DE102020204942A1

DE102020204942A1 - Messsensor-Trägeranordnung mit Bewegungsaktor für ein Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102020204942A1
Application number: DE102020204942.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Mayinger
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trägeranordnung (10) für einen Messsensor (32) eines Koordinatenmessgeräts (102), mit:
- wenigstens einem Aktor (28);
- wenigstens einem durch den Aktor (28) elastisch deformierbaren Element (18),
- einem Träger (30), der einen Verbindungsbereich (34) aufweist, an dem ein Messsensor (32) zum Erfassen eines zu vermessenden Objekts (104) angeordnet oder anordenbar ist, und der nach Maßgabe einer Deformation des Elements (18) bewegbar ist, wobei der Aktor (28) dazu eingerichtet ist, das Element (18) wiederholt zu deformieren und dadurch den Träger (30) zu einer oszillierenden Kippbewegung um wenigstens eine Kippachse (Y) anzuregen.
Ferner offenbart wird eine Anordnung und ein Verfahren zum Vermessen eines Objekts (104) mit einem Koordinatenmessgerät (102).

Description

Die Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für einen Messsensor eines Koordinatenmessgeräts, eine Anordnung, umfassend eine solche Trägeranordnung und einen hiermit gekoppelten Messsensor. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Vermessen eines Objekts.
Das Vermessen von Objekten und genauer gesagt das Erfassen von Koordinaten hiervon, insbesondere von Oberflächenkoordinaten, ist im Stand der Technik bekannt. Hierfür werden Koordinatenmessgeräte eingesetzt, die das Objekt (hierin auch als Werkstück oder Messobjekt bezeichnet) mit einem Messsensor erfassen. Der Messsensor kann taktil sein und das Werkstück zwecks Messwerterfassung (also Koordinatenermittlung) kontaktieren. Ebenso bekannt sind optische Messsensoren, die das Objekt optisch erfassen. Insbesondere kann es sich hierbei um optische Abstandsmesssensoren handeln, die Koordinatenwerte des Objekts auf Basis ermittelter Abstandswerte berechnen.
Unter einem Messsensor wird hierin allgemein die Einheit oder der Messwertaufnehmer verstanden, die/der mit dem Messobjekt in Wechselwirkung tritt und/oder dieses erfasst. Insbesondere im taktilen Fall ist es nicht zwingend, dass der Messsensor unmittelbar signalerzeugende Einheiten aufweist, welche (z.B. analoge oder digitale) Messwerte erzeugen. Stattdessen kann der taktile Messsensor lediglich einen insbesondere mechanischen und/oder starren Messtaster herkömmlicher Art umfassen. Dieser kann in bekannter Weise mit einem die Messsensorik aufweisenden Messkopf verbindbar sein oder aber mit der hierin geschilderten Trägeranordnung und deren etwaiger Sensoreinrichtung.
Koordinatenmessgeräte weisen in der Regel eine Mehrzahl von Bewegungsachsen auf, mit denen sie einen Messsensor relativ zu einem Werkstück positionieren können. Insbesondere kann der Messsensor aktiv von den Bewegungsachsen bewegt werden. Das Werkstück bzw. Objekt kann hingegen stillstehend in einem Arbeitsbereich des Koordinatenmessgeräts positioniert sein oder lediglich um ausgewählte Freiheitsgrade bewegbar sein, beispielsweise mittels sogenannter Drehtische.
Typische Bewegungsachsen-Konfigurationen bestehen z.B. aus einer Mehrzahl von Linearachsen, die orthogonal zueinander und insbesondere paarweise orthogonal zueinander verlaufen. Die hierin vorgestellte Lösung ist nicht auf eine bestimmte Bewegungsachsen-Konfiguration beschränkt.
Die Messsensoren werden an einer Sensorschnittstelle des Koordinatenmessgeräts befestigt, um von den geschilderten Bewegungsachsen relativ zum Werkstück positioniert zu werden. Im Falle taktiler Messsensoren sind die Messsensoren, wie geschildert, oftmals in sogenannten messenden Sensorköpfen oder auch Messköpfen gelagert. Diese erfassen Auslenkungen des Messsensors infolge von Kontaktkräften mit dem zu vermessenden Objekt. Der Messsensor ist also zumindest bezüglich ausgewählter Freiheitsgrade relativ zu dem Koordinatenmessgerät beweglich bzw. entsprechend beweglich in dem Messkopf gelagert.
Messsensor und Messkopf bilden somit einen gedämpften Feder-Masse-Schwinger mit einer vergleichsweise weichen Federkonstante. Dies ist vorteilhaft, um aus Objektkontakten resultierende Messsensorbewegungen zuverlässig erfassen zu können. Ebenso vorteilhaft ist dies als eine Art Kollisionsschutz, da der Messsensor bei einem erstmaligen Kontakt zum Objekt entsprechend nachgeben kann.
Nachteile entstehen jedoch dahingehend, als dass der Feder-Masse-Schwinger eine niedrige Eigenfrequenz aufweist und somit z.B. während eines scannenden Abtastens, aber auch einer einfachen Objektantastung, erhöhte Abklingzeit benötigt, um eine stabile Lage für eine Messwerterfassung einzunehmen. Dies ist unerwünscht, da dies die insgesamt erforderliche Messzeit erhöht, insbesondere wenn ein Objekt an einer Vielzahl von Orten vermessen werden soll.
Weitere Probleme können dann entstehen, wenn eine räumliche Orientierung eines entsprechend gelagerten Messsensors z.B. mittels sogenannter Rotations-Schwenk-Gelenken relativ zum Werkstück verändert werden soll. Je nach Orientierung kann das Eigengewicht des Sensors dann zu einer unterschiedlichen Lage relativ zum Messkopf und/oder Koordinatenmessgerät führen. Anders ausgedrückt kann also die Ankopplung des Messsensors an oder in dem Messkopf orientierungsabhängig unterschiedlich nachgeben (sogenanntes Eigengewichtoffset). Dies muss rechnerisch aufwendig kompensiert werden, kann sich aber nach wie vor nachteilig auf die erzielbare Messgenauigkeit auswirken. Alternativ kann der Eigengewichtsoffset durch eine mechanisch aufwendige Tarierung ausgeglichen werden, die üblicherweise jedoch nicht orientierungsunabhängig ist.
Aus dem Stand der Technik sind auch Anordnungen mit oszillierenden Messtastern bekannt. Genauer gesagt ist es bekannt und z.B. in der US 4,397,188 A beschrieben, einen Messtaster oder eine Anordnung mit mehreren Messtastern per Piezo-Aktor zu Oszillationen anzuregen. Die Messsensoren sind dabei nach üblicher Bauart als Taster mit langgestreckten Schäften ausgebildet. In Bezug auf die Längsachse eines Tasters werden die Schwingungen primär in radialer Richtung und in Längsrichtung erzeugt. Ein Antastvorgang kann dabei durch Überwachen angelegter Spannungen und insbesondere deren Abfall erkannt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, das Vermessen von Werkstücken mit einem Koordinatenmessgerät unter Vermeidung oder aber zumindest Minderung von zumindest einigen der erläuterten Nachteile zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich, können die vorstehenden Definitionen, Erläuterungen und Varianten auch bei der vorliegenden Lösung vorgesehen sein bzw. auf diese zutreffen.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dadurch erzielbar ist, dass die Steifigkeit des Messsensors bzw. von dessen Ankopplung an das Koordinatenmessgerät und/oder an einen Messkopf erhöht wird. Eine weitere Erkenntnis liegt darin, dass die Steifigkeit nicht beliebig hoch ausfallen kann, um die vorstehend genannten Vorteile weicher Lagerungen des Messsensors zumindest teilweise aufrechtzuerhalten und z.B. das sensorisch erfassbare Antasten mit geringen Kräften zu ermöglichen. Insbesondere können durch zu hohe Steifigkeiten scannende Objektantastungen erschwert werden, bei denen ein taktiler Messsensor unter Aufrechterhaltung eines Kontakts relativ zu einem Werkstück bewegt wird und dabei fortlaufend Messwerte erzeugt bzw. aufgenommen werden. Eine zu steife Ausführung kann hier z.B. zu einem unerwünschten Abheben des Messsensors von der Objektoberfläche führen.
Die vorgestellte Lösung löst diesen Zielkonflikt, indem sie einen Messsensor zu Schwingungen oder, mit anderen Worten, Oszillationsbewegungen anregt und in diesem Zustand Objektvermessungen und insbesondere Objektantastungen vornimmt. Auf diese Weise wird (zumindest gemäß Ausführungsformen der Erfindung) ermöglicht, den Messsensor selbst weniger weich zu lagern, da eine ausreichende Nachgiebigkeit bei einer Antastung durch die Oszillationsbewegung bereitsteht. Gleichzeitig kann das Schwingungsverhalten erfasst und/oder sensorisch gemessen werden und kann hierdurch zuverlässig eine Antastdetektion erfolgen. Im Rahmen eines Antastvorgangs kann somit rechtzeitig und vor allem vergleichsweise schnell eine Bewegung des Koordinatenmessgeräts relativ zum Werkstück abgebrochen werden. Aufgrund einer vorzugsweise erhöhten Steifigkeit fallen einzuhaltende Abklingzeiten bzw. Ruhezeiten bis zur Vornahme einer Messwerterzeugung dann vorteilhafterweise geringer aus als bei den bisherigen Systemen.
Beispielsweise kann die Steifigkeit dadurch gegenüber bisherigen weich gelagerten Messsensoren erhöht werden, dass der Messsensor an einem starren, aber oszillierenden Träger angebracht wird und die verbleibenden Komponenten (insbesondere ein deformierbares Element) eine gegenüber bisherigen Messköpfen erhöhte Steifigkeit aufweist. Insbesondere kann der Träger steif gelagert sein, zum Beispiel über vergleichsweise steife deformierbare Elemente. Diese könne eine größere Steifigkeit als bisherige Messköpfe bzw. dortigen Federn aufweisen, da sie bei der vorliegenden Lösung durch gesonderte Aktoren deformierbar sind. Diese aktorischen Kräfte können im Vergleich zu üblichen Antastkräften hoch ausfallen, was eine entsprechend steife Auslegung der deformierbaren Elemente ermöglicht. Auch kann das Bewegungsausmaß der Schwingungen und/oder Deformationen geringer ausfallen, als von Komponenten herkömmlicher Antast-Messköpfe. Bei diesen Messköpfen müssen vergleichbare deformierbare Elemente zudem bewusst weich ausgebildet werden, da die Antastkräfte vergleichsweise gering ausfallen, aber dennoch eine hohe Antastsensibilität gefordert ist. Letztere wird vorliegend durch die Überwachung des Schwingungsverhaltens ermöglicht.
