Auskragungsfläche 32 statt, wobei sich das Tastelement 18 in der Innenecke zwischen Innenwand 27 und der Auskragungsfläche 32 befindet. Das Antasten findet in Form eines selbstzentrierenden Scannens statt.
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Es wird neben der wird neben der radial wirkenden ersten Antastkraft F1 auch noch eine zweite Antastkraft F2 in Richtung der Auskragungsfläche 32 aufgebracht, die in diesem Fall gleich groß ist wie die Kraft F1. Hierdurch entstehen zwei Berührpunkte zwischen dem hier kugelförmigen Tastelement 18 und dem Hohlzylinder-förmigen Werkstück 25. Die Messung der Innenwand 27 und der begrenzenden Auskragungsfläche 32 wird somit gleichzeitig ausgeführt, wenn sich der Taster 16 dreht. Diese Art der Messung ist z. B. bei Einstichen für Seegeringe oder bei abgesetzten Bohrungen für Lagersitze usw. sehr hilfreich und kann von keinem der vorher beschriebenen Systeme aus dem Stand der Technik so ausgeführt werden, sofern sich die Bohrung nicht zufällig in Richtung der Hauptachse M befindet.
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7 zeigt ein schraubenförmiges, auch bezeichnet als spiralförmiges, Scannen der Messung an der Wand 27. Der Scanningvorgang erfolgt von unten nach oben in einer spiralförmigen Bewegung. Da der Zugang durch die Auskragung 34 verengt ist, wie das z.B. häufig bei einem Lagersitz eines Getriebes usw. vorkommt (wenn die Bearbeitung von der anderen Seite erfolgt ist), kann diese Messung durch andere bisher bekannte Bohrlochsensoren nicht vorgenommen werden, da dieser zusätzlich mit einer weiteren Drehachse-Achse ausgestattet sein müsste. Durch den erfindungsgemäßen Sensor in Kombination mit gezeigtem abgewinkeltem Schaft wird die Messung auf einfache Weise ermöglicht. Am Ende der Messung kommt das Tastelement 18 in eine Position, wie sie in 6 gezeigt ist. Es kann dann die in 6 erläuterte Messung erfolgen.
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8 zeigt eine Verfahrensvariante, bei der ein Antasten mit dem Tastelement 18, auch hier eine Tastkugel, an einer außenseitigen Fläche 33 des Werkstücks 25 erfolgt. Der Taster 16 weist den abgewinkelten Schaft mit den Abschnitten 17a und 17b auf. Diesem Beispiel ist die Fläche 33 die der Auskragungsfläche 32, die eine Innenfläche ist, gegenüberliegende Fläche.
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Beim Scannen der Fläche 33 wird auf der Fläche 33 angetastet und eine Antastkraft F3 in Richtung der Fläche 33 aufgebracht. Die Drehachse D ist senkrecht zu der Fläche 33 ausgerichtet. Die Antastkraft F3 ist parallel zu der Drehachse D. Durch Drehung der Welle 4 des Sensorelements 1 wird die Messung der Fläche 33 vorgenommen. Die Abweichungen werden in diesem Beispiel durch eine Auslenkung des Tastkopfes in Z-Richtung aufgenommen. Wird das Sensorelement 1 bzw. der Taster 16 mit dem hier kugelförmigen Tastelement 18 nicht in derX-Y Ebene bewegt, wo werden Messpunkte auf einem Kreis aufgenommen. Bewegt man den Taster 16 jedoch gleichzeitig parallel zur Fläche 33, so erhält man ein „Band aus Messwerten“ mit sehr vielen Punkten.
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Das in 9 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 211 in Portalbauweise weist einen Messtisch 201 auf, über der Säulen 202, 203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 202, 203 bilden zusammen mit einem Querträger 204 ein Portal des KMG 211. Der Querträger 204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 202 bzw. 203 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 202, 203 in Y-Richtung, entlang der Y-Bewegungs-Achse. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 202, 203 ein Elektromotor zugeordnet. Der Querträger 204 ist mit einem Querschlitten 207 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 207 relativ zu dem Querträger 204 kann anhand einer Maßstabsteilung 206 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 204 in X-Richtung, d.h. entlang der X-Bewegungs-Achse, wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben. An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 und das Zwischenstück 205 mit dem Messkopf 19 verbunden ist. Der Messkopf 19 ist mit dem Sensorelement 1 verbunden, an dem der Taster 16 angebracht ist. Der Messkopf 19 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 207 in Z-Richtung, entlang der Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG kann der Messkopf 19 in dem Bereich unterhalb des Querträgers 204 in nahezu beliebige Positionen bewegt werden. Nicht dargestellt ist eine Steuerung, die die Bewegung der beweglichen Teile des KMG entlang der BewegungsAchsen steuert. Die Steuerung ist eingerichtet zur Durchführung einer oder mehrerer der im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten Schritte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorelement
- 2
- Motor
- 3
- Trägereinheit
- 4
- Welle
- 5
- Lager
- 6
- Winkelgebersensor
- 7
- Winkelgeber-Codescheibe
- 8
- Lager
- 9
- Gehäuse
- 10
- Zwischenstück
- 11
- erste Kopplungseinrichtung
- 12
- zweite Kopplungseinrichtung
- 13
- dritte Kopplungseinrichtung
- 14
- Tasterhalter
- 15
- Winkelscharnier
- 16
- Taster
- 17
- Schaft
- 17a
- Schaftabschnitt
- 17b
- Schaftabschnitt
- 18
- Tastelement
- 19
- Messkopf
- 20
- vierte Kopplungseinrichtung
- 21
- Steuerung des Koordinatenmessgeräts
- 22
- Signalübertragungseinrichtung
- 23
- Steuerungs-/Regelungseinrichtung
- 24
- Einrichtung zur Übertragung von Energie
- 25
- Werkstück
- 26
- Hohlraum
- 27
- Innenwand
- 30
- Kommunikationsleitung
- 31
- Datenspeicher
- 32
- Auskragungsfläche
- 33
- Fläche
- 34
- Auskragung
- 201
- Messtisch
- 202
- Säule
- 203
- Säule
- 204
- Querträger
- 205
- Zwischenstück
- 206
- Maßstabsteilung
- 207
- Querschlitten
- 208
- Pinole
- 210
- Montageeinrichtung
- 211
- Koordinatenmessgerät
- D
- Drehachse
- F1
- Antastkraft
- F2
- Antastkraft
- K1
- Klemmkraft
- K2
- Klemmkraft
- M
- Mittelachse des Hohlraums
- R
- Drehrichtung
- T
- Translationsrichtung
- X
- Koordinate
- Y
- Koordinate
- Z
- Koordinate
