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Die Erfindung betrifft eine Kinematikeinheit, eine Anordnung und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Objektantastung und speziell das Antasten einer Ausnehmung, Aussparung oder Bohrung eines Objekts mittels eines Messtasters, der in einem Abstand und somit exzentrisch zu einer Drehachse positionierbar ist.
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Koordinatenmessgeräte dienen in bekannter Weise dazu, Objekte wie z.B. industriell gefertigte Werkstücke zu vermessen. Insbesondere können hierbei Koordinatenwerte von Objektorten (sog. Abtastpunkten) ermittelt und z.B. in Form einer 3D-Punktewolke zusammengefasst werden. Anhand dieser Messwerte kann beispielsweise auf die Abmessungen, die dreidimensionale Form und/oder das Einhalten gewünschter Eigenschaften des Objekts geschlossen werden (z.B. zulässiger Formabweichungen).
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Um Koordinatenwerte zu erfassen, kann das Objekt z.B. taktil oder berührungslos (z.B. optisch) abgetastet werden. Hierzu wird ein die Objektoberfläche taktil oder berührungslos erfassender Messtasters mittels des Koordinatenmessgeräts relativ zu dem Objekt positioniert und bewegt. Dies erfolgt mittels einer Maschinenkinematik des Koordinatenmessgeräts, die mehrere mittels einer jeweiligen Antriebseinrichtung bewegbare Maschinenachsen umfasst. Für das Erfassen der Koordinatenwerte können die eingenommenen Achspositionen (d.h. Achswerte) der einzelnen Maschinenachsen erfasst und/oder ausgewertet werden.
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Es ist ferner bekannt, Kinematikeinheiten (die auch als Bewegungseinheiten bezeichnet werden können) wie zum Beispiel sogenannte Dreh-Schwenkeinheiten an das Koordinatenmessgerät zu koppeln, sodass ein mit der Kinematikeinheit gekoppelter Messtaster mittels zusätzlich ansteuerbarer Achsen diese Einheit im Raum positionierbar ist. Die Kinematikeinheit kann folglich allgemein dazu dienen, zusätzliche Bewegungsachsen für eine Positionierung und Bewegung des Messtasters bereitzustellen. Hierdurch kann der Messablauf vereinfacht werden. Beispielsweise kann der Messtaster relativ zu einem zu vermessenden Objektbereich mittels der Kinematikeinheit zunächst geeignet ausgerichtet werden, sodass das Objekt anschließend mittels möglichst wenig umfangreichen und/oder komplexen Achsbewegungen des Koordinatenmessgeräts erfassbar ist. Unter einer Bewegungsachse kann im Rahmen dieser Offenbarung eine insbesondere ansteuerbare und/oder antreibbare Bewegungseinrichtung verstanden werden, mit der Bewegung entlang und/oder um vorbestimmte Achse erzeugbar sind.
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Es sind auch Lösungen am Markt erhältlich, bei der die Achsen einer Kinematikeinheit parallel zu Bewegungen des Koordinatenmessgeräts bewegbar sind, beispielsweise um über mittels sämtlicher zur Verfügung stehender Achsen (typischerweise drei Linearachsen des Koordinatenmessgeräts und zwei Drehachsen der Kinematikeinheit) eine sogenannte scannende Objektantastung durchzuführen. Eine derartige Kinematikeinheit wird zum Beispiel unter dem Namen REVO von Renishaw plc., Wottonunder-Edge (GB), vermarktet und, sofern an ein übliches Koordinatenmessgerät mit drei Linearachsen angebracht, als 5-Achsen-Messsystem bezeichnet.
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Derartige Lösungen besitzen den Vorteil, dass die insgesamt zur Verfügung stehenden Achsen zum Ausführen komplexer Messbewegungen gemeinsam (d.h. koordiniert) bewegbar sind und der Messtaster somit komplexe Geometrien mit einer kurzen Messdauer abfahren kann.
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Im Rahmen der industriellen Werkstückfertigung müssen oftmals Aussparungen, Ausnehmungen oder Bohrungen mittels Koordinatenmessgeräten vermessen werden. Ein Beispiel sind zylindrische Bohrungen in einem Verbrennungsmotorblock. Wie bei der Objekterfassung allgemein üblich, besteht dabei der Wunsch, diese Geometrien möglichst genau aber mit einer geringen Messdauer zu erfassen. Insbesondere kann ein schnelles aber genaues Vermessen der Form oder des Durchmessers der Bohrungen im Rahmen einer seriellen Werkstückfertigung und -prüfung gewünscht sein. Hierdurch kann auch auf etwaige Abnutzungszustände von für das Herstellen der Bohrungen verwendeten Werkzeugen geschlossen werden, zum Beispiel um einen rechtzeitigen Austausch der Werkzeuge und/oder eine maximale Ausnutzung von deren Lebensdauer zu erreichen.
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Es hat sich gezeigt, dass bisher verfügbare Kinematikeinheiten für derartige Messaufgaben nicht immer optimal geeignet sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Kinematikeinheit zum Erfassen von Objekten und insbesondere von Aussparungen, Ausnehmungen oder Bohrungen von Objekten bereitzustellen, die ein genaues Erfassen bei einer begrenzten Messdauer ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung und ein Verfahren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass die in der einleitenden Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der vorliegend offenbarten Lösung vorgesehen sein können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine für bestimmte Messaufgaben und insbesondere das Vermessen von Aussparungen, Ausnehmungen oder Bohrungen optimierte Kinematikeinheit bereitzustellen. Beispielsweise wurde erkannt, dass bisherige Kinematikeinheiten vergleichsweise kostenintensiv sind, da sie für ein breites Aufgabenspektrum ausgelegt sind. Weiter ist das Verwenden von zwei Rotationsachsen in einer Kinematikeinheit nicht für sämtliche zu vermessenden Geometrien geeignet, da der Messtaster hierbei ausschließlich verschwenkbar ist.
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Die Erfindung sieht stattdessen vor, eine erste Bewegungsachse in Form einer Rotationsachse bzw. eines angetriebenen und/oder ansteuerbaren Rotationsgelenks mit einer weiteren Bewegungsachse zu kombinieren, welche dazu eingerichtet ist, den Messtaster in einem variierbaren Abstand und/oder exzentrisch zu der Drehachse anzuordnen. Insbesondere ist vorgesehen, den Messtaster unter zumindest temporärer und/oder abschnittsweiser Aufrechterhaltung seiner Ausrichtung bzw. Orientierung z.B. relativ zu der Drehachse und/oder in einem Raum- oder Basiskoordinatensystem eines Koordinatenmessgeräts zu verlagern. Dies ermöglicht, den Messtaster mittels des Koordinatenmessgeräts in einer Aussparung, Ausnehmung oder Bohrung zu positionieren, den Messtaster anschließend mittels der zweiten Bewegungsachse in Richtung eines Wandbereichs (bzw. Innenwandbereichs) der Aussparungen, Ausnehmungen oder Bohrung zu bewegen und (im Fall eines taktilen Messtasters) in Anlage hiermit zu bringen. Anschließend kann der Messtaster zur Messwerterzeugung mittels der ersten Bewegungsachse entlang des Wandbereichs (bzw. der Innenwand) der Aussparung, Ausnehmungen oder Bohrung bewegt werden. Mittels der zweiten Bewegungsachse kann somit ein radialer Abstand zu Drehachse eingestellt und vorzugsweise auch aufrechterhalten werden (z.B. aufgrund einer Selbsthemmung).
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Die erfindungsgemäß ermöglichten Bewegungen des Messtasters sind mittels günstiger und wenig komplex aufgebauten Bewegungsachsen umsetzbar und ermöglichen eine genaue Objektantastung bzw. -vermessung. Ferner wird die Kalibrierung vereinfacht, da bspw. das Abfahren bzw. Ausspindeln eines Lehrrings durch den Messtaster hierfür ausreichend ist und aus hierzu gemessenen Abweichungen Messwerte realer Bauteile ermittelt werden können. Alternativ kann in an sich bekannter Weise durch Abtasten eines Kalibriernormals kalibriert werden.
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Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Möglichkeit, die tatsächliche Objektantastung (und insbesondere Aussparungs-, Ausnehmungs- oder Bohrungserfassung) samt hierfür erforderlicher Messtasterbewegungen im Wesentlichen oder ausschließlich über die erfindungsgemäße Kinematikeinheit zu realisieren. Das Koordinatenmessgerät kann hingegen bei der Objektantastung nur geringe oder aber auch gar keine Bewegungen ausführen (d. h. stillstehen). Stattdessen kann das Koordinatenmessgerät dazu dienen, den Messtaster grob zu positionieren (zum Beispiel innerhalb einer Bohrung), wohingegen die tatsächlichen Messbewegungen (zum Beispiel in einem scannenden Messbetrieb) mittels der Kinematikeinheit umgesetzt werden. Dies kann dazu beitragen, die erforderliche Messdauer reduzieren, da die Bewegungen des Messtasters mittels der vergleichsweise kompakten und mit einer geringen Masse ausgebildeten Kinematikeinheit umgesetzt werden können, anstatt mit den Maschinenachsen eines vergleichsweise großen und schweren Koordinatenmessgeräts.