Weiter eignet sich der nachstehend erläuterte Aufbau einer Messsensor-Trägeranordnung insbesondere zum Tragen und Oszillieren herkömmlicher Messtaster, wie sie im Stand der Technik verwendet werden. Diese können z.B. Längen von mehreren Zentimetern und insbesondere mehr als 10 cm aufweisen. Weiter können sie ein Gewicht von mehreren 10 g und insbesondere mehr als 50 g aufweisen.
Durch das in Schwingung Versetzen eines Trägers wird der Messsensor zudem nur indirekt angeregt. Er kann daher aufwandsarm je nach sich stehender Messaufgabe ausgetauscht und insbesondere automatisch ausgewechselt werden. Weiter wird hierdurch ein einfacher mechanischer Aufbau ermöglicht. So sehen Ausführungsformen eine Lagerung des Trägers über ein Drehlager und vorzugsweise lediglich ein einzelnes Drehlager vor.
Weitere Vorteile ergeben sich gemäß Ausführungsformen dadurch, dass verwendete Aktoren zur Schwingungsanregung geringere Bewegungen ausführen, als der Träger. Hierzu können die Aktoren zum Beispiel auf mit dem Träger gekoppelte deformierbare Elemente einwirken, welche die Aktorbewegungen in Trägerbewegungen übersetzen bzw. auf den Träger übertragen.
Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich scannender Objektvermessungen und insbesondere Objektantastungen. Beispielsweise können durch das Oszillieren des Messsensors sogenannte Stick-Slip-Effekte insbesondere zu Beginn oder nach zwischenzeitlichen Verlangsamungen während einer Messtasterbewegung geringer ausfallen oder auch gänzlich vermieden werden.
Weiter kann zumindest gemäß nachstehender Ausführungsformen durch Regeln und/oder Beobachten des Schwingungsverhaltens die scannende Objektantastung auch zuverlässig gesteuert werden. Insbesondere kann eine Anregung mit einer Resonanzfrequenz des Tasters bzw. des schwingenden Gesamtsystems erfolgen und können Amplitudenänderungen und insbesondere -reduzierungen erfasst werden, die zum Beispiel bei Antastungen auftreten. Diese Änderungen sind durch Anregen mit der Resonanzfrequenz zuverlässig zu detektieren und ermöglichen eine hohe Regelungsgüte und -geschwindigkeit.
Ferner ermöglicht die oszillierende Kippbewegung eine erhöhte Orientierungsunabhängigkeit bei einer Objektantastung. Genauer gesagt können auf den Messsensor einwirkende Kontaktkräfte aus unterschiedlichsten Richtungen zuverlässig sensorisch erfasst werden, da diese jeweils die Kippbewegung sensorisch erfassbar beeinflussen. Dies ist zum Beispiel bei rein axialen Schwingungen weniger ausgeprägt der Fall, da Kräfte aus radialen Richtungen dann nur bedingt zu einer Abschwächung dieser axialen Schwingung führen. Folglich kann die hierin offenbarte Lösung mit bevorzugt nur einem einzigen Messtaster Messung aus unterschiedlichen Antastrichtungen vornehmen und somit verschiedenste Messaufgaben lösen.
Schließlich können Eigengewichtoffsets oder auch allgemeine Tarierungs-Maßnahmen zum orientierungsunabhängigen Kompensieren des Messsensor-Eigengewichts weniger aufwandsarm ausfallen. Beispielsweise können die Schwingungen derart eingestellt und/oder nachjustiert werden, dass der Einfluss des Eigengewichts kompensiert wird und/oder insbesondere bei der Messwerterzeugung rechnerisch nicht weiter beachtet werden muss.
Insbesondere wird eine Trägeranordnung für einen Messsensor eines Koordinatenmessgeräts (insbesondere für einen taktilen Messtaster oder einen optischen Abstandssensor) vorgeschlagen, mit:

- wenigstens einem Aktor;
- wenigstens einem durch den Aktor elastisch deformierbaren Element,
- einem Träger, der einen Verbindungsbereich aufweist, an dem ein (bevorzugt einziger) Messsensor zum Erfassen eines zu vermessenden Objekts angeordnet oder anordenbar ist, und der nach Maßgabe einer Deformation des Elements bewegbar (insbesondere auslenkbar und/oder verschwenkbar) ist,
- wobei der Aktor dazu eingerichtet ist, das Element wiederholt zu deformieren und dadurch den Träger zu einer oszillierenden Kippbewegung um wenigstens eine Kippachse anzuregen.

Die Trägeranordnung kann an die Bewegungsachsen eines Koordinatenmessgeräts angekoppelt werden und/oder durch diese Bewegungsachsen relativ zu einem zu vermessenden Objekt positionierbar sein. Beispielsweise kann die Trägeranordnung nach Art eines Messkopfes an der Pinole eines Koordinatenmessgeräts angeordnet werden und/oder an einem dort positionierten Messkopf.
Der Aktor kann für eine periodische, schwingende und/oder zeitvariable Krafterzeugung eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich um einen elektrisch betriebenen Aktor handeln. Allgemein kann der Aktor, können aber auch jegliche anderweitig hierin geschilderten Einheiten, von einer Steuereinrichtung der Trägeranordnung gesteuert werden. Die Steuereinrichtung kann in einen Teil der Trägeranordnung baulich integriert sein, der selektiv an das Koordinatenmessgerät und insbesondere dessen Pinole anbringbar ist. Es kann sich aber auch um die Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts handeln, die über eine Datenverbindung die hierin geschilderten Komponenten der Trägeranordnung steuern und/oder von diese Signalen erhalten kann.
Bei dem Träger kann es sich um ein platten- oder scheibenförmiges Bauteil handeln. Insbesondere kann der Träger einen derart geformten Grundkörper aufweisen. Allgemein kann der Träger eben ausgebildet sein und/oder sich parallel zu einer z.B. virtuellen Raumebene erstrecken.
Der Träger kann einstückig mit dem Messsensor ausgebildet sein, insbesondere wenn der Messsensor ein taktiler Taster ist. Beispielsweise kann ein langgestreckter Tastschaft einstückig in eine Trägerplatte der vorstehend geschilderten Art übergehen und/oder dauerhaft mit dieser verbunden sein. Vorzugsweise weist der Träger jedoch eine Schnittstelle auf, insbesondere eine mechanische Schnittstelle mit z.B. einem Gewinde. In diese kann der Messsensor vorzugsweise auswechselbar eingesetzt werden.
Gemäß nachstehend erläuterter Ausführungsformen ist die vorliegende Lösung aber nicht auf taktile Messtaster beschränkt. Aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik erzielbaren höheren Steifigkeit können auch optische Sensoren mit der Trägeranordnung gekoppelt bzw. von dieser getragen werden, welche typischerweise ein höheres Gewicht als taktile Messtaster aufweisen. Dies ist vorteilhaft, wenn zwischen den entsprechenden Tastern beim Vermessen von Werkstücken z.B. mittels herkömmlicher automatischer Tasterwechselvorgängen gewechselt werden soll. In diesem Fall kann z.B. der Träger und können auch anderweitige Komponenten wie der Aktor an dem Koordinatenmessgerät verbleiben und kann lediglich der Messsensor ausgewechselt werden.
Wie nachstehend noch ausgeführt, kann aber auch bei einem Verbinden mit optischen Sensoren von den Vorteilen und Möglichkeiten der Erfindung Gebrauch gemacht werden. Beispielsweise kann mittels des hierin geschilderten Aktors eine Ausrichtung des optischen Sensors und somit dessen Blickwinkel gezielt eingestellt werden.
Bei den erzeugten Kräften kann es sich um Zug- und/oder Druckkräfte handeln oder, allgemeiner formuliert, um mechanische Kräfte. Der Aktor kann diese Kräfte direkt auf den Träger ausüben und hierfür z.B. an diesem befestigt sein. Es ist aber bevorzugt, dass der Aktor die entsprechenden Kräfte über Zwischenelemente in den Träger einleitet, insbesondere über das deformierbare Element. In diesem Fall ist es auch möglich, dass eine Kraftrichtung je nach Ausrichtung und/oder Gestalt derartiger Zwischenelemente verändert wird, also der Aktor eine Kraft in einer ursprünglichen Raumrichtung erzeugt, die in den Träger eingeleitete Kraft aber eine hiervon abweichende Richtung aufweist.
Wie erwähnt, kann der Träger allgemein eben- und/oder plattenförmig sein. Ein Messsensor und insbesondere ein taktiler Messtaster kann sich nicht-parallel hierzu erstrecken und insbesondere orthogonal hierzu. Sofern hierin auf radiale oder longitudinale/axiale Richtungen Bezug genommen wird, kann sich dies auf eine entsprechende Plattenform und/oder Taster-Längsachse beziehen. Radiale Richtungen können in einer Ebene des Trägers und insbesondere einer etwaigen Platte hiervon liegen, wohingegen longitudinale/axiale Richtungen orthogonal hierzu und/oder parallel zu einer Tasterlängsachse verlaufen können.
Zusammengefasst kann der Träger also einen plattenförmigen Bereich aufweisen (oder allgemein plattenförmig sein) und die Kippachse kann in einer Ebene Liegen, die zumindest bei ausbleibender Betätigung des Aktors (also in nicht oszillierender Ruhestellung des Trägers) parallel zu einer Ebene des plattenförmigen Bereichs verläuft oder mit dieser zusammenfällt.
Zum Erzeugen der Kippbewegungen können die vom Aktor ausgehenden Kräfte außerhalb des Verbindungsbereichs in den Träger einleitbar sein. Dies kann durch ein entsprechendes Koppeln des Trägers und/oder eines hiermit verbundenen Zwischenelements mit dem Aktor außerhalb des Verbindungsbereichs erfolgen.
Gemäß einer Variante fällt der Verbindungsbereich mit einem geometrischen Zentrum des Trägers zusammen und/oder stellt allgemein eine Mitte des Trägers und insbesondere eines etwaigen plattenförmigen Elements hiervon dar. Die Krafteinleitung kann jedoch außerhalb dieses Zentrums bzw. dieser Mitte erfolgen, also allgemein exzentrisch. Dies ist eine kompakte und zuverlässige Möglichkeit zum Erzeugen der gewünschten Kippbewegungen. Prinzipiell kann aber ebenso vorgesehen sein, die Kraft im Verbindungsbereich einzuleiten, aber den Träger derart zu lagern (z.B. lediglich einseitig mittels eines Rotationsgelenks), dass dieser dann entsprechend verkippt wird.
