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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Prüfung der Arbeitsgenauigkeit
einer Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die
Anforderungen an die Arbeitsgenauigkeit zur Fertigung von Werkstücken steigt
zunehmend. Der Begriff Arbeitsgenauigkeit definiert den maschinenspezifischen
Anteil der Fertigungsgenauigkeit des Herstellprozesses nach VDI
3441.
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Die
neuen Anforderungen an Werkzeugmaschinen führen einerseits zur Ausschöpfung des
Rationalisierungspotentials an seriellen Werkzeugmaschinen und andererseits
zur Entwicklung neuer Werkzeugmaschinenkonzepte. Heute befinden
sich vorwiegend serielle Werkzeugmaschinen im industriellen Einsatz,
jedoch verspricht das Konzept der parallel kinematischen Systeme
die Erschließung
neuer Einsatzbereiche.
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Die
Kalibrierung von seriell und parallel kinematischen Maschinen ist
ein Schritt zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit. Die Kalibrierung
dient zur Feststellung der geometrischen Abweichungen in den kinematischen
Ketten der Maschinen. Eine Messanordnung zur Kalibrierung muss geeignet
sein, die Relativposition und -orientierung zwischen der Hauptspindel
der Werkzeugmaschine (Träger
des Werkzeugs) und dem Werkstückträger zu messen. Da
sich die Parallelkinematiken nichtlinear über den Arbeitsraum verhalten
ist eine Kalibrierung mit Messungen über den gesamten Arbeitsraum
notwendig, welche Daten für
die Korrektur des Modells liefern. Die Abweichungen im Tool-Center-Point
entstehen bei Parallelkinematiken durch die gleichzeitige parallele
Bewegung der einzelnen Achsen und können daher nicht wesentlich
durch die Erhöhung
der Genauigkeit der Einzelbauteile wie bei seriellen Maschinenkinematiken
verbessert werden, sondern müssen
bei der Kalibrierung festgestellt werden.
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In
der Zeitschrift ROBOTER, Februar 1992, Seiten 50 bis 52 ist eine
Aufstellung von gebräuchlichen
Messanordnungen zur Prüfung
der Genauigkeit von Maschinen, beispielsweise Robotern, enthalten. Eine
dieser Messanordnungen besteht aus einem am Arm des Roboters befestigten
Referenzwürfel
mit mehreren orthogonal angeordneten Antastebenen. Stationär dazu ist
ein Messkopf mit mehreren Tastsystemen mit rechtwinkelig zueinander
stehenden Messachsen zur Antastung der Antastebenen angeordnet.
Durch die Verwendung von 6 Tastsystemen wird die Position sowie
die Orientierung des Roboterarms ermittelt, indem entweder der Referenzwürfel gegenüber dem
Messkopf oder der Messkopf gegenüber
dem Referenzwürfel
durch den Roboter bewegt wird.
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Nachteilig
bei dieser Messanordnung ist, dass nur ein kleiner Messraum zur
Verfügung
steht. Zur Vergrößerung des
Messraumes ist eine Vergrößerung des
Messweges aller 6 Tastsysteme erforderlich, wodurch sich die Messgenauigkeit
aufgrund der verringerten Stabilität verringert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Messanordnung anzugeben, mit der
die Positions- und Orientierungsgenauigkeit – also die Arbeitsgenauigkeit – eines
Maschinenteils in einem großen Arbeitsraum
mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Messanordnung ermöglicht
eine Kalibrierung parallel kinematischer Maschinen mit statischer
Messung aller 21 Einzelfehlerkomponenten (3 Positions-, 6 Geradheits-,
9 Winkel- und 3 Rechtwinkeligkeitsabweichungen) an einem dreiachsigen
Koordinatensystem mit derselben Gerätekonfiguration sowie Messungen
nach ISO 230-6, das heißt
volumetrische Tests. Weiterhin sind dynamische Messungen möglich, insbesondere
ein Kreisformtest (nach ISO 230-4) in 3 Ebenen sowie Diagonaltests
und Freiformtests im Raum, also echte dynamische volumetrische Messungen.
Wobei all diese Messungen mit ein und derselben Systemanordnung
ohne Umrüstung
mit derselben Aufspannung durchführbar sind.