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Ferner wird für das Erfassen von Bohrungen mittels der ersten Bewegungsachse eine für die erforderliche (Dreh-)Messbewegung entlang einer Bohrungsinnenwand optimierte Achse bereitgestellt. Im Fall von Koordinatenmessgeräten, die typischerweise ausschließlich Linearachsen aufweisen, wäre eine solche Bewegung nur durch ein gleichzeitiges und vergleichsweise langsames Bewegen sämtlicher Linearachsen möglich.
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Im Detail wird eine Kinematikeinheit zum Bewegen eines Messtasters relativ zu einem Objekt (Messobjekt) vorgeschlagen, wobei die Kinematikeinheit an ein Koordinatenmessgerät ankoppelbar und hiervon im Raum bewegbar ist, wobei die Kinematikeinheit mit einem Messtaster zur Objektantastung gekoppelt oder koppelbar ist und wobei die Kinematikeinheit aufweist:
- - einen Schnittstellenbereich zum Ankoppeln an das Koordinatenmessgerät;
- - eine erste Bewegungsachse, die dazu eingerichtet ist, den Messtaster um eine Drehachse zu rotieren; und
- - eine zweite Bewegungsachse, die dazu eingerichtet ist, den Messtaster durch ein Bewegen entlang einer Bewegungsstrecke in einem einstellbaren (bzw. variierbaren) Abstand zu der Drehachse anzuordnen, wobei eine Ausrichtung des Messtasters (insbesondere relativ zur Drehachse) zumindest entlang eines Teils der Bewegungsstrecke aufrechterhaltbar ist (insbesondere relativ zu einer anfänglichen Ausrichtung an einer Anfangsposition der Bewegungsstrecke).
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Die Ausrichtung des Messtasters kann durch einen Ankoppelbereich hierfür an der Kinematikeinheit vorgegeben sein oder sich hieraus erschließen (z.B. durch die Orientierung einer Aufnahmebohrung oder -ausspaarung im Ankoppelbereich der Kinematikeinheit, in denen ein Ende des Messtasters aufnehmbar ist). Alternativ ausgedrückt kann die zweite Bewegungsachse also dazu eingerichtet sein, einen Ankoppelbereich der Kinematikeinheit für den Messtaster durch ein Bewegen entlang einer Bewegungsstrecke in einem einstellbaren (bzw. variierbaren) Abstand zu der Drehachse anzuordnen, wobei eine Ausrichtung des Ankoppelbereichs zumindest entlang eines Teils der Bewegungsstrecke aufrechterhaltbar ist (insbesondere relativ zu einer anfänglichen Ausrichtung an einer Anfangsposition der Bewegungsstrecke). Weiter alternativ ausgedrückt kann der Messtaster allgemein mit einer definierten Ausrichtung an der Kinematikeinheit angeordnet oder anordenbar sein und die Kinematikeinheit kann dazu eingerichtet sein, insbesondere aufgrund ihrer Achskonfiguration diese Ausrichtung auch bei den geschilderten Messtasterbewegungen aufrechtzuerhalten. Eine nicht aufrechterhaltene Ausrichtung könnte z.B. dann vorliegen, wenn der Messtaster relativ zu der Drehachse verschwenkt werden würde.
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Die Kinematikeinheit kann als ein separater handhabbares Modul, eine integrierte Baugruppe und/oder eine integrierte funktionale Einheit ausgebildet sein. Insbesondere kann die Kinematikeinheit die Bewegungsachsen und den Schnittstellenbereich (sowie den angekoppelten oder ankoppelbaren Messtaster) baulich zusammenfassen und zum Beispiel als Ganzes mit dem Koordinatenmessgerät koppelbar und hiervon wieder abnehmbar sein. Übergeordnet kann die Kinematikeinheit vorbestimmte Bewegungen des Messtasters ermöglichen und/oder einen (vorzugsweise elektromechanischen) Verstellmechanismus oder eine (vorzugsweise elektromechanische) Verstellmimik für den Messtaster bereitstellen, der zusätzliche Bewegungen gegenüber den mittels der Koordinatenmessgerät-Achsen ermöglichten Bewegungen erlaubt.
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Allgemein kann die Kinematikeinheit dazu eingerichtet sein, den Messtaster kontinuierlich und/oder stufenlos innerhalb eines vorbestimmten Bewegungsspektrums und/oder an jede beliebige Position innerhalb des Bewegungsspektrums zu bewegen. Vorzugsweise sind beide Bewegungsachsen (wenigstens aber die erste Bewegungsachse) dazu eingerichtet, kontinuierliche und/oder stufenlose Bewegungen des Messtasters und/oder Bewegungen an beliebige Positionen innerhalb des Achs-Bewegungsspektrums zu ermöglichen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Messtaster zumindest entlang der zweiten Bewegungsachse lediglich in vorbestimmten Positionen anordenbar ist (d. h. diskret oder stufenförmig innerhalb des Bewegungsbereiches der zweiten Bewegungsachse bewegbar und/oder anordenbar ist).
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Die Bewegungsachsen können jeweils ein ansteuerbares und/oder angetriebenes Gelenk zum Beispiel in Form eines Rotations- oder Lineargelenks umfassen. Die Drehachse kann durch ein entsprechendes Gelenk der ersten Bewegungsachse definiert sein und allgemein eine virtuelle Raumachse sein.
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Bei dem Schnittstellenbereich kann es sich um einen mechanischen Schnittstellenbereich handeln. Zusätzlich oder alternativ kann der Schnittstellenbereich Schnittstellen für Leitungen umfassen, zum Beispiel für Leitungen zur elektrischen Energie- und/oder zur Signalübertragung. Beispielsweise kann der Schnittstellenbereich Schnittstellen für eine (elektrische) Energieübertragung zum Betreiben der ersten und zweiten Bewegungsachse umfassen. Ferner kann der Schnittstellenbereich Schnittstellen zur Übertragung von Signalen eines optionalen Positionsmesssystems von wenigstens einer der ersten und zweiten Bewegungsachse umfassen, zum Beispiel an eine Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts. Gemäß einer Variante ist der Schnittstellenbereich derart ausgebildet, dass er mit einer Tasterwechselschnittstelle und/oder einer vorbestimmten und vorzugsweise standardisierten mechanischen Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts koppelbar ist, an der prinzipiell verschiedene Messtaster und/oder Messtaster umfassende (bzw. führende) Einheiten anbringbar sind (zum Beispiel eine Dreh-Schwenkeinheit).
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Der Messtaster kann allgemein für eine taktile oder berührungslose (d. h. optische) Objektantastung eingerichtet sein. Vorzugsweise ist der Messtaster für eine taktile Objektauffassung ausgebildet und umfasst wenigstens ein Tastelement zum Beispiel in Form einer Kugel (Tastkugel) oder einer Scheibe bzw. eines Scheibensegments. Ferner kann der Messtaster ein vorzugsweise langgestrecktes Element zum Verbinden des Tastelements mit der Kinematikeinheit umfassen, insbesondere einen Taststift. Der Taststift weist vorzugsweise einen geradlinigen Verlauf auf, kann aber auch gebogen sein und/oder wenigstens einen Knick oder eine Abwinkelung umfassen. In einer Variante erstreckt sich der (vorzugsweise geradlinige) Taststift parallel zu der Drehachse der ersten Bewegungsachse zum Beispiel entlang dessen gesamter Länge. Der Taststift kann allgemein eine Ausrichtung (bzw. Orientierung) des Messtasters festlegen, insbesondere relativ zu der Drehachse. Beispielsweise kann die Ausrichtung des Messtasters als eine Ausrichtung der Längsachse des Taststifts definiert sein.
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Übergeordnet kann unter der Ausrichtung des Messtasters eine Ausrichtung in einem dreidimensionalen räumlichen Koordinatensystem, einem Basiskoordinatensystem des Koordinatenmessgeräts und/oder eine Ausrichtung relativ zu der Drehachse der Kinematikeinheit verstanden werden. Weiter kann die Ausrichtung bei einem Bewegen mittels der zweiten Bewegungsachse auch temporär verändert werden, sofern die Ausrichtung in einer Endposition der Bewegung mit derjenigen in einer Anfangsposition übereinstimmt. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Ausrichtung während des gesamten Bewegungsvorgangs im Wesentlichen unveränderlich ist, d. h. stets die Ausrichtung des Messtasters in der Anfangsposition aufrechterhalten wird.