Unter einem Kippen kann allgemein eine Rotation des Trägers um eine (virtuelle) Achse verstanden werden, die nicht-orthogonal auf einer Ebene des Trägers steht. Es kann sich also nicht um eine Rotation um eine Hochachse oder Normalenachse des Trägers handeln, bei der dieser in seiner ursprünglichen Raumebene verbleibt. Stattdessen können Rotationen insbesondere um Achsen innerhalb einer (virtuellen) Ebene erfolgen, in der der nicht angeregte Träger z.B. seine Ruheposition annimmt. Zusammengefasst kann im Rahmen der Kippbewegungen der Träger relativ zu einer Ruhe-Ebene und insbesondere aus dieser hinaus verdreht oder verschwenkt werden.
Neben Kippbewegungen können auch translatorische Bewegungen ausgeführt werden, wenn wenigstens drei Aktoren der hierin geschilderten Art vorgesehen sind. Insbesondere kann dann eine Anhebung orthogonal zum Träger und/oder entlang einer Messtasterachse (Längsachse) erfolgen, was mit den Bewegungen der anderen Aktoren überlagert werden kann, um eine helixförmige Bewegung auszuführen (sh. auch nachstehende weitere Erläuterung).
Der mit dem Träger gekoppelte oder daran koppelbare Messsensor führt vorteilhafterweise ebenfalls entsprechende Kipp- bzw. Rotationsbewegungen aus. Insbesondere kann er relativ zur Ausrichtung, die seine Längsachse im Ruhezustand einnimmt, verschwenkt werden. Dies unterscheidet sich von rein axialen oder radialen Schwingungen im Stand der Technik. Hierdurch wird eine sogenannte Orientierungsunabhängigkeit während Antastvorgängen verbessert. Dies bedeutet, dass ein Werkstück aus verschiedenen Raumrichtungen angetastet werden und dass das Antasten dann auch zuverlässig detektiert werden kann. Bei einer dominierenden axialen Oszillation können z.B. Antastbewegungen in radialer Richtung meist nur unzuverlässig und somit vergleichsweise spät detektiert werden, da sich die entsprechend schwach bzw. verzögert auf die erzeugte Oszillation auswirkt.
Bei dem Aktor handelt es sich bevorzugt um einen Piezo-Aktor. Dieser wird vorteilhafterweise mittels zeitlich variierender Spannungen, insbesondere sinusförmig variierender Spannungen, zum Erzeugen entsprechend oszillierender Kräfte angesteuert. Auch zeichnen sich Piezo-Aktoren durch eine geringe Baugröße und ein geringes Gewicht aus, was beides bevorzugte Zielgrößen für die Trägeranordnung sein können.
Alternativ zu einem Piezo-Aktor kann auch ein elektromagnetisch betätigbarer Aktor vorgesehen sein, beispielsweise eine sogenannte Voice-Coil. Weiter alternativ ist ein elektrischer Vibrationsmotor möglich, der z.B. eine Unwucht antreibt. Gegenüber einem Piezo-Aktor besitzen derartige Varianten jedoch den Nachteil, dass sie schwieriger anzusteuern sind bzw. die erzeugten Schwingungen u.U. nicht vergleichbar präzise einstellbar sind. Ferner bilden diese Alternativen jeweils signifikante Wärmequellen innerhalb der Trägeranordnung, was zu Genauigkeitseinbußen aufgrund temperaturbedingter Deformationen führen kann.
Wie bereits erwähnt, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der hierin vorgestellten Lösung (also der Trägeranordnung, der nachstehend erläuterten Anordnung und des Verfahrens) vor, dass die Krafteinleitung der vom Aktor erzeugten Kräfte außerhalb des (bevorzugt mittigen) Verbindungsbereichs zwischen Träger und Messsensor erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst die Trägeranordnung zwei Aktoren. Diese können jeweils von dem Kopplungsbereich und/oder allgemein der Mitte des Trägers beabstandet sein und/oder in entsprechend beabstandeten Positionen Kräfte einleiten. Die Aktoren können insbesondere alternierend betrieben werden bzw. alternierend Kräfte erzeugen. Vorzugsweise sind sie oder die Positionen der Krafteinleitung in den Träger mit gleichen Beträgen von dem Kopplungsbereich beabstandet. Weiter können sie regelmäßig und/oder drehsymmetrisch um den Kopplungsbereich verteilt sein. Bei zwei Aktoren können die Aktoren bzw. deren Krafteinleit-Positionen z.B. um 180° voneinander beabstandet sein (insbesondere in einer parallel zum Träger verlaufenden Ebene betrachtet). Bei drei Aktoren, die erfindungsgemäß ebenso vorgesehen sein können, können die Aktoren bzw. Krafteinleit-Positionen um jeweils 120° voneinander beanstandet sein. Die Anzahl der Aktoren ist prinzipiell nicht beschränkt. Durch Vorsehen von wenigstens zwei Aktoren können, insbesondere wenn diese alternierend betrieben werden, aber besonders zuverlässig Kippbewegungen mit gewünschten Frequenzen und insbesondere mit hohen Frequenzen erzeugt werden.
Durch Vorsehen von wenigstens drei Aktoren können, insbesondere wenn diese in der vorstehend geschilderten Weise gleichmäßig um den Kopplungsbereich verteilt sind, auch weitere Bewegungsanteile erzeugt werden, insbesondere Bewegungsanteile, welche die oszillierenden Kippbewegungen überlagern. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Höhenvariation des Trägers erzeugt werden, sodass der Messsensor bzw. die Messspitze und/oder der Messpunkt (bei einem optischen Sensor) entlang einer dreidimensionalen spiral- oder helixförmigen Bewegungsbahn bewegbar ist. Hierfür kann eine kreisförmige Sensorbewegung bevorzugt mit der Sensor-Eigenfrequenz durchgeführt werden. Diese Bewegung kann mit einem translatorischen Anteil überlagert werden. Die Aktoren können zum Bereitstellen dieser Bewegungsfreiheitsgrade geeignet angeordnet werden, beispielsweise in Eckpunkten eines (virtuellen) gleichschenkligen Dreiecks.
Das Verwenden von wenigstens drei Aktoren und/oder der Aspekt einer spiral- und/oder helixförmigen Bewegungsbahn kann auch unabhängig von den Verkippungen des Trägers vorgesehen sein und beansprucht werden.
Als ein bevorzugter Aspekt der Erfindung erfolgt die hierin geschilderten Oszillationen und/oder Anregungen im Resonanzfrequenzbereich. Dieser kann insbesondere über die Federsteifigkeit des elastisch deformierbaren Elementd eingestellt werden. Dies ist dahingehend vorteilhaft, als dass Abweichungen von der Resonanzschwingung besonders zuverlässig und schnell detektiert werden können.
Eine beispielhafte Resonanzschwingungsfrequenz bzw. Oszillationsfrequenz der Kippbewegung beträgt mehr als 100 Hz und vorzugsweise wenigstens 500 Hz. Hierin betrachtete Schwingungsamplituden können beispielsweise mehr als 5 µm und vorzugsweise mehr als 10 µm betragen. Sie können aber beispielsweise 20 µm bevorzugt nicht überschreiten, da dies entsprechend hohe Reaktionskräfte hervorrufen könnte und/oder entsprechend erhöhte Anforderungen an Aktoren und etwaige deformierbare Elemente stellt.
Allgemein kann die Steifigkeit der Trägeranordnungen und insbesondere etwaiger elastisch deformierbarer Elemente hiervon mehr als 1 N/mm betragen. Im Vergleich hierzu weisen einleitend geschilderte Messköpfe typischerweise Steifigkeiten von deutlich weniger als N/mm auf, z.B. auch weniger als 0,5 N/mm.
Das Verkippungsausmaß kann z.B. aufgrund der Deformierbarkeit der Aktoren und/oder der elastisch deformierbaren Elemente, der erzeugbaren aktorischen Kräfte und/oder der Komprimierbarkeit bzw. Steifigkeit etwaiger deformierbarer Elemente begrenzt sein. Alternative Begrenzungen können durch die nachstehend geschilderten Anschlagbereiche erzielt werden. Beispielsweise können maximal Verkippungen von einigen wenigen Grad (insbesondere weniger als 20° und ferner insbesondere weniger als 10°) des Trägers um eine betrachtete Kippachse und insbesondere um sämtliche Raumachsen erzeugbar sein. Dies unterscheidet die Lösung von typischen Dreh-Schwenk-Gelenken, die bevorzugt vollständige Verdrehungen, jedenfalls aber Rotationen um deutlich mehr als 100° ermöglichen. Allerdings versteht es sich, dass die hierin vorgestellte Trägeranordnung prinzipiell auch an ein entsprechendes Dreh-Schwenk-Gelenk ankoppelbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Aktor dazu eingerichtet, eine Kraft in einer Ebene zu erzeugen, die parallel zu einer Ebene des Trägers verläuft. Die Kraftrichtung kann also insbesondere parallel zu einer Ebene eines platten- und/oder scheibenförmigen Trägers verlaufen. Insbesondere kann die Kraftrichtung radial sein. In diesem Fall kann zum Einleiten der Kraft in den Träger das deformierbare Element den Kraftfluss geeignet umleiten (d. h. in Richtung des Trägers leiten und bevorzugt in eine axiale Richtung).
Insbesondere wenn der Aktor ein Piezo-Aktor ist, kann somit dessen Hauptdeformationsachse parallel zum Träger verlaufen und somit vorzugsweise nicht in Richtung einer Tasterlängsachse (d.h. nicht in eine axiale Richtung). Dies kann dahingehend vorteilhaft sein, als dass etwaige in den Taster eingeleitete Stöße somit nicht in axialer bzw. Längsrichtung und/oder entlang der Hauptdeformationsachse eines Piezo-Aktors wirken können, was diesen vor Beschädigungen schützt. Wie nachstehend noch erläutert, ermöglicht eine entsprechende Ausrichtung des Aktors auch eine kompakte Baustruktur, beispielsweise da dieser orthogonal zu einer Längsachse des deformieren Elements anordenbar ist und somit eine geringere Höhe erzielt wird, als wenn sämtliche Längsachsen aufeinanderfolgend und/oder orthogonal zum Träger ausgerichtet wären. Zusätzlich oder alternativ kann die erzeugte Kraft in einem Winkel zu einer Längsachse des Messsensors verlaufen, also in einem Winkel zu einer axialen Richtung.
Das elastisch deformierbare Element kann den Aktor mit dem Träger verbinden, also ein Zwischenelement der bereits erwähnten Art bilden. Bei dem elastisch deformierbaren Element kann es sich insbesondere um ein Federelement handeln. Dieses kann an dem Träger befestigt sein, bevorzugt außermittig. Mit einem von dem Träger entfernten bzw. abgewandten Ende kann das Element mit einem Grundkörper der Trägeranordnung oder dem Aktor verbunden sein. Bei einer im Raum horizontalen Ausrichtung des Trägers kann das elastisch deformierbare Element und insbesondere eine Längsachse hiervon sich in vertikaler Richtung erstrecken. Allgemein kann der Träger durch das deformierbare Element hängend innerhalb der Trägeranordnung gelagert sein und/oder an dem Grundkörper angehangen bzw. federnd und/oder schwimmend gegenüber diesem gelagert werden.
