DE19641720C2 - Tastkopf mit elektronischer Führung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tastvorrichtung, die zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche dient. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Tastvorrichtung, bei der in einem Tastvorgang sowohl die Koordinaten der Werkstückober­ fläche als auch deren räumliche Ausrichtung, das heißt deren Flächennormale, in dem betreffenden Meßpunkt be­ stimmbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche und insbesondere zur zusätzlichen Bestimmung der Flächennormale der Werk­ stückoberfläche in den betreffenden Meßpunkten.

Komfortable mechanische Meßgeräte und insbesondere Koordinatenmeßgeräte sind meist sehr langlebige Einrich­ tungen, die über einen Zeitraum hinweg benutzt werden, in dem sich die an eine Meßeinrichtung gestellten Anforde­ rungen wesentlich ändern können. Insbesondere ist damit zu rechnen, daß mit vorhandenen Meßmitteln und Koordina­ tenmeßgeräten Produkte oder Produktklassen auszumessen sind, deren grundlegende Eigenschaften zum Zeitpunkt der Anschaffung der Meßeinrichtung noch unbekannt sind.

Entsprechend können sich die Meßaufgaben ändern. Die Kon­ zeption von Meßeinrichtungen und Koordinatenmeßgeräten hat dem Rechnung zu tragen.

Darüber hinaus können sich die an Meßeinrichtungen und Koordinatenmeßgeräte zu stellenden Genauigkeitsanfor­ derungen oder Anforderungen hinsichtlich der zu messenden Größe ändern.

Bei der Vermessung von Oberflächen mit zunächst völlig unbekannten Konturen gilt es überdies, zu ver­ meiden, daß sich der Taststift bzw. das Tastelement in Vertiefungen, Bohrungen oder an Hinterschneidungen fest­ klemmt oder verhakt, wodurch die Messung gestört werden könnte.

Aus der DE 44 24 225 A1 ist ein Tastkopf für Koor­ dinatenmeßgeräte bekannt, der einen in drei verschiede­ nen, voneinander unabhängigen Richtungen beweglichen Taststift aufweist. Entsprechend sind drei zueinander orthogonale Führungen für den Taststift vorhanden. Jeder Führung ist ein elektromagnetischer Direktantrieb sowie ein Meßsystem zugeordnet. In Verbindung mit einer Regel­ schaltung dienen die Direktantriebe dazu, den Taststift zu dämpfen und in beliebig festlegbarer Richtung elek­ trisch zu fesseln (klemmen). Eine solche Fesselung kann bspw. erforderlich werden, um Meßpunkte gezielt anzuta­ sten, ohne daß das Tastelement in einer nicht gewünschten Richtung ausweicht.

Die elektromagnetische Fesselung des Tastelementes in vorgegebenen Richtungen kann insbesondere bei unbe­ kannten Werkstückoberflächen zu Problemen führen.

Aus der DE 42 12 455 A1 ist ein Koordinatenmeßgerät bekannt, daß Werkstückoberflächen mit prinzipiell bekann­ ter Kontur abtastet. Die Abtastung erfolgt punktweise, wobei ein Tastkörper entlang einer erwarteten und vor­ programmierten Werkstückkontur geführt wird. Aus den sich ergebenden Abweichungen zwischen der von dem Tastkörper tatsächlich erfaßten Werkstückkontur und der vorprogram­ mierten Kontur werden Korrekturwerte berechnet. Anhand dieser wird die erwartete Werkstückkontur an die tatsäch­ lichen Gegebenheiten angepaßt.

Der Tastkörper ist nicht in einem Fesselungsbereich im Wesentlichen frei beweglich, sondern aus einer Sollage heraus federnd auslenkbar, wobei die Sollage an der Werkstückkontur entlang geführt wird. Dazu muß die Werk­ stückkontur prinzipiell bekannt sein.