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Die
Positionierung und Orientierung eines zu prüfenden Maschinenteils ist mittels
stabiler Längenmesssystemen
erfassbar, wobei für
jede Messkoordinate ein einziges Längenmesssystem vorgesehen ist.
Die Winkelabweichungen Rollen, Stampfen und Gieren sind jeweils
separat durch die Messung von Schwenkbewegungen, indirekt durch
Längenmessungen
mittels Messtastern oder direkt durch Winkelmessungen mittels Drehgebern
erfassbar.
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Die
Messgenauigkeit ist über
einen relativ großen
Messbereich sehr hoch, da die Messanordnung mechanisch äußerst stabil
aufgebaut ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren.
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Es
zeigen:
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1 den Grundaufbau der Messanordnung,
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2 die Messanordnung im Detail,
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3 die räumliche Anordnung zweier Messtaster
der Messanordnung,
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4 die Auslenkung der Messtaster
gemäß 3 beim Stampfen,
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5 die Auslenkung der Messtaster
gemäß 3 beim Rollen,
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6 einen Schnitt durch einen
Antastteller und
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7a, 7b, 7c verschiedene
Antastpositionen im Arbeitsraum.
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Die 1 zeigt das Konzept der
neuen Messanordnung. Die Messanordnung besteht aus einem Messkopf 0,
bestehend aus einem Rahmen 1, in dem drei Messpinolen 2, 3, 4 in
drei orthogonalen Achsen X, Y, Z spielfrei längsgeführt sind. Jede Messpinole 2, 3, 4 besitzt
am antastseitigen Ende ein über
ein Kugelgelenk 212, 222, 232 angelenktes
Antastelement in Form eines Antasttellers 21, 22, 23.
Zur spielfreien und kräftefreien
Antastung der orthogonal zueinander angeordneten Antastebenen 20, 30, 40 eines
Referenzkörpers 100 werden
die Antastteller 21, 22, 23 mit Vakuum
vorgespannten Luftlagern 211 (6) am Referenzkörper 100 geführt. Als
Referenzkörper 100 dient
ein Quader mit guter Ebenheit und Rechtwinkeligkeit der Antastebenen 20, 30, 40.
Der Referenzkörper 100 wird
auf einer Werkstückplattform
fixiert und der Rahmen 1 wird mit einer Arbeitsspindel einer
Bearbeitungsmaschine verbunden. Das Konzept der Messanordnung erlaubt
aber auch die Fixierung des Referenzkörpers 100 an der Arbeitsspindel und
die Befestigung des Rahmens 1 mit den Messpinolen 2, 3, 4 auf
der Werkstückplattform,
wenn dies in einem konkreten Anwendungsfall (z.B. Parallelkinematik
mit horizontaler Arbeitsspindel) günstiger ist.
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Der
Referenzkörper 100 ist
quaderförmig, wobei
die Seitenlängen
der Antastebenen 20, 30, 40 vorzugsweise
dem Arbeitsvolumen der zu prüfenden Maschine
angepasst sind und die möglichen
Verschiebewege bzw. Messlängen
der Messpinolen 2, 3, 4 zumindest weitgehend
gleich lang sind wie die zugeordneten Seitenlängen der Antastebenen 20, 30, 40 des
Referenzkörpers 100.
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Die
Verschiebung der Messpinolen 2, 3, 4 gegenüber dem
Rahmen 1 wird durch Längenmesssysteme 5, 6, 7 erfasst.
Wie in 2 schematisch dargestellt,
besteht jedes Längenmesssystem 5, 6, 7 aus
einem an der Messpinole 2, 3, 4 angebrachten Maßstab 51, 61, 71 und
einem diesen Maßstab 51, 61, 71 abtastenden
am Rahmen 1 befestigten Abtastkopf 52, 62, 72.
Kippungen des Referenzkörpers 100 werden
von drei Messtastern 8, 9, 10 detektiert,
welche jeweils die Verkippung der Antastteller 21, 22, 23 um
die Drehachsen D1, D2, D3 relativ zur entsprechenden Messpinole 2, 3, 4 erfassen.