Durch Vorsehen eines entsprechend elastisch deformierbaren Element kann das Schwingungsverhalten gezielt beeinflusst und kann insbesondere eine Resonanzfrequenz definiert eingestellt werden.
Gemäß einer Variante ist das deformierbare Element eine Metall- oder Kunststofffeder. Es muss sich nicht zwingend um eine Spiralfeder handeln. Es kann sich auch allgemein um einen deformierbaren Körper, insbesondere einen Hohlkörper, handeln, der bevorzugt dünnwandig ausgebildet ist.
Gemäß einer Variante weist das elastisch deformierbare Element wenigstens einen Bereich mit einer vergleichsweise großen Querschnittsabmessung (insbesondere -fläche) und wenigstens einen Bereich mit einer im Vergleich kleineren Querschnittsabmessung (insbesondere -fläche) auf. Insbesondere kann der erste großflächige Bereich eine Grundfläche und/oder Mittenebene bilden und der zweite Bereich eine Spitze des Elements. Der zweite Bereich kann mit dem Träger verbunden sein. Der erste Bereich kann hingegen mit dem Aktor zusammenwirken und insbesondere an diesem befestigt sein. Insbesondere können auch zwei der geschilderten zweiten Bereiche bzw. Spitzen vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Element z.B. rautenförmig, trapezförmig und/oder doppelkonus- oder doppelpyramidenförmig ausgebildet sein. Mittels derartiger Varianten kann eine Kontraktion oder Expansion im ersten großflächigen Bereich zu einer Längenänderung des Elements führen. Hierdurch wird eine kompakte Gestaltung der Trägeranordnung ermöglicht, da dann beispielsweise der Aktor in der bereits geschilderten Weise parallel zum Träger angeordnet und/oder parallel hierzu Kräfte erzeugen kann. Die entsprechende Kraft kann zu der geschilderten Kontraktion oder Expansion des ersten großflächigen Bereichs führen, woraufhin sich die zweiten Bereiche entsprechend anheben und absenken können. Hierdurch wird die geschilderte Umlenkung des Kraftflusses erreicht.
Genauer gesagt kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Aktor dazu eingerichtet sein, im Rahmen der elastischen Deformation eine Querschnittsabmessung des deformierbaren Elements zu verändern, insbesondere derart, dass sich eine hierzu orthogonale Längenabmessung des deformierbaren Elements ebenfalls ändert, bevorzugt aber gegenläufig hierzu. Eine Querschnittserweiterung kann also zu einer Längenabnahme und eine Querschnittsreduzierung kann zu einer Längenzunahme führen. Die Längsachse des deformierbaren Elements kann sich dabei allgemein in axialer Richtung erstrecken und/oder orthogonal zum Träger. Die Querschnittsabmessung kann eine Abmessung des vorstehend diskutierten ersten großflächigen Bereichs sein.
Gemäß einer Variante ist das elastisch deformierbare Element ellipsenförmig und/oder oval ausgebildet. Der Querschnitt, auf den der Aktor einwirkt (oder aber der genannte erste großflächige Bereich) kann dann die kleinere Hauptachse der genannten Form aufweisen. Allgemein ist es bevorzugt, dass das deformierbare Element eine größere Länge im Vergleich zu der betrachteten Querschnittsabmessung (zum Beispiel Breite oder Durchmesser) aufweist, beispielsweise um ausreichend Bauraum für optionale nachstehend geschilderte Drehlager zu schaffen.
Ist eine Mehrzahl von Aktoren vorgesehen, ist bevorzugt jedem Aktor ein entsprechend elastisch deformierbares Element zugeordnet bzw. wirkt jeder Aktor bevorzugt auf ein individuell zugeordnetes elastisch deformierbares Element ein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Bewegungsgröße des Trägers zu ermitteln, insbesondere wobei die Bewegungsgröße eine Schwingungsamplitude bevorzugt bei Anregung mit der Eigenfrequenz ist. Die Amplitude und/oder Frequenz lassen sich mittels einem Beschleunigungssensor gemeinsam ermitteln. Die Ermittlung bzw. Auswertung der Frequenz ist dabei optional. Insbesondere kann mit der Sensoreinrichtung eine Bewegungsgröße entlang wenigstens einer Raumachse gemessen werden, wobei die Bewegungsgröße insbesondere eine Positionsgröße (z.B. räumliche Mittelpunktslage) des Trägers sein kann. Vorzugsweise werden mit der Sensoreinrichtung entsprechende Positionswerte für wenigstens zwei und vorzugsweise drei Raumachsen ermittelt, welche vorzugsweise orthogonal zueinander verlaufen. Auch das Ermitteln entsprechender Bewegungsgrößen um sämtliche sechs räumlichen Freiheitsgraden kann vorgesehen sein.
Mit der Sensoreinrichtung können also entsprechend Positionen und/oder Rotationen entlang bzw. um entsprechende Raumachsen (insbesondere die Kippachse) erfasst und/oder gemessen werden. Dies erfolgt bevorzugt fortlaufend, zum Beispiel durch Erfassen zeitlicher Bewegungsverläufe. Daraus können dann, insbesondere bezogen auf die entsprechenden Raumachsen bzw. damit zusammenhängenden Bewegungs-Freiheitsgrade, jeweilige Schwingungsamplituden ermittelt werden. Hierbei kann es sich z.B. um den Abstand eines maximalen und minimalen Positionswertes und/oder Rotationswertes entlang bzw. um eine entsprechende Raumachse handeln.
Es kann allgemein auch vorgesehen sein, dass der Sensor für sämtliche Freiheitsgrade entsprechende Bewegungsgrößen ermittelt, die Schwingungsamplitude aber nicht für sämtliche Freiheitsgrade betrachtet bzw. ermittelt wird. Allgemein formuliert können mit der Sensoreinrichtung also Bewegungsgrößen bezogen auf mehr Freiheitsgrade ermittelt werden im Vergleich zur Anzahl von Freiheitsgraden, für die eine Schwingungsamplitude ermittelt wird.
Die Sensoreinrichtung kann Werte der Bewegungsgröße und/oder einer hieraus abgeleiteten Schwingungsamplitude vorzugsweise kontinuierlich an eine Steuereinrichtung jeglicher hierin geschilderten Art übermitteln.
Die Schwingungsamplitude und/oder Bewegungsgröße kann von der Trägeranordnung und insbesondere einer Steuereinrichtung jeglicher hierin genannten Art verwendet werden, um das Verhalten des Messsensors und/oder eines Antastvorgangs zu überwachen. Zusätzlich oder alternativ kann darauf basierend der Aktor gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere durch Regeln von dessen elektrischer Leistungszufuhr. Allgemein können die vom Aktor erzeugten Kräfte anhand der ermittelten Bewegungsgröße/Schwingungsamplitude gesteuert und/oder geregelt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass anhand der Bewegungsgröße eine Objektantastung ermittelbar ist bzw. ermittelt wird. Insbesondere kann dies anhand einer Änderung der Bewegungsgröße erfolgen, beispielsweise wenn diese einen zulässigen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet. Fällt z.B. eine ermittelte Schwingungsamplitude für zumindest einen Freiheitsgrad ab und insbesondere unterhalb von einem zulässigen Schwellenwert, kann darauf geschlossen werden, dass der Messsensor in Kontakt mit dem anzutastenden Objekt getreten ist. Wird eine scannende Objektantastung durchgeführt, kann anhand entsprechender Änderungen der Bewegungsgröße und/oder Schwingungsamplitude auf die wirkenden Antastkräfte geschlossen werden. Fallen diese vergleichsweise hoch aus, können die Bewegungsgröße und/oder Schwingungsamplitude entsprechend stark abnehmen. Dies kann ein Anheben des Messtasters gegenüber der Objektoberfläche veranlassen und/oder allgemein ein Andrücken des Messsensors mit einer geringeren Kraft. Fallen hingegen Änderungen der Bewegungsgröße und/oder Schwingungsamplitude gering aus oder weisen diese allgemein einen hohen absoluten Wert auf, kann auf zu geringe Antastkräfte und/oder ein Abheben des Messsensors von der Objektoberfläche geschlossen werden. In derartigen Fällen können Antastkräfte erhöht werden und/oder kann der Messsensor weiter in Richtung der Objektoberfläche bewegt werden.
Zusammengefasst weist die Trägeranordnung gemäß einer Weiterbildung eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Regelung der Bewegungsgröße auszuführen (bzw. die Bewegungsgröße zu regeln). Die Steuereinrichtung stellt in diesem Fall also eine Regelfunktion bereit bzw. ist als eine regelnde Einrichtung ausgebildet. Diese Regelung kann gemäß jeglicher der vorstehend genannten Beispiele und/oder zu jeglichem der vorstehend genannten Zwecke erfolgen. Insbesondere kann sie derart erfolgen, dass die Bewegungsgröße während einer scannenden Objektantastung in einem vorbestimmten Bereich (Toleranzbereich) verbleibt. Dieser Bereich kann auch lediglich einen Wert umfassen, insbesondere einen vorbestimmten (Ziel-) Wert der Schwingungsamplitude.
Die Steuereinrichtung kann den Aktor ansteuern, um die Bewegungsgröße entsprechend zu regeln. Anders ausgedrückt kann der Aktor als Stellglied der Steuerung dienen und vorzugsweise als einziges Stellglied, wobei bei einer Mehrzahl von Aktoren diese auch als eine entsprechende Mehrzahl von Stellgliedern verwendet werden können. Hingegen ist bevorzugt nicht vorgesehen, die im Vergleich trägeren Bewegungsachsen des Koordinatenmessgeräts für eine Regelung der Bewegungsgrößen zu aktivieren bzw. als Stellglieder zu verwenden.