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Die Drehachse kann sich allgemein parallel zu einer Pinolenachse, Z-Achse und/oder Pinolenlängsachse des Koordinatenmessgeräts erstrecken oder mit einer solchen zusammenfallen. Zusätzlich oder alternativ kann sich die Drehachse parallel zu einer räumlichen vertikalen Achse erstrecken, entlang derer die Gewichtskraft wirkt. Wie nachstehend geschildert, können aber auch Adapterelemente verwendet werden, um die Ausrichtung der Drehachse zu variieren und/oder in einer gewünschten Weise einzustellen.
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Die erste Bewegungsachse kann ein drehbares Element umfassen, das relativ zu einem relativ zu dem Koordinatenmessgerät feststehenden Element und/oder Bereich der Kinematikeinheit drehbar ist. Das drehbare Element kann mittels eines Lagers und insbesondere eines Wälzlagers gelagert sein, beispielsweise um die vorstehend geschilderte Relativverdrehung auszuführen. Das drehbare Element kann von einer Aktoreinrichtung der ersten Bewegungsachse zwecks Drehung antreibbar sein, wobei die Aktoreinrichtung zum Beispiel einen Reibradantrieb umfassen oder als ein solcher realisiert sein kann.
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Die erste Bewegungsachse kann frei von einem Positionier- und/oder Winkelmesssystem sein. Entsprechend können die erste Bewegungsachse sowie die hiervon ausgeführte Drehbewegung allgemein ungeregelt und/oder lediglich gesteuert sein. Dies mindert die Kosten der Kinematikeinheit. Das Überwachen der Drehbewegung und insbesondere einer vollständigen Drehbewegung um 360° kann stattdessen über einen einfachen Impulsgeber erfolgen, der z.B. lediglich das Erreichen einer vollständigen Drehung (zuzüglich eines etwaigen Toleranzwert) mittels eines Impulssignals anzeigt. Alternativ können die Messsignale des Messtasters ausgewertet werden und insbesondere etwaige hiervon ermittelte Koordinatenwerte. Sobald diese das Abfahren eines vollständigen Kreises anzeigen (zum Beispiel entlang einer Bohrungsinnenwand), kann darauf geschlossen werden, dass eine vollständige Drehbewegung stattgefunden hat.
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Bevorzugt wird jedoch, dass die erste Bewegungsachse ein Positionier- und/oder Winkelmesssystem umfasst, beispielsweise um eine aktuelle Winkelstellung des Messtasters erfassen zu können. Hierüber können genauere Informationen über die erfasste Geometrie ermittelt werden und insbesondere genauere Forminformationen von zum Beispiel einer erfassten Bohrung, als wenn ohne ein solches Messsystem vorgegangen werden würde. Anders ausgedrückt können die gewonnenen Messinformationen (zum Beispiel Abstandswerte und/oder Koordinatenwerte) mit einer dabei jeweils eingenommenen Winkelstellung der ersten Bewegungsachse ergänzt werden (zum Beispiel zum Bilden von Wertepaaren oder Wertegruppen). In diesem Fall kann aber vorgesehen sein, ein Messsystem mit lediglich durchschnittlicher Genauigkeit zu verwenden (d. h. kein hochauflösendes Messsystem), um die Kosten der Kinematikeinheit zu reduzieren.
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Um die Messdauer zu verkürzen, wird bevorzugt, dass die erste Bewegungsachse eine Drehung um die Drehachse mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 500°/s, wenigstens 700°/s oder auch wenigstens 800°/s ermöglicht (zum Beispiel 720°/s). Hierdurch können insbesondere kreisförmige Messbewegungen, wie sie zum Erfassen von Bohrungsinnenwänden üblich sind, schnell ausgeführt werden.
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Der Messtaster kann allgemein dauerhaft mit der Kinematikeinheit gekoppelt sein und/oder auswechselbar daran montiert sein. In letzterem Fall kann die Kinematikeinheit eine geeignete (insb. mechanische) Wechselschnittstelle umfassen, um verschiedene Messtaster und insbesondere die Taststifte von verschiedenen Messtastern darin aufzunehmen.
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Die zweite Bewegungsachse kann zum Aufrechterhalten der Ausrichtung dazu eingerichtet sein, den Messtaster derart zu verlagern, dass ein Winkel, den dieser mit der Drehachse einschließt (zum Beispiel ein Winkel zwischen einer Längsachse eines Taststiftes des Messtasters und der Drehachse), im Wesentlichen konstant bleibt. Allgemein kann vorgesehen sein, dass die zweite Bewegungsachse dazu eingerichtet ist, den Messtaster in einer radialen Richtung relativ zu Drehachse zu verlagern, d. h. in einer zu der Drehachse orthogonalen Richtung. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Messtaster und insbesondere ein etwaiges Tastelement hiervon im Wesentlichen innerhalb einer Ebene verlagerbar ist (d. h. bei einer Verlagerung nicht relativ zu dieser Ebene verschwenkt wird). Diese Ebene kann senkrecht auf der Drehachse stehen. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Messtaster mittels der zweiten Bewegungsachse innerhalb einer die Drehachse enthaltenen Ebene verlagerbar ist.
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Die zweite Bewegungsachse kann allgemein ein möglichst direktes (d. h. schnelles) Verlagern des Messtasters in Richtung eines zu vermessenden Objektbereichs ermöglichen, beispielsweise um den Messtaster in Anlage mit einem zu vermessenden Innenwandbereich einer Ausnehmung, Aussparung oder Bohrung zu bringen. Übergeordnet kann die zweite Bewegungsachse eine Verlagerung über eine Distanz von bis zu 20 mm, bis zu 30 mm, bis zu 50 mm, bis zu 70 mm oder bis zu 100 mm ermöglichen (oder auch wenigstens 50 mm oder wenigstens 100 mm). Die entsprechende Distanz kann entlang eines Bewegungspfades des Messtasters und/oder relativ zu der Drehachse (zum Beispiel als radialer Abstand hiervon) gemessen werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kinematikeinheit neben der ersten und zweiten Bewegungsachse keine weiteren antreibbaren und/oder ansteuerbaren Bewegungsachsen umfasst bzw. keine weiteren Bewegungsachsen umfasst, mit denen der Messtaster bewegt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Kinematikeinheit und des Verfahrens ist die zweite Bewegungsachse als eine Linearachse realisiert. Anders ausgedrückt kann die zweite Bewegungsachse dazu eingerichtet sein, den Messtaster im Wesentlichen entlang eines linearen Bewegungspfades zu verlagern. Beispielsweise kann die zweite Bewegungsachse eine rotierbare Spindel umfassen sowie eine hiermit zusammenwirkende Mutter, die entlang der Spindellängsachse nach Maßgabe von deren Rotation verlagerbar ist. Der Messtaster kann zumindest mittelbar mit der Mutter gekoppelt und gemeinsam mit dieser bewegbar sein. Die Spindellängsachse kann den linearen Bewegungspfad definieren und/oder vorgeben. Zur Rotation der Spindel kann ein Elektromotor vorgesehen sein. Dieser kann eine Aktoreinrichtung der zweiten Bewegungsachse bilden und/oder von einer solchen umfasst sein.
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Wie geschildert, kann die zweite Bewegungsachse dazu eingerichtet sein, den Messtaster in einer zu der Drehachse orthogonalen (d. h. radialen) Richtung zu verlagern. Eine etwaige Spindel der zweiten Bewegungsachse kann sich ebenfalls in einer orthogonalen (bzw. radialen) Richtung zu der Drehachse erstrecken. Die Spindel kann eine Gewindespindel sein und/oder die Möglichkeit bereitstellen, den Messtaster in einem eingestellten Abstand zur Drehachse zu halten (bspw. aufgrund von Selbsthemmung).
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Bei einer Weiterbildung der Kinematikeinheit und des Verfahrens ist wenigstens einer der ersten und der zweiten Bewegungsachse derart betreibbar, dass der Messtaster für ein scannendes Objektantasten bewegbar ist (d. h. eine scannende Objektantastung ausführt oder auch ein scannendes Objektvermessen).
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Unter einem scannenden Objektantasten kann eine zumindest abschnittsweise kontinuierliche (d. h. unterbrechungsfreie) Bewegung des Messtasters entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades verstanden werden, vorzugsweise unter gleichzeitiger Erfassung von mehreren Messwerten und/oder dem (fortlaufenden) Erzeugen von Messsignalen. Dies unterscheidet sich von einem Antasten lediglich vereinzelter Antastpunkte oder, mit anderen Worten, von einer sogenannten Einzelpunktmessung. Somit können mittels der scannenden Objektantastung linienförmige und nicht nur lediglich eindimensionale oder punktförmige Objektbereiche erfasst werden. Insbesondere kann somit ermöglicht werden, den Innendurchmesser einer Bohrung im Wesentlichen unterbrechungsfrei oder, mit anderen Worten, im Rahmen einer durchgängigen kreisförmigen Messtasterverlagerung zu erfassen und/oder abzufahren. Die scannende Objektantastung kann mittels lediglich der ersten Bewegungsachse ausgeführt werden, wohingegen die zweite Bewegungsachse in einer konstanten Position verbleiben kann und zum Beispiel als Positionierachse zum Einstellen einer Messtaster-Ausgangsposition dient. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste und zweite Bewegungsachse zumindest temporär gleichzeitig Bewegungen ausführen (d. h. koordinierte betreibbar sind), insbesondere um die scannende Objektantastung zu ermöglichen.