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Der
Rahmen 1, welcher die 3 Messpinolen 2, 3, 4 mit
der Arbeitsspindel verbindet muss die Belastungen durch das Auskragen
der Messpinolen 2, 3, 4 aufnehmen. Dementsprechend
ist er in Abhängigkeit von
der Größe des Arbeitsraumes
stabil und ggf. mit Verstrebungen versehen ausgeführt.
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Die
Messpinolen 2, 3, 4 sind im Rahmen 1 längsverschieblich
gelagert. Hierfür
dienen an sich bekannte, nicht im Detail dargestellte spielfreie
Präzisionslager 24, 25, 26.
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Jede
der Messpinolen 2, 3, 4 ist ein rohrförmiger Körper, an
dessen Außenseite
der Maßstab 51, 61, 71,
z.B. ein Glasmaßstab
mit einer inkrementalen Teilung, aufgeklebt oder aufgeklemmt ist,
der berührungslos,
insbesondere lichtelektrisch von dem Abtastkopf 52, 62, 72 abgetastet
wird. Eine an der Messpinole 2, 3, 4 angebrachte
Führungsleiste
bzw. Nut bildet eine Verdrehsicherung und verhindert eine Verdrehung
des Maßstabes 51, 61, 71 gegenüber dem
jeweiligen Abtastkopf 52, 62, 72. Die
Messpinole 2, 3, 4 in Form eines rohrförmigen hohlen
Körpers
hat den Vorteil, dass sie als Durchlass für benötigte Kabel und Schläuche verwendet
werden kann.
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Eine
direkte Zuordnung der Auslenkung der Messtaster 8, 9, 10 zur
entsprechenden Kippung der zu prüfenden
Werkzeugmaschine, also des Referenzkörpers 100 ist möglich, wenn
ihre gegenseitige Beeinflussung vermieden wird. Eine gegenseitige Beeinflussung
der Messungen wird vermieden, wenn die Messtaster 9, 10 gemäß 3 an der lotrechten Messpinole 4 angeordnet
sind. Dabei tastet der Messtaster 9 den Antastteller 23 auf
der Drehachse D3, der Messtaster 10 den Antastteller 23 auf
der Drehachse D2 ab und der Drehpunkt D des Antasttellers 23 liegt
in der die Drehachsen D2, D3 bildenden Antastebene.
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4 zeigt, wenn die Werkzeugmaschine stampft
und nicht rollt, dabei wird nur der Messtaster 9 ausgelenkt,
während
der Messtaster 10 keine Auslenkung erfährt.
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Erfolgt
ausschließlich
ein Rollen wird nur der Messtaster 10 ausgelenkt während der
Messtaster 9 nicht ausgelenkt wird, wie in 5 dargestellt.
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In 6 ist ein Schnitt durch
den Antastteller 21 dargestellt. Dabei ist ersichtlich,
dass die Drehachse D1 und der Ort der Antastung des Antasttellers 21 durch
den Taststift 82 in einer Ebene liegen. Bei einer Kippung
wird der Messtaster 8 kreisförmig um die Drehachse D1 bewegt.
Der Kippwinkel α lässt sich
aufgrund der geometrischen Anordnung und der Tasterauslenkung A1
einfach berechnen. Wie in 6 beispielhaft
anhand des Messtasters 8 erläutert wird, besteht jeder Messtaster 8, 9, 10 aus
einem an seiner Messpinole 2, 3, 4 ortsfest
und von der Achse X, Y, Z der Messpinole 2, 3, 4 beabstandet
angeordneten Hauptkörper 81, 91, 101 und
einem relativ dazu verschiebbaren Taststift 82, 92, 102.
Verkippungen um die Drehachsen D1, D2, D3 werden durch die Tasterauslenkungen,
also durch die Messung der Linearverschiebung des Taststiftes 82, 92, 102 gegenüber dem
jeweiligen Hauptkörper 81, 91, 101 ermittelt.
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Die
Anordnung der Messtaster 8, 9, 10 gemäß 2 vermeidet systematische
Messabweichungen durch die Durchbiegung der Messpinolen 2, 3, 4 bei
der Bestimmung der Kippungen. Die zwei Messtaster 9 und 10 sind
auf der biegefreien lotrechten Messpinole 4 befestigt.