Beispiele geeigneter Sensoreinrichtungen zur Bewegungsgrößenermittlung sind ein Beschleunigungssensor, der bevorzugt mittig auf dem Träger und insbesondere gegenüberliegend zu dessen Verbindungsbereich (also insbesondere an einer hiervon abgewandten Seite des Trägers) angeordnet wird. Es kann sich um einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor handeln, der die geschilderten Bewegungen um drei Raumachsen erfasst, also lineare Messungen vornimmt. Zusätzlich oder alternativ können Bewegungen des Trägers und/oder Messsensors optisch erfasst werden, z.B. mittels optischen Abstandsmessungen. Hierfür kann Strahlung (insbesondere Laserstrahlung) auf den Träger eingestrahlt und kann das Reflexionsverhalten hiervon erfasst werden. Möglich ist dies beispielsweise durch das Einstrahlen zweier Laserstrahlen in einem (zumindest im Ruhezustand) unterschiedlichen Winkel relativ zum Träger. Diese können dort auf einen Reflektor fallen und von dort auf einen ortsauflösenden lichtempfindlichen Sensor (insbesondere CCD-Sensor) reflektiert werden. Anhand der erfassten (Auftreff-) Positionen in den jeweiligen Sensorebenen kann in an sich bekannter Weise auf einen Winkel des Trägers bzw. von dessen Ebene relativ zum Sensor und somit auf einen entsprechend räumlichen Kippwinkel des Trägers geschlossen werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Sensoreinrichtung basierend auf einem induktiven Messprinzip arbeiten. Beispielsweise kann sie Tauchspulen umfassen, vorzugsweise drei Tauchspulen, von denen ein Teil an dem Träger angeordnet ist und relativ zu einem stillstehenden Teil z.B. an einem Grundkörper der Trägeranordnung bewegbar. Ebenso möglich ist ein kapazitives Messprinzip, wobei an drei unterschiedlichen Positionen vorzugsweise im Randbereich des Trägers bzw. einer etwaigen Platte hiervon kapazitive Abstandsmessungen vorgenommen werden (zum Beispiel relativ zum Grundkörper). Hieraus kann auf eine räumliche Lage der Trägerebene und somit dessen Kippwinkel geschlossen werden. Sämtliche der hierin Sensorvarianten können auch miteinander kombiniert werden.
Ein weiterer Aspekt sieht ein Drehlager vor, welches den Träger (um wenigstens eine Achse) verkippbar (und somit drehbar) lagert. Auf diese Weise kann der Träger beim Ausführen der Verkippbewegung durch das Drehlager geführt und/oder gestützt werden. Dies kann sich vorteilhaft auf das gewünschte Schwingungsverhalten auswirken und Störanteile (z.B. Schwingungen um nicht gewünschte Raumachsen oder allgemein Vibrationen) reduzieren. Das Drehlager kann insbesondere zwischen einem Grundkörper der Trägeranordnung und dem Träger angeordnet sein.
Als ein allgemeiner Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jegliche Einheit von Aktor, deformierbarem Element und Drehlager einer Seite des Trägers gegenüberliegen und/oder an dieser befestigt ist, die von dem Verbindungsbereich und/oder dem Messsensor abgewandt ist. Insbesondere kann jegliche der genannten Einheiten zwischen dem Träger und einem Grundkörper der Trägeranordnung positioniert sein. Bei dem Grundkörper kann es sich allgemein um denjenigen Bereich der Trägeranordnung handeln, der mit dem Koordinatenmessgerät koppelbar und insbesondere daran befestigbar ist und/oder der die hierfür erforderliche (mechanische) Schnittstelle aufweist.
Das Drehlager kann eine Rotation des Trägers um sämtliche Verkippungsachsen ermöglichen und bevorzugt um sämtliche Raumachsen. Es kann einen gewölbten Oberflächenbereich umfassen, insbesondere einen Oberflächenbereich einer vollständigen oder Teil-Kugel. Dieser Oberflächenbereich kann an wenigstens einem von Drehlager und Träger angeordnet sein. An den entsprechend anderen von Drehlager und Träger kann ein Lagerabschnitt angeordnet sein, der an diesem Oberflächenbereich anliegt. Der Lagerabschnitt kann korrespondierend zu dem Oberflächenbereich geformt sein, aber eine entsprechend entgegengesetzte Form und/oder Wölbung aufweisen. Beispielsweise kann dieser konvex gewölbt sein, wenn der Oberflächenbereich konkav gewölbt ist, und umgekehrt. Alternativ kann der Lagerabschnitt einen bevorzugt maximal zweidimensionalen Kontaktbereich zu dem gewölbten Oberflächenbereich ermöglichen. Dies wird z.B. durch das Vorsehen von Schrägen und/oder hohl-konusförmigen Ausnehmungen ermöglicht, in denen ein kreis- bzw. ringförmiger Kontaktbereich zu dem gewölbten Oberflächenbereich vorliegt. Auch lediglich punktförmige Kontaktbereiche sind möglich, beispielsweise bei Ausbilden des Lagerabschnitts mit einer oder mehreren Schrägen und insbesondere mit einer hohlpyramidenförmigen Ausnehmung.
Bevorzugt wird der Träger von dem deformierbaren Element zumindest in einem Ruhezustand (d.h. ohne aktorisch erzeugte Kraft) gegen das Drehlager vorgespannt und/oder an dieses angezogen. Dies erhöht die gewünschte Führungs- oder Stabilisierungswirkung des Drehlagers und gelingt besonders zuverlässig bei einer Mehrzahl von entsprechend deformierbaren Elementen.
Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Anschlagbereich vorgesehen sein, der ein Bewegungsausmaß des Trägers begrenzt. Unter dem Bewegungsausmaß kann insbesondere ein Verkippungsausmaß und/oder können Kippwinkel des Trägers z.B. relativ zu einer vertikalen Raumachse verstanden werden. Die Anschlagbereiche ermöglichen, dass derartige Kippwinkel oder allgemein das Schwingungsverhalten des Trägers auf mechanische Weise in bevorzugten Grenzen gehalten wird. Hierdurch wird auch ermöglicht, dass Deformationen eines etwaigen deformierbaren Elements in entsprechenden Grenzen gehalten werden und/oder dass vom Aktor erzeugte Kräfte oder hierfür erforderliche Aktorbewegungen und/oder Deformationen (insbesondere bei einem Piezo-Aktor) begrenzt werden. Ein Überschreiten dieser Grenzen könnte z.B. infolge von Kontaktkräften oder einem unerwarteten Resonanzverhalten des Trägers bzw. Messsensors dazu führen, dass unzulässig hohe Reaktionskräfte in die weiteren Komponenten der Trägeranordnung eingeleitet werden. Insbesondere im Fall von Piezo-Aktoren kann dies zu Beschädigungen führen, da diese z.B. empfindlich auf Druckkräfte reagieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Trägeranordnung, beispielsweise in einem zweiten Betriebsmodus, keine oszillierende Kippbewegungen erzeugen. Stattdessen kann auch vorgesehen sein, die Trägeranordnung zwar gemäß jeglichem hierin geschilderten Aspekt auszubilden und in einem ersten Betriebsmodus auch in der bisher geschilderten Weise oszillierend zu betreiben, kann aber im zweiten Betriebsmodus der Träger mittels des Aktors definiert und/oder zumindest dauerhaft verkippt werden, bevorzugt ohne dabei oszillierende Kippbewegungen zu erzeugen. Anders ausgedrückt kann ein Kippwinkel des Trägers gezielt eingestellt und gehalten werden. Dies ist z.B. dann vorteilhaft, wenn mit der Trägeranordnung eine räumliche Ausrichtung und/oder Orientierung eines Messsensors eingestellt werden soll, beispielsweise als eine Vorauslenkung zum Einstellen einer Antastrichtung oder zum Ausgleichen von Kinematikfehlern eines übergeordneten Koordinatenmessgeräts (z.B. von Drehgelenken einer hiervon umfassten Dreh-Schwenk-Einheit). Besonders vorteilhaft ist dies für optische Messsensoren, z.B. zum Einstellen der Lage einer optischen Achse relativ zu einem zu vermessenden Objekt.
Andererseits kann auch bei optischen Sensoren eine oszillierende Verkippung vorteilhaft eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere optische Sensoren, die einen festen Arbeitsabstand haben, wie z.B. eine fixed-focus Kamera oder ein Weißlichtsensor mit einem kleinen Arbeitsbereich. In diesem Fall kann die oszillierende Verkippung vorteilhaft zur schnellen Einstellung des Arbeitsabstandes genutzt werden, beispielsweise vor einem Aufnehmen von Messwerten. Wenn die Abtastfrequenz größer oder gleich der doppelten Schwingfrequenz ist, kann das Nyquist-Theorem erfüllt und kann durch die Oszillation in der Nähe des Arbeitsabstandes dieser besonders schnell gefunden werden.
Zusätzlich oder alternativ kann mittels einer Ausrichtungsanpassung auch eine bevorzugte Antastrichtung eines taktilen Messsensors relativ zum Messobjekt eingestellt werden. Das Einstellen bevorzugter Antastrichtungen ist im Stand der Technik bekannt, wird dort aber typischerweise mittels dem einleitend erwähnten Rotations-Schwenk-Gelenk ausgeführt. Gewünschte Antastrichtungen können dabei anhand von Werkstückmodellen oder allgemein im Programmablauf vorab hinterlegt werden. Allgemein kann die Antastrichtung derart eingestellt werden, dass sie möglichst orthogonal zur Objektoberfläche verläuft. In an sich bekannter Weise ist dies insbesondere bei der Erfassung einer Welligkeit oder Rauheit der Oberfläche vorteilhaft sowie bei Verwendung von Messsystemen (wie z.B. Weißlichtsensoren), die eine starke Winkelabhängigkeit haben.
Auch bei einem Einstellen einer entsprechenden Antastrichtung, die mit einem entsprechenden Kippwinkel des Trägers einhergeht, kann diese Ausrichtung aber durch Kippbewegungen jeglicher hierin geschilderten Art überlagert werden. Anders ausgedrückt kann also diese Antastrichtung als eine Art Gleichgewichtslage eingestellt werden, um die der Träger bzw. der Messsensor entsprechend oszilliert.
Wird im Rahmen einer Antastung eine ungünstige Antastrichtung festgestellt (z.B. durch zu hohe einwirkende Kräfte, wie anhand einer unter einen Schwellenwert abfallenden Schwingungsamplitude und/oder Bewegungsgröße feststellbar) kann die Antastrichtung bzw. die damit einhergehende Verkippung des Aktors geeignet nachkorrigiert werden. In diesem Zustand können Oszillationsbewegungen reduziert werden oder unterbleiben.
Allgemein bevorzugt wird, dass der Aktor das Einstellen einer Kippbewegung und/oder eines Kippwinkels des Trägers bei sämtlichen erfindungsgemäßen Aspekten im Winkelsekundenbereich ermöglicht und/oder in einem Zehntel-Winkelsekundenbereich.