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Allgemein kann vorgesehen sein, dass die zweite Bewegungsachse lediglich für ein Positionieren relativ zu dem zu erfassenden Objektbereich betreibbar ist, nicht aber für Messbewegungen zur Messwerterzeugung. Beispielsweise kann sie dazu eingerichtet sein, den Messtaster in eine vorbestimmte Anfangsposition relativ zu dem zu erfassenden Objektbereich (zum Beispiel einer Bohrungsinnenwand) zu positionieren und insbesondere hiermit in Kontakt zu bringen (zum Beispiel durch Herstellen einer Anlage zwischen einem Tastelement (z.B. Messkugel) und dem Objektbereich). Die erste Bewegungsachse kann hingegen für ein Ausführen einer tatsächlichen Messbewegung betreibbar sein, d.h. eine Verlagerung des Messtasters zum Erfassen von Messwerten und/oder Erzeugen von Messsignalen durchführen. Folglich kann auch vorgesehen sein, dass zumindest für eine Objektantastung die erste und zweite Bewegungsachse allgemein aufeinanderfolgend betreibbar sind (und insbesondere ausschließlich aufeinanderfolgend). Eine gleichzeitige Verlagerung mittels beider Bewegungsachsen kann hingegen zumindest zum Erfassen von Bohrungen nicht ermöglicht werden. Hierdurch wird eine einfach zu steuernde Trennung der auszuführenden Messtasterbewegungen und/oder ein Begrenzen von die Messgenauigkeit reduzierenden Wechselwirkungen zwischen den beiden Bewegungsachsen ermöglicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Kinematikeinheit und des Verfahrens sieht vor, dass die erste Bewegungsachse dazu eingerichtet ist, den Messtaster in einer geschlossenen kreisförmigen Bewegung um die Drehachse zu bewegen, wobei ein Radius der kreisförmigen Bewegung vorzugsweise größer als 10 mm ist. Die kreisförmige Bewegung (von zum Beispiel einem Tastelement des Messtasters) kann vorzugsweise in einer orthogonal zu der Drehachse verlaufenden Ebene erfolgen. Dies ermöglicht, dass der Messtaster zylindrische Objektbereiche (zum Beispiel Bohrungsinnenwände) mit einer geringen Messdauer erfassen kann. Die geschilderte Bewegung kann mittels lediglich der ersten Bewegungsachse ausgeführt werden, wohingegen die zweite Bewegungsachse in einer konstanten Position verbleiben kann und zum Beispiel als Positionierachse zum Einnehmen einer Ausgangsposition dient.
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Gemäß einer weiteren Variante von Kinematikeinheit und Verfahren sind die erste und zweite Bewegungsachse unabhängig von Bewegungen des Koordinatenmessgeräts betreibbar und insbesondere unabhängig hiervon antreibbar und/oder bewegbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder zweite Bewegungsachse auch dann bewegbar sind, wenn die Achsen des Koordinatenmessgeräts stillstehen. Dies kann dahingehend vorteilhaft sein, als dass die tatsächliche Messbewegung weitestgehend oder im Wesentlichen vollständig unabhängig von etwaigen Achsbewegungen des Koordinatenmessgeräts ausgeführt werden können. Aufgrund der geringeren zu bewegenden Massen und der für die erforderliche Messbewegung zumindest im Fall von Bohrungen besonders vorteilhaften Bewegungsachsen der erfindungsgemäßen Kinematikeinheit kann somit die Messdauer reduziert werden.
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Bei einer Weiterbildung der Kinematikeinheit und des Verfahrens ist die zweite Bewegungsachse durch die erste Bewegungsachse um die Drehachse verdrehbar. Insbesondere kann die zweite Bewegungsachse zwischen dem Messtaster und der ersten Bewegungsachse positioniert sein und/oder gemeinsam mit dem Messtaster von der ersten Bewegungsachse um die Drehachse verdreht werden. Dies ist zum Beispiel dahingehend vorteilhaft, als dass sich die erste Bewegungsachse zum Erzielen der Drehbewegung unmittelbar ohne weitere dazwischengeschaltete bewegbare Komponenten über den Schnittstellenbereich an dem Koordinatenmessgerät abstützen kann. Weiter kann hierdurch vermieden werden, dass die zweite Bewegungsachse vergleichsweise schwere Elemente (zum Beispiel ein Wälzlager) der ersten Bewegungsachse gemeinsam mit dem Messtaster verschieben muss, sodass die zweite Bewegungsachse weniger leistungsstark und somit günstiger ausgebildet sein kann und/oder allgemein ein schnelleres Verlagern entlang der von ihr definierten Bewegungsstrecke ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Variante von Kinematikeinheit und Verfahren umfasst die zweite Bewegungsachse eine relativ zu der Drehachse verlagerbare Komponente und der Messtaster ist mit dieser Komponente gekoppelt oder koppelbar. Die verlagerbare Komponente kann allgemein linear verlagerbar sein und/oder einen Bewegungspfad des Messtasters definieren (insbesondere einen Verlauf hiervon). Bei der verlagerbaren Komponente kann es sich um eine mit einer rotierbaren Spindel zusammenwirkende Mutter handeln. Die Mutter oder ein hiermit verbundenes Zwischenelement (Messtasterbasis) kann geführt verlagerbar sein, zum Beispiel mittels einer Linearführung, die sich entlang eines von der ersten Bewegungsachse definierten Bewegungspfades erstreckt (zum Beispiel parallel zu einer etwaigen Spindel hiervon). Allgemein kann vorgesehen sein, dass Bewegungen des Messtasters, die von bzw. mittels der ersten und/oder der zweiten Bewegungsachse erzeugt werden, geführt sind.
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Eine Weiterbildung von Kinematikeinheit und Verfahren sieht vor, dass wenigstens die zweite Bewegungsachse ein Positionsmesssystem umfasst. Das Positionsmesssystem kann einen Positionswert bezogen auf einen definierten Ursprung (zum Beispiel eine Nulllage) ausgeben. Es kann sich also um ein relatives Positionsmesssystem handeln, was die Komplexität und Kosten das Positionsmesssystem reduziert. Ebenso kann aber ein absolutes Positionsmesssystem vorgesehen sein, dass die Koordinaten des Messtasters zum Beispiel in einem Sensorkoordinatensystem ausgibt. Das Positionsmesssystem kann allgemein eine ablesbare Skala umfassen (zum Beispiel einen Maßstab, insbesondere in Form eines Glasmaßstabs) und eine Ableseeinheit kann relativ zu der vorzugsweise ortsfesten Skala gemeinsam mit einer bewegbaren Komponente der ersten Bewegungsachse und/oder einer von der ersten Bewegungsachse bewegten Komponente verlagerbar sein. Die Leseeinheit kann einen Positionsmesswert anhand der Skala inkrementell und/oder durch Ablesen eines Absolutwerts ermitteln.
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In einer Variante wird das Positionsmesssystem dazu verwendet, um eine Anfangsposition für den Messtaster vorzugeben (und/oder das Erreichen dieser Anfangsposition zu messen), beispielsweise um diesen möglichst nahe und/oder an einer Bohrungsinnenwand zu positionieren. Diese Anfangsposition kann als eine Referenz verwendet werden, die mit tatsächlich erfassten Messwerten verrechnet wird (zum Beispiel durch Addition oder Subtraktion der Messwerte zu bzw. von der Referenz). Anders ausgedrückt können während einer Drehung des Messtasters Abweichungen (in der Regel zuzüglich des halben Messkugeldurchmessers) zu dieser Referenz erfasst und kann daraus zum Beispiel ein Bohrungsdurchmesser bestimmt werden.