Der dritte Messtaster 8 ist auf einer waagrechten auf Biegung
beanspruchten Messpinole 2 parallel zur Biegeneutralen
befestigt.
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Um
6 Abweichungen der tatsächlich
angefahrenen Position und Orientierung eines zu prüfenden Maschinenteils
festzustellen, muss der Messkopf 0 eine Relativbewegung
in 6 Freiheitsgraden gegenüber
dem Referenzkörper 100 detektieren.
Die Ankopplung der Antastteller 21, 22, 23 an
die Messpinolen 2, 3, 4 erfolgt über je ein
Kugelgelenk 212, 222, 232 mit drei rotatorischen
Freiheitsgraden. Die Antastteller 21, 22, 23 weisen
auf ihrer Antastfläche
jeweils ein Luftlager 211 (6)
auf, wobei jedes Luftlager 211 zwei translatorische Freiheitsgrade
entlang der Antastebenen 20, 30, 40 des
Referenzkörpers 100 aufweist
und der dritte translatorische Freiheitsgrad der jeweiligen Messpinole 2, 3, 4 entlang
ihrer Achse X, Y, Z zur Messwertaufnahme dient.
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Die
Luftlager 211 sind vorgespannte Luftlager mit höchstmöglicher
Führungsqualität bei geringen
Reibkräften
zwischen dem Antastteller 21, 22, 23 und
der jeweiligen Antastebene 20, 30, 40.
Die Vorspannung erfolgt besonders vorteilhaft mit Vakuum, es können aber
auch magnetisch vorgespannte Luftlager eingesetzt werden.
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Zur
Messung der Verkippung der Antastteller 21, 22, 23 können auch
Drehgeber bekannter Art verwendet werden, welche die Kippbewegungen
direkt als Winkel erfassen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Drehachsen
D1, D2, D3 in Form von kardanischen Gelenken ausgeführt sind.
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Es
ist selbstverständlich,
dass diejenige Messpinole, der kein Messgerät zur Messung einer Schwenkbewegung
zugeordnet ist auch nicht zwingend ein Antastelement in Form eines
Antasttellers aufweisen muss, hier ist eine punktförmige Antastberührung der
Messpinole an der korrespondierenden Antastebene des Referenzkörpers ausreichend.
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Die
Verwendung eines beschriebenen Antasttellers 21, 22, 23 mit
der dargestellten räumlichen Anordnung
der Messtaster 8, 9, 10 ist besonders
vorteilhaft, da eine reibungsarme Abtastung der Antastebenen 20, 30, 40 ermöglicht wird.
In nicht dargestellter Weise kann die Schwenk- bzw. Winkelbewegung eines
Antasttellers auch dadurch gemessen werden, indem der Hauptkörper des
Messtasters am Antastteller befestigt ist und der Taststift direkt
die Oberfläche
eine der Antastebenen abtastet.
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Werden
Messabweichungen aufgrund von Durchbiegungen der Messpinolen 2, 3, 4 in
Kauf genommen und ggf. im Zuge der Messwertverarbeitung korrigiert,
können
die Messgeräte
in Form von Messtastern 8, 9, 10 oder
Drehgebern auch anders angeordnet werden. So kann beispielsweise
jeder Messpinole 2, 3, 4 eines der drei
Messgeräte 8, 9, 10 zur Messung
der Schwenkbewegung um jeweils eine der Drehachsen D1, D2, D3 zugeordnet
sein.
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Die 7a, 7b, 7c verdeutlichen,
dass die neue Messanordnung volumetrische Messungen innerhalb eines
großen
Messvolumens bzw. Arbeitsraumes ermöglicht. Innerhalb des gesamten
Arbeitsraumes kann in jeder Position eine Messung durchgeführt werden. 7a zeigt die Grenzposition,
in der alle Messpinolen 2, 3, 4 eingefahren
sind. 7b zeigt eine
Position, in der die Messpinole 2 eingefahren und die Messpinolen 3, 4 ganz
ausgefahren sind. 7c zeigt
eine Grenzposition, in der alle Messpinolen 2, 3, 4 ganz
ausgefahren sind.