Als ein weiterer allgemeiner Aspekt kann vorgesehen sein, eine Resonanzfrequenz der Trägeranordnung im Betrieb (z.B. nach Einwechseln eines neuen Messsensors und/oder Einwechseln der kompletten Trägeranordnung an bzw. in ein Koordinatenmessgerät) zu ermitteln. Beispielsweise können hierfür die vom Aktor erzeugten Kräfte variiert werden und kann auf diese Weise ein Maximum einer ermittelten Bewegungsgröße (insbesondere der Schwingungsamplitude) bestimmt werden. Dieses Maximum wird durch entsprechende Resonanzfrequenzen verursacht bzw. geht mit diesen einher. Der Aktor kann gemäß Betrieb dann gleichartig betrieben und/oder angesteuert werden, wie dies für das Auftreten dieser maximalen Amplituden bzw. Resonanzfrequenzen erforderlich ist. Alternativ könnte je Messsensor und/oder Trägeranordnung eine Resonanzfrequenz vorab ermittelt werden und beim Einwechselvorgang z.B. von der Steuereinrichtung aus einer Datenbank ausgelesen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein System, umfassend eine Trägeranordnung nach einem der vorangehenden Aspekte und einen mit der Trägeranordnung gekoppelten Messsensor, der ein taktiler Messtaster ist, wobei der Messsensor eine höhere Steifigkeit als das deformierbare Element aufweist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das deformierbare Element bei einer Antastung eine höhere Deformation erfährt als der Messsensor. Dies ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Antastdetektion.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Vermessen eines Objekts mit einem Koordinatenmessgerät, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen einer Trägeranordnung, nach einem der vorangehenden Aspekte;
- Betreiben des Aktors, sodass dieser das deformierbare Element wiederholt deformiert und somit den Träger zu einer oszillierenden Kippbewegung um wenigstens eine Kippachse anregt.

Das Verfahren kann sämtliche weiteren Schritte, Maßnahmen und Merkmale aufweisen, um sämtliche der hierin geschilderten Betriebszustände, Effekte und Wechselwirkungen zu ermöglichen. Insbesondere kann das Verfahren mit einer Trägeranordnung gemäß jeglichem der hierin geschilderten Aspekte ausgeführt werden. Sämtliche Ausführungen zu und Weiterbildungen von Merkmalen der Trägeranordnung können auf die gleichlautenden Verfahrensmerkmale ebenso zutreffen.
Insbesondere kann das Verfahren wenigstens eine der nachstehenden Maßnahmen umfassen, allein oder in beliebiger Kombination, wobei die nachstehende Auflistung einer bevorzugten (aber nicht zwingenden) zeitlichen Reihenfolge der Maßnahmen entspricht. Die Trägeranordnung kann dazu eingerichtet sein, jeglicher dieser Maßnahmen auszuführen:

- Ermitteln der Eigenfrequenz, insbesondere durch sukzessives Ändern einer Frequenz der vom Aktor ausgeführten Deformationen und einem parallelen Erfassen der resultierenden Schwingungsamplitude. Die größte Amplitude liegt bei der Eigenfrequenz vor (hierin auch als Resonanzfrequenz bezeichnet). Diese kann bei nachfolgenden Messvorgängen eingestellt bzw. umgesetzt werden. Vorzugsweise wird die Eigenfrequenz bei jedem Sensorwechsel neu ermittelt oder zumindest dann, wenn für einen gekoppelten Sensor keine Informationen betreffend die Eigenfrequenz vorliegen.
- Anregung des Messsensors durch den Aktor oder die Mehrzahl der Aktoren mit der Eigenfrequenz;
- Erfassen der tatsächlichen Bewegungen des Trägers und/oder Messsensors mit der Sensoreinrichtung (z.B. als vorstehend geschilderte Bewegungsgröße);
- Ermitteln einer Antastung anhand der erfassten Bewegungen, wofür bevorzugt folgende Kriterien überprüft werden: Die Dauer einer anhand der erfassten Bewegung festgestellten Schwingungs- oder Auslenkungsänderung überschreitet einen Referenzwert und/oder die Amplitude der Schwingungs- oder Auslenkungsänderung überschreitet einen Referenzwert. Derartige Kriterien können auch unabhängig vom Verfahren als Merkmale der Trägeranordnung vorgesehen sein;
- Durchführen einer Regelung anhand der erfassten Bewegungen, die insbesondere eine Verkippung sein können, wobei die Regelung einwirkende Antastkräfte reduziert, vorzugsweise durch Reduzieren der Bewegungen bzw. Verkippung.
- Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.

1 bis 4 zeigen Trägeranordnungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
5 zeigt eine weitere Trägeranordnung mit einem Drehlager gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
6a-6c zeigt die Trägeranordnung aus 5 in verschiedenen Betriebszuständen;
7 zeigt eine Anordnung, umfassend eine lediglich schematisch angedeutete Trägeranordnung.

In 1 bis 3 sind Trägeranordnungen 10 gemäß verschiedenen Ausführungsformen und jeweils in einer Seitenansicht gezeigt. 4 zeigt eine nachstehend erläuterte Verteilung von Aktoren innerhalb z.B. der Trägeranordnung aus 3. Die genannten Figuren werden im Folgenden zum Teil gemeinsam diskutiert.
In 1 bis 3 ist jeweils ein Grundkörper 12 einer jeweiligen Trägeranordnung 10 gezeigt. Dieser umfasst eine Rückseite 14, die einen nicht gesondert gezeigten Schnittstellenbereich zum Ankoppeln an ein Koordinatenmessgerät und insbesondere an eine Pinole eines Koordinatenmessgeräts aufweist. Derartige Schnittstellen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
An einer von der Rückseite 14 abgewandten Vorderseite 16 des Grundkörpers 12 ist bei jeder der Ausführungsformen zumindest ein elastisch deformierbares Element 18 angeordnet. Im Folgenden wird daher auf nur ein einzelnes entsprechendes Element 18 eingegangen, auch wenn die Ausführungen auf ein etwaiges zweites Element 18 einer jeweiligen Trägeranordnung 10 ebenso zutreffen. Insbesondere wird auf das in 1 Rechte deformierbare Element 18 eingegangen.
Lediglich beispielhaft ist dieses deformierbare Element 18 trapezförmig. Ferner lediglich beispielhaft ist in mehreren der gezeigten Fällen an einem von der Vorderseite 16 entfernten Ende 20 von zumindest einigen der deformierbaren Elemente 18 ein weiteres Federelement 22 angeordnet. Über die Federsteifigkeiten der elastisch deformierbaren Elemente 18, 22 wird eine Resonanzfrequenz der nachstehend erläuterten Verkippungsbewegung eingestellt.
Das trapezförmige elastisch deformierbare Element 18 weist jeweils einen ersten (Querschnitts-) Bereich 24 und genauer gesagt zwei entsprechende Bereiche 24 auf, die jeweilige Endabschnitte bilden. Einer ist der Vorderseite 16 und einer dem weiteren Federelement 22 zugewandt. Dazwischen und in der größten Querschnittsebene des trapezförmigen Elements 18 (oder, anders ausgedrückt, entlang einer Hauptachse der trapezförmigen Form) befindet sich ein weiterer (Querschnitts-) Bereich 26. Dort ist ein Aktor 28 und beispielhaft ein Piezo-Aktor positioniert. Die vorstehenden Bezugszeichen sind größtenteils nur bei der Variante von 1 eingetragen, treffen jedoch auch in den anderen Fällen der 2 und 3 zu.
Der Aktor 28 ist jeweils als ein breit dargestellter Block abgebildet, der horizontal im größten Querschnitts-Bereich 26 des Elements 18 verläuft. Der Aktor 28 kann entlang seiner Längsachse (also in entsprechend horizontaler Richtung entlang der X-Achse) eine Kraft A erzeugen, die beispielhaft mit einem Doppelpfeil markiert ist.
Bezugnehmend auf das Koordinatensystem aus 1 wird hierin allgemein folgende Orientierung der Trägeranordnung 10 zugrunde gelegt: Eine vertikale Raumachse, die entgegen der Richtung verläuft, in der eine Gravitationskraft wirkt, ist mit Z bezeichnet. Sie steht beispielhaft orthogonal auf einer Ebene des Grundkörpers 12. Ferner gezeigt sind weitere Achsen X, Y, die orthogonal zueinander sowie zur Z-Achse verlaufen und eine horizontale Raumebene bilden. Es versteht sich, dass die Trägeranordnung 10 auch andersartig von einem Koordinatenmessgerät und etwaigen hiervon umfassten Gelenken positioniert werden kann. Dennoch wird zu Erläuterungszwecken im Folgenden von der geschilderten Ausrichtung ausgegangen.
Man erkennt also, dass der Aktor 28 in einer horizontalen Raumebene verläuft. Längenänderungen des Aktors 28 führen zu einer Stauchung oder Aufweitung des elastisch deformierbaren Elements 18 und genauer gesagt der (Querschnitts-) Abmessung Q von dessen Bereich 26. Genauer gesagt führt eine Kontraktion (also Verkürzung) des Aktors 28 gegenüber dem Zustand aus z.B. 1 dazu, dass die End-Bereiche 24 auseinander gedrängt werden. Eine in 1 beispielhaft eingetragene Längenabmessung L des deformierbaren Elements 18 vergrößert sich daraufhin.
Hingegen führt eine Verlängerung des Aktors 28 (z.B. gegenüber dem geschilderten verkürzten Zustand und zur erneuten Einnahme des in 1 gezeigten Zustands) zu einer Verkürzung des Abstandes der End-Bereiche 24 und somit einer Reduzierung der Längenabmessung L. Die Querschnittsabmessung Q des mittleren Bereichs 26 vergrößert sich dann aber entsprechend. Bildlich gesprochen kann also der in 1 untere End-Bereich 24 des deformierbaren Elements 18 nach Maßgabe einer Kontraktion des Aktors 28 gegenüber dem Grundkörper 12 angehoben und abgesenkt werden. Dies erfordert im gezeigten Beispiel entlang der vertikalen Achse Z.
Die Übersetzung der Querschnittsänderung des deformierbaren Elements 18 in eine Längenänderung führt auch zu einer Kraftumlenkung der aktorisch erzeugten Kraft A. Genauer gesagt führt dies dazu, dass von dem deformierbaren Element 18 eine in vertikaler Z-Richtung verlaufende Kraft F auf hiermit gekoppelte Komponenten ausgeübt wird. Der vom Aktor 28 erzeugte zunächst horizontaler Kraftfluss wird also in entsprechend vertikaler Richtung umgelenkt.
Nicht gezeigt, aber dem Fachmann geläufig, sind Komponenten zur Energieversorgung des Aktors 28. Da es sich hierbei um einen Piezo-Aktor handelt, kann an diesen in bekannter Weise eine zeitlich variable Spannung angelegt werden, damit diese sich wiederholt zusammenzieht und entspannt. Die Spannungsversorgung und somit eine Kontraktionsfrequenz des Aktors 28 kann über eine Steuereinrichtung gesteuert werden (siehe Steuereinrichtung 106 in 7). Diese kann z.B. in eine Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts integriert sein oder der Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts entsprechen.
Gegenüberliegend zum Grundkörper 12 und nahe dem unteren End-Bereich 24 des deformierbaren Elements 18 in 1 ist ferner ein Träger 30 angeordnet. Der Träger 30 ist an den lediglich beispielhaft vorgesehenen Federn 22 befestigt, kann aber auch direkt an den deformierbaren Elementen 18 befestigt sein (siehe entsprechend linkes Element 18 in 1).