Die Kinematikeinheit (und/oder eine nachfolgend erläuterte Anordnung) kann ferner ein Adapterelement umfassen, um eine Ausrichtung der Drehachse relativ zu dem Koordinatenmessgerät (und/oder relativ zu einer Komponente des Koordinatenmessgeräts, an welche die Kinematikeinheit gekoppelt wird) einstellen zu können. Das Adapterelement ist vorzugsweise auswechselbar bzw. austauschbar. Die Kinematikeinheit kann dazu eingerichtet sein, mit verschiedenen Adapterelementen kombiniert zu werden und hiermit bzw. hierüber (und/oder auch ohne ein Adapterelement) mit dem Koordinatenmessgerät gekoppelt zu werden. Das Adapterelement kann den Schnittstellenbereich umfassen und/oder zwischen dem Schnittstellenbereich und weiteren Komponenten der Kinematikeinheit (insbesondere der ersten Bewegungsachse) angeordnet werden. Das Adapterelement kann wenigstens eine schrägen Bereich umfassen und/oder eine in einem Winkel (von zum Beispiel zwischen 20° und 80°) zu einer Ebene des Schnittstellenbereichs verlaufenden Bereich. Orthogonal zu diesem Bereich kann die Drehachse verlaufen, beispielsweise durch Anordnen der ersten Bewegungsachse an eben diesem Bereich. Eine mittels der Adaptereinheit eingestellte Ausrichtung der Drehachse kann zum Beispiel einem Winkel der Drehachse von zwischen 20° und 80° oder zwischen 40° und 60° zu einer vertikalen Raumachse und/oder Z- bzw. Pinolenachse des Koordinatenmessgeräts entsprechen. Anders ausgedrückt kann das Adapterelement allgemein dazu eingerichtet sein, die Drehachse in einem Winkel zu einer Pinolenachse des Koordinatenmessgeräts anzuordnen, wobei dieser Winkel auch (vorzugsweise manuell) variierbar sein kann..
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Das Adapterelement (zum Beispiel gemäß jeglicher der vorstehenden und nachstehenden Varianten) stellt auch einen gesonderten Aspekt der Erfindung dar. Insbesondere betrifft die Erfindung auch ein Adapterelement, das dazu eingerichtet ist, eine Ausrichtung der Drehachse einer Kinematikeinheit gemäß einem der vorangehenden oder nachstehenden Aspekte relativ zu einem Koordinatenmessgerät einzustellen und insbesondere relativ zu einer vorbestimmten Achse des Koordinatenmessgeräts einzustellen und/oder zu variieren (zum Beispiel relativ zu einer vertikalen und/oder Pinolenachse des Koordinatenmessgeräts). Das Adapterelement kann hierzu einen ersten Schnittstellenbereich zum Koppeln mit dem Koordinatenmessgerät und einen zweiten Schnittstellenbereich zum Koppeln mit der Kinematikeinheit umfassen (insbesondere zum Koppeln mit dem Schnittstellenbereich der Kinematikeinheit). Die beiden Schnittstellenbereiche des Adapterelements können sich in einem Winkel zueinander erstrecken und/oder nicht parallel zueinander angeordnet sein, wobei dieser Winkel auch (vorzugsweise manuell) variierbar sein kann.
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Ferner betrifft die Erfindung auch eine Anordnung umfassend eine Kinematikeinheit gemäß einem der vorangehenden oder nachstehenden Aspekte sowie ein Adapterelement gemäß einem der vorangehenden oder nachstehenden Aspekte.
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Die Kinematikeinheit kann gemäß einer weiteren Variante von Kinematikeinheit und Verfahren frei von Sensoren sein, die für ein Erzeugen von Messsignalen auf Basis einer Objektantastung durch den Messtaster eingerichtet sind. Es kann sich bei der Kinematikeinheit somit um eine rein zum Beispiel elektromechanische Einheit zur Bewegungserzeugung handeln, ohne Signalerfassungs-, Signalerzeugungs- und/oder Signalauswertungsfähigkeit, zumindest bezogen auf etwaige zur Objektantastung erzeugte Messsignale (beispielsweise zum Erzeugen von Messsignalen zwecks Koordinatenwertermittlung). Es können somit keine von weiteren Einheiten abrufbare (digitale, analoge und/oder elektronische) Ausganssignale der Kinematikeinheit erzeugt werden oder etwaige Ausganssignale können keine Informationen bzgl. des Objekts oder der Objektvermessung enthalten und/oder können nicht für das Erzeugen von Messwerten auswertbar sein.
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Es versteht sich, dass etwaige Messsignale zur Objektantastung verschieden von den Signalen etwaiger Positionsmesssysteme und/oder Winkelmesssysteme der Bewegungsachsen sind (und/oder allgemeiner Steuer- und/oder Regelsignale der Bewegungsachsen). Stattdessen können die Messsignale in an sich bekannter Weise basierend auf an dem Messtaster eingeleiteten Kräften und/oder etwaigen Auslenkungen hiervon mittels bekannter Sensoreinrichtungen erfasst werden. Bei der geschilderten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass derartige Sensoreinrichtungen nicht in die Kinematikeinheit integriert sind, sondern beispielsweise in eine mit dem Schnittstellenbereich verbundene Komponente des Koordinatenmessgeräts. Bei dieser Komponente kann es sich um einen Messkopf oder, mit anderen Worten, Messsensor oder Sensorkopf des Koordinatenmessgeräts handeln, der vorzugsweise wenigstens eine Sensoreinrichtung der vorstehend erwähnten Art umfasst. Auslenkungen und/oder auf den Messtaster einwirkende Kräfte können folglich über den Schnittstellenbereich an die entsprechende Komponente übertragen und dort mittels geeigneter Sensoreinrichtungen zum Erzeugen von Messsignalen und Messwerten (insbesondere Koordinatenmesswerten) erfasst werden.
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Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Kinematikeinheit vergleichsweise günstig, leicht und wenig komplex ausgebildet werden kann. Insbesondere kann sie an einen existierenden Messkopf, Messsensor oder Sensorkopf eines Koordinatenmessgeräts angekoppelt werden, der bereits über für das Erzeugen von Messsignalen geeignete Sensoreinrichtungen verfügt und der vorzugsweise auch mit mehreren verschiedenen Messtastern und/oder Messtaster führenden Einheiten koppelbar ist. Ein Beispiel für einen geeigneten Messsensor ist die unter der Bezeichnung VAST vertriebenen Produktfamilie von Messsensoren der Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, Oberkochen (Deutschland).
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Der Messsensor kann allgemein messend betreibbar sein, d. h. innerhalb eines möglichen Wertespektrums Messsignale und/oder Messwerte erzeugen, zum Beispiel nach Maßgabe von Auslenkungen des Messtasters und/oder hierauf einwirkenden Kräften. Dies unterscheidet sich von sogenannten schaltenden Messsensoren, die lediglich einen erstmaligen Kontakt zwischen einem taktilen Messtaster und einem zu vermessenden Objektbereich anzeigen.
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Prinzipiell kann aber auch vorgesehen sein, dass die Kinematikeinheit selbst Sensoren zum Messsignalerzeugung umfasst, beispielsweise um eine eigenständig voll funktionsfähige Einheit zur Objektantastung und Messsignal- oder auch Messwerterzeugung bereitzustellen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, umfassend ein Koordinatenmessgerät und eine daran angekoppelte und von dem Koordinatenmessgerät bewegbare Kinematikeinheit. Bei dem Koordinatenmessgerät kann es sich um ein Koordinatenmessgerät jeglicher herkömmlichen Bauart handeln. Insbesondere kann das Koordinatenmessgerät wenigstens drei ansteuerbare Linearachsen umfassen, die vorzugsweise jeweils orthogonal zueinander verlaufen bzw. nach Art eines karthesischen Koordinatensystems zueinander ausgerichtet sind. Ferner kann die Anordnung einen vorstehend geschilderten Messkopf, Messsensor oder Sensorkopf mit einem zu dem Schnittstellenbereich der Kinematikeinheit komplementären Schnittstellenbereich umfassen.
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In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Anordnung derart betreibbar ist, dass das Koordinatenmessgerät während einem Bewegen des Messtasters (insbesondere zur Objektantastung) mittels der Kinematikeinheit keine Bewegung ausführt (oder allenfalls geringere als die Kinematikeinheit). Anders ausgedrückt kann das Koordinatenmessgerät während der Objektantastung nahezu oder vollständig stillstehen, wobei die zur Objektantastung erforderlichen Bewegungen des Messtasters mittels der (und vorzugsweise ausschließlich mittels der) Kinematikeinheit erzeugt werden. Dies bringt die vorstehend geschilderten Vorteile hinsichtlich einer reduzierten Messdauer mit sich, da nicht die gesamte Masse des Koordinatenmessgeräts bewegt werden muss und die Achsen der Kinematikeinheit für bestimmte Messaufgaben wie zum Beispiel einer Bohrungsvermessung besser geeignet sind. Es versteht, dass diese Ausführungsform nicht ausschließt, dass in bestimmten Betriebssituationen und auch für die Objektantastung gleichzeitige Bewegungen von Koordinatenmessgerät und Kinematikeinheit vorgesehen sein können.