Der Träger 30 ist plattenförmig und weist in den in 1 bis 3 gezeigten Ruhezuständen eine horizontale Erstreckung parallel zum Grundkörper 12 und auch zu dem Aktor 28 auf. An dem Träger 30 ist ein Messsensor 32 und im gezeigten Fall ein taktiler Messtaster angeordnet. Dieser ist starr und frei von signalerzeugenden Einheiten. Der Träger 30 und Messtaster 32 können einstückig ausgebildet sein und hierfür in einem Verbindungsbereich 34 ineinander übergehen. Auch ein separates Ausbilden dieser Elemente 30, 32 und lösbares Verbinden z.B. über ein Gewinde oder eine Tasterschnittstelle im Verbindungsbereich 34 ist aber möglich.
Der Messsensor 32 umfasst in an sich bekannter Weise einen langgestreckten Schaft 35 sowie einen lediglich beispielhaft kugelförmigen Antastkörper 36. Der Messsensor 32 und genauer gesagt dessen Schaft 35 erstreckt sich orthogonal ausgehend von dem plattenförmigen Träger 30 und somit in vertikaler Z-Richtung.
Dadurch, dass in der geschilderten Weise die Längenabmessung L der deformierbaren Elemente 18 veränderbar ist und der Träger 30 mit den deformierbaren Elementen 18 verbunden ist, ist dieser nach Maßgabe der Längenänderung L und/oder Aktorbetätigungen ebenfalls bewegbar und genauer gesagt relativ zum Grundkörper 12 bewegter. Dies wird im Folgenden bezugnehmend auf die einzelnen 1 bis 3 erläutert.
In 1 ist eine Variante gezeigt, bei der die Trägeranordnung 10 zwei elastisch deformierbare Elemente 18 mit Trapezform umfasst. Lediglich beispielhaft weist dabei das linke Element 18 keine weiteren Federelemente 22 auf. Andererseits ist lediglich in dem rechten Element 18 ein Aktor vorgesehen. Das linke Element 18 ist somit rein passiv. Im Betrieb bedeutet dies, dass eine Änderung der Querschnittsabmessung Q durch wiederholte Kontraktion des Aktors 18 dazu führt, dass eine Längenänderungs- bzw. Deformationskraft F von dem rechten Element 18 in der geschilderten Weise auf den Träger 30 ausgeübt wird. Dies erfolgt in einer relativ zum Verbindungsbereich 34 versetzten Position. Der Verbindungsbereich 34 ist dabei mittig innerhalb des Trägers 30 positioniert, d.h. er entspricht dessen geometrischer Mitte bzw. dessen Zentrum. Die Krafteinleitung über das deformierbare Element 18 (und optional 22) erfolgt entsprechend außermittig bzw. exzentrisch. Dies führt dazu, dass der Träger 30 relativ zur horizontalen Ebene verkippt und genauer gesagt und die Y-Achse aus 1. Das passive bzw. aktorlose deformierbare Element 18 erfährt dabei Deformationen nach Maßgabe der eingeleiteten Kraft F. Es agiert sozusagen als eine Art Drehlager und deformiert und insbesondere verbiegt sich nach Maßgabe einer Verkippung des Trägers 30.
Wie durch die Pfeile S angedeutet, führt der Messsensor 32 und insbesondere dessen Antastelement 36 folglich eine Art Schwenkbewegung aus. Dies entspricht ebenfalls einer Rotation der genannten Elemente um die horizontale Y-Achse aus 1. gegenüber dem Ruhezustand aus 1 und der dortigen vertikalen Erstreckung seiner Längsachse E, wird der Messsensor 32 also um die Kippachse Y ausgelenkt.
In 2 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der jedoch gegenüber dem Fall aus 1 das linke passive deformierbare Element 18 weggelassen ist. Stattdessen ist der Träger 30 über ein Rotationsgelenk 32 am Grundkörper 12 und genauer gesagt einen vertikal hiervon hervorstehenden Lagerbereich 13 befestigt. Mittels des Aktors 28 kann analog zur Variante aus 1 wiederum eine außermittige Kraft F auf den Träger 30 aufgebracht werden. Es entsteht daraufhin eine gleichartige Schwenkbewegung gemäß den Pfeilen S, wie zu 1 erläutert.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Trägeranordnung 10 mit zwei Aktoren 28 samt dazugehörigen elastisch deformierbaren Elementen 18 gezeigt. Diese Ausführungsform bildet auch die Grundlage der nachstehend erläuterten weiteren Varianten der 5 und 6a-6c. Die Aktoren 28 samt der hiermit verbundenen deformierbaren Elemente 18 sind dabei gleichartig zueinander ausgebildet und entsprechen den Ausführungen der 1 (rechts) und 2. Weiter sind sie jeweils außermittig bezogen auf den Träger 30 bzw. dessen Verbindungsbereich 34 positioniert. Genauer gesagt sind sie bezogen auf die Achse X aus 1 mit gleichartigen Abständen T vom Verbindungsbereich 34 beabstandet. Die Krafteinleitung in den Träger 30 erfolgt somit ebenfalls an entsprechend um den Abstand T beabstandeten Positionen.
Im Fall von 3 ziehen sich die Piezo-Aktoren 28 alternierend zusammen bzw. werden diese alternierend betrieben. Gegenüber dem in 3 gezeigten Ruhezustand würde also der linke Piezo-Aktor 28 sich zusammenziehen und dadurch eine Kraft F ausüben, während der in 3 rechte Piezo-Aktor 28 keine derartige oder zumindest eine lediglich geringere Kraft erzeugt. Beispielsweise kann der rechte Aktor 28 beispielsweise im nichtzusammengezogenen und keine Deformation verursachenden Zustand aus 3 verbleiben. Vorzugsweise erst wenn die Krafterzeugung mit dem linken Aktor 28 beendet ist, wird der rechte Aktor 28 zusammengezogen. Auf diese Weise können die bereits geschilderten Verkippbewegungen des Trägers 30 bzw. Schwenkbewegungen des Antastelements 36 gemäß dem Pfeil S mit besonders hohen Frequenzen umgesetzt werden. Insbesondere kann dann, sobald einer der Aktoren 28 seine maximale Kontraktion erreicht hat, bereits der andere Aktor 28 beginnen, sich zusammenzuziehen, um hohe Kippfrequenzen zu erreichen.
Sämtliche der geschilderten Ausführungsformen ist gemein, dass die Kontraktionen des Piezo-Aktors 28 und daraus resultierende Krafteinleitungen in den Träger 30 derart gesteuert werden (z.B. durch Anlegen entsprechend variierender Spannungen), dass die Kippbewegungen möglichst nahe an der Resonanzfrequenz des Trägers 30 bzw. des Feder-Masse-Schwingsystems liegen, wie es durch die Trägeranordnungen 10 definiert wird.
In 4 ist noch eine weitere Variante einer Trägeranordnung 10 gezeigt. In diesem Fall ist der Träger 30 in einer Draufsicht abgebildet (also mit einer Blickrichtung entgegen der Z-Achse). Wie auch bei sämtlichen anderen hierin geschilderten Ausführungsformen der Fall, kann es sich bei dem Träger 30 insbesondere um eine kreisförmige und/oder runde Platte handeln. Gezeigt ist auch erneut der Verbindungsbereich 34 zum in diesem Fall verdeckten Messsensor 32. Weiter gezeigt sind Positionen einzelner Aktor-Element-Kombinationen 28, 18.
Man erkennt, dass diese Kombinationen 28, 18 zunächst wiederum gleichartig zum Zentrum bzw. Verbindungsbereich 34 beabstandet sind und hierzu radiale Abstände T aufweisen. Ebenso sind sie aber gleichartig in der Ebene des Trägers 30 um den Verbindungsbereich 34 verteilt. Hierzu weisen sie jeweils Winkelabstände W von 120° zu einem entsprechend benachbarten Aktor 28 bzw. Element 18 auf.
Durch Vorsehen einer entsprechenden Mehrzahl von Aktoren 28 bzw. Elementen 18 können nicht nur Verkippbewegungen um eine einzelne Kippachse bereitgestellt werden, sondern auch Bewegungen um eine Mehrzahl von Achsen. Insbesondere können dann auch dreidimensionale Bewegungen erzeugt werden, z.B. spiral- oder helixförmige Bewegungen.
In 5 ist eine auf 3 aufbauende weitere Ausführungsform einer Trägeranordnung 10 gezeigt. Man erkennt wiederum die beiden Aktor-Element- Kombinationen 18, 28. Diese sind lediglich beispielhaft an einer optionalen Zwischenplatte 31 befestigt und leiten dort Kräfte ein. An der Zwischenplatte 31 ist dann die vorstehend geschilderte Trägerplatte 30 über eine Schnittstelle 33 befestigt. Über die Schnittstelle 33 kann ein automatisches Einwechseln verschiedenartiger Trägerplatten 30 mit daran angeordneten Messsensoren 32 erfolgen. Ein geometrisches Zentrum der Platten 31, 30 fällt zusammen und liegt auf einer vertikal verlaufenden Achse A, die wiederum durch den Verbindungsbereich 34 des Trägers 30 verläuft.
An dem Grundkörper 12 sind zwei Anschlagbereiche 13 in Form von vertikal hervorstehenden Stegen bereitgestellt. Diese Form der Anschlagbereiche ist nicht zwingend. Die Anschlagbereiche 13, die z.B. auch als ein zusammenhängender Ringabschnitt bzw. eine Hohlzylinder-Außenwand ausgebildet sein könnten, erstrecken sich ausgehend von der Vorderseite 16 des Grundkörpers 12 in Richtung des Trägers 30. Sie enden kurz oberhalb der auslenkbaren bzw. verschwenkbaren Komponenten der Trägeranordnung 10, also im gezeigten Beispiel oberhalb der Zwischenplatte 31. Ist eine solche Zwischenplatte 31 nicht vorgesehen, würden sie oberhalb vom Träger 30 enden bzw. diesem unmittelbar gegenüberliegen.
Die Anschlagbereiche 13 sind derart bemessen, dass ein Zwischenraum Z zur gegenüberliegenden bewegbaren Komponente verbleibt (im gezeigten Fall zu der Zwischenplatte 31). Dieser Zwischenraum Z stellt einen Bewegungsfreiraum dar, innerhalb dem die Zwischenplatte 31 relativ zu den feststehenden Anschlagbereichen 13 verkippen kann. Nimmt das Verkippungsausmaß z.B. infolge von Kontaktkräften des Messtasters 32 oder aber Fehlfunktionen von z.B. den Aktoren 28 übermäßig zu und überschreitet den mittels der Zwischenräume Z bereitgestellten Bewegungsfreiraum, kann die Zwischenplatte 31 an den Anschlagbereichen 13 (je nach Verkippungsrichtung einer der Anschlagbereiche 13 aus 5) anschlagen. Auf diese Weise wird ein weiteres Verkippen in die entsprechende Richtung verhindert. Insbesondere kann hierdurch das Risiko vermieden werden, dass die deformierbaren Elemente unzulässig stark gestaucht werden und dadurch z.B. die Aktoren 28 unzulässig stark verformt werden, was diese beschädigen könnte.
Weiter gezeigt ist ein optionales Drehlager 60. Dieses stellt ein Rotationsgelenk dar, um die Verkippbewegung des Trägers 30 (und im gezeigten Beispiel auch der Zwischenplatte 31) relativ zu z.B. dem Grundkörper 12 zu führen und zu stützen. Lediglich beispielhaft umfasst das Drehlager 60 in 5 einen Kugelkörper 62. Dieser ist zwischen zwei geschnitten dargestellten Lagerabschnitten 64 aufgenommen, wobei die Schnittebene in der Z-X-Ebene liegt. Die Lagerabschnitte 64 weisen jeweils der Kugel 62 zugewandte hohl-konische Flächen auf, an denen die Kugel 62 anliegt. Auf diese Weise wird die Kippbewegung des Trägers 30 bzw. Messsensors 32 zusätzlich gestützt und geführt, was die Genauigkeit verbessert und ein Schwingen bei besonders hohen Frequenzen ermöglicht.
In den 6a-6c sind verschiedene Zustände der Trägeranordnung 10 aus 5 gezeigt. Dabei ist der Messsensor 32 jeweils nicht vollständig abgebildet, sondern nur ein oberster Abschnitt von dessen Schaft 35 nahe des Verbindungsbereichs 34. In 6a ist der Ruhezustand analog zu 5 gezeigt. In 6b ist ein Zustand gezeigt, bei dem der linke Aktor 28 zusammengezogen ist, der rechte hingegen nicht. Die Platten 30, 31 verkippen entsprechend derart, dass sie sich in Richtung des rechten Anschlagbereichs 13 bewegen und dort (beispielhaft) sogar anschlagen. In 6c ist gezeigt, dass der rechte Aktor 28 zusammengezogen ist, wohingegen der linke entspannt ist. In umgekehrter Weise zu 6b schlagen somit die Platten 31, 30 an dem linken Anschlagbereich 13 an bzw. sind in Richtung von diesem verkippt. Durch das alternierende Zusammenziehen der Aktoren 28 verkippen bzw. schwingen die Platten 30, 31 dabei zwischen den Zuständen aus den 6b-6c hin und her, wobei sie jedoch vorzugsweise nicht stets an den Anschlagbereichen 13 anschlagen, sondern kurz davor stoppen. Dieser vorzugsweise hochfrequente Wechsel zwischen den geschilderten Zuständen entspricht einer oszillierenden Kipp-Bewegung des Trägers 30, wie sie durch die Trägeranordnung 10 zwecks einer Objektantastung verursacht wird.
Noch nicht diskutiert, aber in sämtlichen Ausführungsbeispielen vorgesehen und im Folgenden anhand von 5 erläutert, ist ferner eine Sensoreinrichtung 70. Diese ist lediglich beispielhaft in die Zwischenplatte 31 integriert, kann jedoch aber ebenso am Träger 30 positioniert sein (z.B. rückseitig vom Verbindungsbereich 34). Sie ist jedoch bevorzugt mittig angeordnet, was jedoch nicht für sämtliche im allgemeinen Beschreibungsteil diskutierten möglichen Sensoreinrichtungen erforderlich ist.
Im gezeigten Fall ist die Sensoreinrichtung 70 ein Beschleunigungssensor, der die Beschleunigungen entlang und um die drei Raumachsen misst (siehe Koordinatensystem aus 1). Auf diese Weise kann der Verkippungszustand und können insbesondere Änderungen hiervon über die Zeit und vorzugsweise je einzelner Raumachse (bzw. je Bewegungsfreiheitsgrad entlang und um die einzelnen Raumachsen) gemessen werden. Folglich kann auch eine Schwingungsamplitude (z.B. je Raumachse bzw. Freiheitsgrad) des Trägers 30 beim Wechsel zwischen den Zuständen aus 6b-6c gemessen werden. Bevorzugt misst jegliche eingesetzte Sensoreinrichtung 70 zumindest eine Bewegungsgröße und insbesondere Schwingungsamplitude um die Kippachse Y.
Wie im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert, kann eine gemessene Schwingungsamplitude in verschiedenster Weise überwacht und/oder ausgewertet werden. Insbesondere können hierdurch (z.B. durch deren Abnahme) Antastvorgänge erkannt werden. Weiter können sie für eine Regelung einer scannenden Objektantastung ausgewertet werden.
Durch die geschilderten oszillierenden Bewegungen können Objektantastungen in verschiedensten Raumrichtungen zuverlässig ermittelt werden. Genauer gesagt behindern die Objektabtastungen freie Schwenkbewegungen des Messsensors 32 und schlagen sich entsprechend in sensorisch erfassbaren Amplitudenänderungen von dessen Kippbewegung nieder. Andererseits können durch das optionale Drehlager 60, das eine Komprimierbarkeit der Trägeranordnung 10 in die vertikale Richtung Z unterdrückt, Objektantastungen bzw. Kontaktkräfte, die ausschließlich in der vertikalen Z-Richtung wirken, unter Umständen nicht derart präzise und schnell erfasst werden, wie etwaige aus anderen Raumrichtungen einwirkenden Kontaktkräfte.
In 7 ist abschließend ein System 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses umfasst eine lediglich schematisch angedeutete Trägeranordnung 10 gemäß einem beliebigen der vorangehenden Ausführungsbeispiele samt einem hiervon oszillierenden bewegten Messsensor 32. Die Trägeranordnung 10 ist an einem Koordinatenmessgerät 102 angeordnet, das lediglich beispielhaft als ein Koordinatenmessgerät in Auslegerbauweise ausgebildet ist. Weiter gezeigt ist ein zu vermessendes Objekt 104 (Messobjekt), das mit dem Messsensor 32 angetastet werden soll. Das Koordinatenmessgerät 102 weist auch eine schematisch angedeutete Steuereinrichtung 106 auf. Die Trägeranordnung 10 ist mit dem Koordinatenmessgerät 102 über eine nicht gesondert dargestellte Datenverbindung und Energieverbindung verbunden und insbesondere mit der Steuereinrichtung 106. Auf diese Weise können Ansteuersignale von der Steuereinrichtung 106 an die Aktoren 28 oder aber an eine optionale in die Trägeranordnung 10 integrierte Leistungselektronik für die Aktoren 28 übermittelt werden, um die oszillierende Bewegung zu steuern. Gleichzeitig können von der nicht gesondert dargestellten Sensoreinrichtung 70 der Trägeranordnung 10 Signale an die Steuereinrichtung 106 übermittelt werden. Diese kann daraufhin Bewegungsgrößen gemäß jeglicher hierin geschilderter Varianten erhalten und/oder ermitteln und darauf basierend zum Beispiel eine scannende Objektantastung regeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4397188 A [0010]

Claims

Trägeranordnung (10) für einen Messsensor (32) eines Koordinatenmessgeräts (102), mit: - wenigstens einem Aktor (28); - wenigstens einem durch den Aktor (28) elastisch deformierbaren Element (18), - einem Träger (30), der einen Verbindungsbereich (34) aufweist, an dem ein Messsensor (32) zum Erfassen eines zu vermessenden Objekts (104) angeordnet oder anordenbar ist, und der nach Maßgabe einer Deformation des Elements (18) bewegbar ist, wobei der Aktor (28) dazu eingerichtet ist, das Element (18) wiederholt zu deformieren und dadurch den Träger (30) zu einer oszillierenden Kippbewegung um wenigstens eine Kippachse (Y) anzuregen.
Trägeranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Träger (30) einen plattenförmigen Bereich aufweist und die Kippachse (Y) in einer Ebene liegt, die zumindest bei ausbleibender Betätigung des Aktors (28) parallel zu einer Ebene des plattenförmigen Bereichs (37) verläuft oder mit dieser zusammenfällt.
Trägeranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktor (28) ein Piezo-Aktor ist und/oder wobei vom Aktor (28) ausgehende Kräfte (F) außerhalb des Verbindungsbereichs (34) in den Träger (30) einleitbar sind.
Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Aktor (28) dazu eingerichtet ist, eine Kraft (A) in einer Ebene zu erzeugen, die parallel zu einer Ebene des Trägers (30) verläuft und/oder die in einem Winkel zu einer Längsachse (E) des Messsensors (32) verläuft.
Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Aktor (28) dazu eingerichtet ist, im Rahmen der elastischen Deformation eine Querschnittsabmessung (Q) des deformierbaren Elements (18) zu verändern, insbesondere derart, dass sich eine hierzu orthogonale Längenabmessung (L) des defomierbaren Elements (18) ebenfalls ändert.
Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Sensoreinrichtung (70), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Bewegungsgröße (B) des Trägers (30) zu ermitteln, insbesondere wobei die Bewegungsgröße (B) eine Schwingungsamplitude ist.
Trägeranordnung (10) nach Anspruch 6, wobei anhand der Bewegungsgröße (B) eine Objektantastung ermittelbar ist.
Trägeranordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend eine Steuereinrichtung (106), die dazu eingerichtet ist, die Bewegungsgröße (B) zu regeln, insbesondere derart, dass diese während einer scannenden Objektantastung in einem vorbestimmten Bereich verbleibt.
Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Drehlager (60), welches den Träger (30) verkippar lagert, insbesondere wobei wenigstens einer von Drehlager (60) und Träger (30) zumindest einen gewölbten Oberflächenbereich (63) umfasst, an dem ein Lagerabschnitt (64) des entsprechend anderen von Drehlager (60) und Träger (30) anliegt.
Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend wenigstens einen Anschlagbereich (13), der ein Bewegungsausmaß des Trägers (30) begrenzt.
System (100), umfassend eine Trägeranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einen mit der Trägeranordnung (10) gekoppelten Messsensor (32), der ein taktiler Messtaster ist, wobei der Messsensor (32) eine höhere Steifigkeit als das deformierbare Element aufweist.
Verfahren zum Vermessen eines Objekts (104) mit einem Koordinatenmessgerät (102), umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Trägeranordnung (10), nach einem der Ansprüche 1-10; - Betreiben des Aktors (28), sodass dieser das deformierbare Element (18) wiederholt deformiert und somit den Träger (30) zu einer oszillierenden Kippbewegung um wenigstens eine Kippachse (Y) anregt.