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Die Anordnung kann ferner einen Messsensor (oder auch Messkopf bzw. Sensorkopf) der vorstehend geschilderten Art umfassen. Insbesondere kann der Messsensor einen oder mehrere Sensoren umfassen, die dazu eingerichtet sind, basierend auf der Objektantastung durch den Messtaster Messsignale zu erzeugen. Wie geschildert, kann die Kinematikeinheit aber lediglich an einen solchen Messsensor (vorzugsweise direkt) gekoppelt werden, sodass Bewegungen und Kräfte des Messtasters an den Messsensor übertragbar sind, ohne dass die Kinematikeinheit selbst vergleichbare Sensoren zur Messsignalerzeugung zwingend umfasst.
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Es versteht sich, dass die Anordnung jegliche Weiterbildungen, Merkmale und Funktionen umfassen und bereitstellen kann, die vorstehend in Bezug auf die Kinematikeinheit erläutert wurden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts, umfassend:
- - Ankoppeln einer Kinematikeinheit an ein Koordinatenmessgerät, wobei die Kinematikeinheit einen Messtaster zum Antasten des Objekts umfasst;
- - mittels einer Bewegungsachse der Kinematikeinheit, Einstellen eines Abstandes des Messtasters zu einer Drehachse der Kinematikeinheit durch Bewegen entlang einer Bewegungsstrecke, wobei eine Ausrichtung des Messtasters zumindest entlang eines Teils der Bewegungsstrecke aufrechterhalten wird;
- - Drehen des Messtasters um die Drehachse mittels einer weiteren Bewegungsachse der Kinematikeinheit.
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Das Verfahren kann jeglichen weiteren Schritt, jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Wechselwirkungen, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen. Insbesondere können jegliche vorstehenden oder nachstehenden Erläuterungen und Weiterbildungen der Merkmale der Kinematikeinheit und/oder Anordnung auch auf die gleichlautenden Verfahrensmerkmale zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein. Insbesondere kann das Verfahren mit einer Kinematikeinheit und/oder Anordnung gemäß jeglichem der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte ausführbar sein oder ausgeführt werden.
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Beispielsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt des Ausführens einer vollständigen (d. h. geschlossenen) kreisförmigen Bewegung des Messtasters bei einem Drehen hiervon um die Drehachse umfassen. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Abstand in der Weise eingestellt (und/oder gehalten) wird, dass dieser einem Abstand zur Drehachse entspricht, bei der der Messtaster in Anlage bzw. in Kontakt mit einem zu vermessenden Objektbereich steht oder gerät. Das Einstellen des variierbaren Abstands kann mittels einer zweiten Bewegungsachse gemäß jeglicher der vorstehenden oder nachstehenden Varianten und das Drehen um die Drehachse kein mittels einer ersten Bewegungsachse gemäß jeglicher der vorstehenden oder nachstehenden Varianten erfolgen.
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Bei einer Variante umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Positionierens des Messtasters relativ zu dem zu vermessenden Objekt beispielsweise mittels des Koordinatenmessgeräts, Variieren des Abstandes des Messtasters zu der Drehachse zum Beispiel bis dieser in Anlage mit dem zu vermessenden Objekt gerät und Ausführen der (vorzugsweise geschlossenen) Drehbewegung um die Drehachse. Auf diese Weise können insbesondere Bohrungen (zum Beispiel entlang einer Bohrungsinnenwand hiervon) schnell und präzise vermessen werden.
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Das Verfahren kann ferner vorsehen, dass eine Objektantastung mittels des Messtasters während der Drehbewegung des Messtasters um die Drehachse stattfindet. Übergeordnet kann die Objektauffassung einschließen, dass hierbei Messsignale erzeugt (und/oder ausgewertet) werden, welche zum Beispiel auf Basis von Auslenkungen und/oder auf den Messtaster einwirkenden Kräften erzeugt werden. Anders ausgedrückt kann die Objektantastung dazu dienen, tatsächliche Messwerte für das Objekt zu erzeugen. Die geschilderte Variante kann somit vorsehen, dass beispielsweise während eines Änderns des Abstandes des Messtasters zur Drehachse noch keine Objektantastung stattfindet, sondern erst dann, wenn die Drehbewegung ausgeführt wird, und/oder dass eine Objektanpassung allgemein erst beginnt, nachdem ein Messsensor (bzw. Messkopf) einen (vorzugsweise erstmaligen) Kontakt des Messtasters mit der Bohrungsinnenwand detektiert hat. Allgemein kann der Messtaster von einem Koordinatenmessgerät in einem theoretischen Mittelpunkt der Bohrung positioniert werden und anschließend kann in der vorstehend geschilderten Weise der Abstand des Messtasters zur Drehachse geändert werden. Somit kann sich die für eine tatsächliche Messsignal- und/oder Messwerterzeugung (bzw. -auswertung) ausgeführte Objektantastung auf die Drehbewegung beschränken, mit der beispielsweise eine Bohrungsinnenwand abtastbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Koordinatenmessgerät zumindest während der Drehbewegung des Messtasters um die Drehachse keine Bewegungen ausführt (d. h. stillsteht). Dies geht erneut mit den vorstehend geschilderten Vorteilen in Form einer reduzierten Messdauer einher.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In Ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung, umfassend ein Koordinatenmessgerät und eine Kinematikeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Anordnung ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt;
- 2 zeigt die Kinematikeinheit aus 1 in einer teilweisen Schnittansicht sowie in einer Neutralstellung;
- 3 zeigt eine Positionierung des Messtasters der Kinematikeinheit in einer zu erfassenden Bohrung in der Neutralstellung;
- 4 zeigt die Kinematikeinheit aus 1 in einer teilweisen Schnittansicht sowie in einer Stellung zum Erfassen einer Bohrungsinnenwand;
- 5 zeigt eine Positionierung des Messtasters der Kinematikeinheit in einer zu erfassenden Bohrung beim Erfassen der Bohrungsinnenwand;
- 6 zeigt die Kinematikeinheit aus 1 mit einem alternativen Messtaster;
- 7 zeigt einen Ablauf, um eine Mehrzahl von Bohrungen in einem Objekt zu erfassen;
- 8 zeigt die Kinematikeinheit aus 1, umfassend ein zusätzliches Adapterelement; und
- 9 zeigt die Kinematikeinheit aus 1, umfassend ein alternatives Adapterelement.
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Die in 1 dargestellte Anordnung 200 umfasst ein Koordinatenmessgerät (KMG) 211 in Portalbauweise. Dieses weist einen Messtisch 201 auf, über dem 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, wobei prinzipiell nur ein solcher Elektromotor bzw. eine solche Antriebseinheit ausreicht, beispielsweise wenn die Y-Bewegungs-Achse nicht anfällig für Rotationen um die X- und Z-Achse ist. 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.
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An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 mit einem Messsensor (Messkopf) 209 verbunden ist. Der Messsensor 209 ist mit einer nachstehend erläuterten Kinematikeinheit 10 verbunden, die einen Messtaster 12 umfasst. Der Messsensor 209 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 207 in Z-Richtung, entlang der vertikalen Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG 211 kann die Kinematikeinheit 10 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 211 entlang der Bewegungs-Achsen aber auch der Kinematikeinheit 10 entlang deren nachstehend erläuterte Bewegungsachsen steuert sowie von dem Messsensor 209 erfasste Messsignale und/oder Messwerte auswertet oder weiterverarbeitet. Die Steuerung ist ferner zur Durchführung einer oder mehrerer der im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten Schritte eingerichtet.
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In 2 ist die Kinematikeinheit 10 sowie der Messsensor 209, an dem diese angekoppelt ist, in einer Teilschnittansicht gezeigt. Man erkennt, dass der Messsensor 209 einen relativ zu dem Koordinatenmessgerät 211 feststehenden (d. h. unbeweglichen) Hauptkörper 230 umfasst. In einer der Kinematikeinheit 10 zugewandten Ausnehmung 232 des Hauptkörpers 230 ist ein bewegbarer Körper 234 aufgenommen. Dieser ist dazu eingerichtet, nach Maßgabe von auf den Messtaster 12 einwirkenden Kräften entlang und/oder um wenigstens die in 2 beiden horizontalen Raumachsen X, Y und vorzugsweise sämtliche drei Raumachsen bewegt zu werden. Die Bewegungen des Hauptkörpers 234 sind von Positionsmesssystemen 236 des Messsensors 209 erfassbar, wobei in 1 lediglich ein einzelnes Positionsmesssystem 236 in Form einer ablesbaren Skala angedeutet ist (zum Beispiel in Form eines Glasmaßstabs). Derartige Messsensoren 209 sind prinzipiell bekannt und am Markt erhältlich. Wie vorstehend geschildert, kann der Messsensor 209 verwendet werden, um Abweichungen der Messtasterposition zu einer anfangs eingestellten (radialen) Anfangsposition bzw. einer (radialen) Referenz festzustellen, was insbesondere während dem Durchführen einer Drehbewegung erfolgen kann.
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Der bewegbare Körper 234 weist eine standardisierte Tasterwechselschnittstelle 238 auf und ist hierüber mit einem komplementären Schnittstellenbereich 14 der Kinematikeinheit 10 mechanisch, elektrisch und signalübertragend verbunden. Die elektrische Verbindung dient der Übertragung von elektrischer Energie zum Antreiben der nachstehend erläuterten Bewegungsachsen der Kinematikeinheit 10. Die Signalübertragung dient dazu, Signale von einem nachstehend erläuterten Positionsmesssystem der Kinematikeinheit 10 empfangen und übertragen zu können (zum Beispiel an eine jeweils nicht dargestellte Steuereinrichtung des Messsensors 209 und/oder des Koordinatenmessgeräts 211). Weiter ermöglicht insbesondere die mechanische Kopplung mittels des Schnittstellenbereichs 14 das Übertragen der geschilderten Auslenkungen und/oder Kräfte des Messtasters 12 an den Messsensor 209.
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Die Kinematikeinheit 10 umfasst ein um eine Drehachse D nicht rotierbares und innerhalb der Kinematikeinheit 10 allgemein ortsfestes bzw. unbewegliches (vorzugsweise einstückiges) Basiselement 16. Dieses umfasst einen konzentrisch zu und entlang der Drehachse D hervorstehenden sowie sich in Richtung des Messtasters 12 erstreckenden Vorsprung 18. Der Vorsprung 18 ist in einer zentralen Bohrung eines Wälzlagers in Form eines Kugellagers 20 aufgenommen. Bei dem Kugellager 20 handelt es sich vorzugsweise um ein Präzisionslager mit einem Rundlauffehler von weniger als 0,6 µm. Ein Außenring des Kugellagers 20 ist mit einem drehbaren Element 24 für eine gemeinsame Rotation um die Drehachse D drehmomentübertragend gekoppelt.
Das drehbare Element 24 (wie auch das Kugellager 20 und zumindest der Vorsprung 18 des Basiselements 17) ist Bestandteil einer ersten Bewegungsachse 22, mit der der Messtaster 12 um die Drehachse D rotierbar ist. Die erste Bewegungsachse 22 umfasst ferner einen Elektromotor 26, der ein an einer Außenumfangsfläche des drehbaren Elements 24 anliegendes Reibrad 28 antreibt. Der Elektromotor 26 ist über ein Tragarm 17 des Basiselements 16 mit eben diesem verbunden. Die erste Bewegungsachse 22 kann prinzipiell ohne ein Winkelmesssystem realisiert sein, weist vorzugsweise aber ein solches System auf, um Winkelstellungen des drehbaren Teils 24 erfassen zu können (beispielsweise für eine genaue Formermittlung des erfassten Objektbereichs).
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An dem drehbaren Element 24 ist ferner eine zweite Bewegungsachse 30 angebracht und gemeinsam mit dem drehbaren Element 24 um die Drehachse D rotierbar. Die zweite Bewegungsachse 30 umfasst einen Elektromotor 32, der eine rotierbare Spindel 34 um deren (horizontal verlaufende) Längsachse L rotiert. Die Längsachse L definiert eine lineare sowie geradlinige Bewegungsrichtung bzw. einen Bewegungspfad der zweiten Bewegungsachse 30 und erstreckt sich allgemein orthogonal zur (vertikal verlaufenden) Drehachse D. Die zweite Bewegungsachse 30 ist somit als eine Linearachse ausgebildet und dazu eingerichtet, den Messtaster 12 entlang einer geradlinigen Bewegungsstrecke A zu bewegen (vergleiche 4).
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An der Spindel 34 ist eine Mutter 36 angeordnet, die nach Maßgabe einer Rotation der Spindel 34 entlang deren Längsachse L linear verlagerbar ist. Weiter ist eine nicht gesondert dargestellte Ableseeinheit (oder auch Lesekopf) an der Mutter 36 angebracht und gemeinsame dieser verlagerbar. Wie mit einem entsprechenden Pfeil in 2 angedeutet, ist sie dazu eingerichtet, eine oberhalb der Spindel 34 angeordnete Skala 38 (zum Beispiel in Form eines Glasmaßstabs) abzulesen. Die Skala 38 und die nicht dargestellte Ableseeinheit sind Bestandteil eines Positionsmesssystems 39 der zweiten Bewegungsachse 30.
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An der Mutter 36 ist eine Tasterbasis 38 angebracht. Diese ist entlang der Längsachse L der Spindel 34 und somit senkrecht zur Drehachse D linear geführt verlagerbar. Die Tasterbasis 38 umfasst eine zentrale Ausnehmung 39, in der ein Führungsabschnitt 40 des drehbaren Elements 24 aufnehmenbar ist. Die Ausnehmung 37 ist derart dimensioniert, dass eine Innenumfangsfläche hiervon vorzugsweise vollständig an einer Außenumfangsfläche des Führungsabschnitts 40 anliegt (d. h. diese spielfrei umgibt). Die Tasterbasis 38 kann prinzipiell zweiteilig ausgebildet und zum Beispiel derart zusammenfügbar sein, dass der Führungsabschnitt 40 darin aufnehmbar ist. Zum Vermeiden von Verkippungen kann der Führungsabschnitt 40 einen nichtrotationssymmetrischen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt sollte der Führungsabschnitt 40 zum Erzielen einer hohen Genauigkeit nur einen Freiheitsgrad besitzen, nämlich denjenigen der radialen Verlagerung entlang der Längsachse L.
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An der Tasterbasis 38 ist der Messtaster 12 angebracht, was wiederum über eine nicht gesondert dargestellte Schnittstelle der Tasterbasis 38 erfolgen kann (d. h. der Messtaster 12 kann allgemein auswechselbar sein und/oder die Kinematikeinheit 10 kann dazu eingerichtet sein, mit verschiedenen Messtastern 12 gekoppelt werden). Die Schnittstelle bildet einen im allgemeinen Beschreibungsteil erwähnten Ankoppelbereich der Kinematikeinheit für den Messtaster 12 und gibt dessen Ausrichtung vor.
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Der Messtaster 12 umfasst einen langgestreckten Taststift 42, der sich in dem gezeigten Fall entlang der Drehachse D erstreckt. Eine Längsachse T des Taststift 42 fällt somit mit der Drehachse D zusammen. An dem von der Tasterbasis 38 abgewandten Ende des Taststift 42 ist ein Tastelement in Form einer Messkugel 44 angebracht. Der Taststift 42 weist einen allgemeinen geradlinigen Verlauf auf, was jedoch nicht zwingend ist.
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In dem gezeigten Fall ist der Messtaster 12 in einer Neutralstellung angeordnet, bei der er mittig innerhalb der Kinematikeinheit 10 positioniert ist und/oder bei der die Längsachse T des Taststift 42 mit der Drehachse D zusammenfällt. Weiter ist der Messtaster 12 in dem abgebildeten Zustand bereits in ein Objekt 300 eingeführt worden und genauer gesagt in eine zylindrische Bohrung 302 hiervon, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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3 zeigt eine Unteransicht des Objekts 300 sowie auf die Bohrung 302, wobei die Drehachse D senkrecht auf der Blattebene steht. Man erkennt, dass die Messkugel 44 zentral innerhalb der Bohrung 302 positioniert ist.
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Um die Bohrung 302 taktil zu erfassen bzw. anzutasten und insbesondere einen Durchmesser und/oder eine Form hiervon zu bestimmen, wird der Messtaster 12, nachdem dieser mittels des Koordinatenmessgeräts 211 in der in 2 abgebildeten Stellung positioniert wurde, zunächst mittels der zweiten Bewegungsachse 30 in einem radialen Abstand zu der Drehachse D positioniert (d. h. entlang der Spindellängsachse L verlagert). Dies ist in 4 dargestellt. Diese Bewegung kann mittels des Positionsmesssystems 39 der zweiten Bewegungsachse 30 überwacht und geregelt werden. Insbesondere kann basierend auf einem erwarteten und zum Beispiel aus CAD-Daten oder anderweitigen Objektinformationen bekannten Bohrungsdurchmesser eine geeignete Position und somit Bewegungsstrecke (oder auch -distanz) des Messtasters 12 mittels der zweiten Bewegungsachse 30 bestimmt werden. Diese Position kann daraufhin durch Verlagern entlang einer Bewegungsstrecke A angefahren werden, woraufhin der Messtaster 12 bzw. dessen Messkugel 44 in Anlage mit einer zylindrischen Innenwand 50 der Bohrung 302 bringbar ist. Die Bewegungsstrecke A definiert den mittels der zweiten Bewegungsachse 30 eingestellten Abstand des Messtasters 12 zur Drehachse D.
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Anschließend wird der Messtaster 12, wie durch einen entsprechenden Pfeil in 4 angedeutet, um die Drehachse D rotiert. Dies erfolgt mittels der ersten Bewegungsachse 22, welche das drehbare Element 24 für eine entsprechende Rotation antreibt. Dies führt dazu, dass die Messkugel 44 entlang der Bohrungsinnenwand 50 bewegt wird und diese kontinuierlich oder, mit anderen Worten, durchgehend im Sinne einer scannenden Objektantastung taktil abtastet. Die dabei auf den Messtaster 12 einwirkenden Kräfte und/oder von diesem ausgeführten Bewegungen können aufgrund der vorzugsweise möglichst spielfreien Führung der Messtasterbasis 38 auf den Führungsabschnitt 40 und von dort über die weiteren Komponenten der Kinematikeinheit 10 auf den Messsensor 209 übertragen werden. Dies kann genutzt werden, um in an sich bekannter Weise Messsignale und/oder Messwerte zu erzeugen und insbesondere um einen Durchmesser oder eine Form der Bohrung 302 zu ermitteln.
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In 5 ist eine zu 3 analoge Unteransicht der Bohrung 302 gezeigt. Dabei ist die Messkugel 44 in verschiedenen (Winkel-)Stellungen gezeigt, die sie während einer Rotation um die Drehachse D einnimmt. Erneut sind gebogene Pfeile gezeigt, welche die Drehbewegung des Messtasters 12 bzw. der Messkugel 44 andeuten. Weiter sind gradlinige Pfeile gezeigt, welche eine Richtung der Antastkraft darstellen. Man erkennt, dass die Antragskraft stets senkrecht auf der Bohrungsinnenwand 50 steht. Dies kann in an sich bekannter Weise über eine entsprechende Kraftübertragung mittels einer nicht gesondert dargestellten Aktoreinheit des Messsensors 209 erreicht werden und ermöglicht eine besonders genaue Form- und Messwerterfassung.
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6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Kinematikeinheit 10 in einem zu 4 analogen Betriebszustand. Die Kinematikeinheit 10 dieses Ausführungsbeispiels ist identisch zu derjenigen der vorstehenden Figuren ausgebildet, mit Ausnahme des Messtasters 12. Dieser weist in dem gezeigten Fall kein Tastelement in Form einer Messkugel 44, sondern in Form eines scheibenförmigen Segments 60 auf. Wie gezeigt, wird hierüber ermöglicht, dass auch Hinterschneidungsbereiche und insbesondere Durchmesserstufen 62 innerhalb einer Bohrung 302 erfassbar sind. Hierbei ist die mittels der Bewegungsachsen 22, 30 ermöglichte getrennte Linear- und Drehbewegung von Vorteil, da mittels der Linearbewegung das schreibenförmige Segment 60 zunächst präzise in den Hinterschneidungsbereich hinein bewegt und dieser daraufhin über die Drehbewegung mit einer geringen Messdauer erfasst werden kann.
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In 7 ist ein möglicher Ablauf eines Verfahrens zum Erfassen bzw. Vermessen einer Mehrzahl von Bohrungen 302 in einem Bauteil 300 gezeigt. Dabei ist eine Einheit aus Messsensor 209 und Kinematikeinheit 10 in verschiedenen Positionen und Stellungen relativ zu dem Bauteil 300 gezeigt. Es versteht sich, dass lediglich eine solche Einheit existiert und von dem nicht dargestellten Koordinatenmessgerät 211 in die gezeigten unterschiedlichen Positionen bewegt wird.
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In der in 7 linken Position ist der Messtaster 12 zunächst in der Neutralstellung angeordnet, sodass dessen Längsachse T mit der Drehachse D zusammenfällt. Es wäre aber auch ein Abstand zwischen der Längsachse T und der Drehachse D möglich. Daraufhin wird die Kinematikeinheit 10 mittels des Koordinatenmessgeräts 211 über die erste und im Vergleich durchmessergrößere Bohrung 302 bewegt und darin eingeführt, sodass der Messtaster 12 analog zu 2 mittig darin angeordnet ist. Anschließend erfolgt eine anhand von 4 geschilderte Bewegung in Richtung der Bohrungsinnenwand 50, woraufhin mittels der Drehachse D in einer einzigen geschlossenen Kreisbewegung die Bohrungsinnenwand 50 abgetastet wird.
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Wie durch die Pfeile in 7 angedeutet, wird daraufhin die Kinematikeinheit 10 aus der ersten Bohrung 302 heraus bewegt und erneut analog zu 2 in der weiteren durchmesserkleineren Bohrung 302 positioniert. Der Ablauf zum Vermessen dieser Bohrung 302 ist analog zu demjenigen zum Vermessen der durchmessergrößeren Bohrung 302
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Aus dem geschilderten Prinzip verdeutlicht sich, dass das Koordinatenmessgerät 211 primär dazu verwendet wird, die Kinematikeinheit 10 in einer gewünschten Weise relativ zu und (zumindest den Messtaster 12) insbesondere innerhalb einer zu vermessenen Bohrung 302 zu positionieren. Die tatsächliche Messbewegung zur Objektantastung (d. h. das scannende Abtasten mittels des Messtasters 12), welche insbesondere das Abtasten der Bohrungsinnenwand 50 entlang eines geschlossenen kreisförmigen Bewegungspfads umfasst, wie aber auch die Feinpositionierung der Messkugel 44 und vor allem das in Anlage Bringen hiervon mit der Bohrungsinnenwand 50 wird hingegen allein mittels der Bewegungsachsen 22, 30 der Kinematikeinheit 10 realisiert. Während die Kinematikeinheit 10 die entsprechenden Bewegungen ausführt, stehen die Achsen des Koordinatenmessgerät 211 still.
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Zum Reduzieren der Messdauer kann ferner vorgesehen sein, dass zumindest die erste Bewegungsachse 30 (d. h. die lineare Achse) parallel zu Bewegungen des Koordinatenmessgeräts 211 bewegbar ist. Beispielsweise bereits begonnen werden, den Messtaster 12 in einen gewünschten Abstand zur Drehachse D zu überführen, während er über das Koordinatenmessgerät 211 zur nächsten zu vermessenen Bohrung 302 bewegt wird.
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In den 8 und 9 sind alternative Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Kinematikeinheit 10 über eine Adapterelement 80 an dem Messsensor 209 angebracht ist. Das Adapterelement 10 ermöglicht allgemein, die Drehachse D in einer gewünschten Weise relativ zu dem Messsensor 209 (bzw. allgemein relativ zu dem Koordinatenmessgerät 211 und/oder einer Komponente hiervon, an der die Kinematikeinheit 10 angekoppelt ist) auszurichten.
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Das Adapterelement 80 umfasst dabei den Schnittstellenbereich 14 der Kinematikeinheit 10 und ist hierüber mit dem Messsensor 209 bzw. dessen bewegbaren Körper 234 verbunden. Die Kinematikeinheit 10 kann aber nach wie vor einen analogen Schnittstellenbereich 14 umfassen, um mit einem komplementären Schnittstellenbereich an der Fläche 82 des Adapterelements 80 gekoppelt zu werden. Ferner umfasst das Adapterelement 80 einen sich in einem Winkel zu dem Schnittstellenbereich 14 erstreckenden Bereich bzw. eine Fläche 82, an dem das Basiselement 17 der Kinematikeinheit 10 anbringbar ist. Obwohl dies aus den 8 und 9 nicht zwingend hervorgeht, ist allgemein vorgesehen, dass das Basiselement 17 analog zu demjenigen der vorstehenden Figuren ausgebildet ist und folglich lediglich das Adapterelement 80 je nach einer gewünschten Ausrichtung der Drehachse D angepasst bzw. ausgewählt werden muss.
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In 8 ist das Adapterelement 80 derart ausgebildet (bzw. dessen Bereich 82 derart ausgerichtet), dass die Drehachse D horizontal verläuft und insbesondere orthogonal zu einer vorstehend anhand von 1 erläuterten Z-Achse des Koordinatenmessgeräts 211. Hierdurch können zum Beispiel horizontal verlaufenden Bohrungen 302 besonders einfach und schnell erfasst werden, da der Messtaster 12 bereits in einer hierfür vorteilhaften Weise ausgerichtet ist.
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In 9 ist das Adapterelement 80 derart ausgebildet (bzw. dessen Bereich 82 derart ausgerichtet), dass die Drehachse D schräg und insbesondere in einem Winkel zwischen 0° und 90° zu der Z-Achse des Koordinatenmessgerät 211 verläuft (zum Beispiel 60°). Dies eignet sich zum Vermessen entsprechend schräg verlaufender Bohrungen 302.
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Allgemein könnte auch ein Adapterelement 80 mit einer Winkeleinstell- bzw. Winkeländerungsmöglichkeit bereitgestellt werden, insbesondere um eine vorzugsweise manuelle Verstellmöglichkeit der Ausrichtung der Drehachse D zum Anpassen an unterschiedliche Bauteile bereitzustellen. Die über ein Adapterelement 80 einstellbare Ausrichtung der Drehachse D kann somit variierbar sein und insbesondere manuell variierbar sein.