Aus der DE 43 45 091 A1 ist ein Meßtaster mit mechani­ scher Klemmung bekannt. Der Meßtaster weist einen Tast­ stift auf, der um drei Achsen schwenkbar gelagert ist. Zur Erzeugung einer Meßkraft dient ein einziges Kraft­ erzeugungssystem. Eine mechanische Klemmvorrichtung dient dazu, wahlweise ein oder zwei Schwenkachsen des Tast­ stifts zu sperren. Die dabei entstehenden Führungskräfte werden von der mechanischen Klemmvorrichtung aufgenommen und nicht erfaßt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen variabel einsetzbaren Tastkopf zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit der Tastvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder 2 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 gelöst.

Die Tastvorrichtung, die ein Tastkopf, ein Meßtaster oder eine anderweitige Vorrichtung zur Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche durch Antastung sein kann, ist durch Kraftgeneratoren mit Kräften beauf­ schlagbar deren Richtung und Betrag von der Ansteuer­ einrichtung vorgebbar ist. Das Tastelement ist in mehreren Raumrichtungen bewegbar, wobei jeder Raumrichtung ein Kraftgenerator zugeordnet ist. Das Tastelement ist dabei nur innerhalb eines Bereiches mit gekrümmter Kontur bewegbar, wobei es am Verlassen dieses Bereiches durch Gegensteuerung der Ansteuereinrichtung über die Kraftge­ neratoren gehindert ist. Damit ist das Tastelement auf den genannten Bereich gefesselt und die gekrümmte, vor­ zugsweise gleichmäßig gekrümmte Kontur, das heißt Begren­ zung des Bereiches, in dem sich das Tastelement zulässi­ gerweise bewegt, eröffnet ein weites Feld von Anwendungs­ möglichkeiten der Tastvorrichtung. Der Bereich kann bspw. ein Kugelvolumen, innerhalb dessen das Tastelement beweg­ bar ist, eine Kugelfläche, auf der das Tastelement beweg­ bar ist, oder eine Kreisbahn sein, auf der das Tastele­ ment geführt ist. Andere räumliche Bereiche mit gekrümm­ ter Kontur sind ebenfalls möglich.

Die Fesselung oder Führung des Tastelementes, das heißt die Beschränkung seiner Bewegungsfreiheit auf einen kugelförmigen Raum oder eine Kugelfläche, ermöglicht auf komfortable Weise die Abtastung unbekannter Werkstück­ oberflächen. Schon beim einfachen Antasten eines Meßpunk­ tes ist es über die Bestimmung der Koordinaten des Meß­ punktes hinaus möglich, die Flächennormale der Werkstück­ oberfläche in dem betreffenden Meßpunkt zu bestimmen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Tastvorrichtung so weit an die Werkstückoberfläche heranzufahren, daß der Bereich, auf den das Tastelement gefesselt ist, gewisser­ maßen in das Werkstück eintaucht, so daß das Tastelement den äußersten, gerade noch nicht in die Werkstückober­ fläche eingetauchten Punkt des Bereiches einnimmt. Dieser Punkt ist erreicht, wenn das Tastelement bei weiterer Zu­ stellung der Tastvorrichtung auf die Werkstückoberfläche zu droht, den Bereich zu verlassen. Die Normalenrichtung der Werkstückoberfläche im Meßpunkt stimmt mit der Rich­ tung überein, die durch die Strecke zwischen dem Antastpunkt und dem Zentrum oder Krümmungsmittelpunkt des Bereiches definiert ist.

Durch die Verfolgung der Normalenrichtung der abge­ tasteten Werkstückoberfläche ist es auf einfache Weise möglich, auch unerwartete Vorsprünge, Anstiege, Bohrun­ gen, Ausnehmungen und dergleichen zu erfassen und den Tastkopf entsprechend nachzuführen.

Die Fesselung des Tastelementes in einem Bereich mit gekrümmter Kontur kann außerdem dazu dienen, zu verhin­ dern, daß das Tastelement in Bohrungen oder Ausnehmungen des zu vermessenden Werkstückes einrastet und in diesem verhakt. Dies könnte ansonsten geschehen, wenn ein Tast­ element über eine ansonsten plane Oberfläche geführt wird, in der eine unerwartete Öffnung befindlich ist. Die Meßkraft würde das Tastelement hier in die Öffnung ein­ fahren lassen, so daß es bei seitlicher Weiterbewegung des Tastelementes zur Kollision kommt. Ist die Beweglich­ keit des Tastelementes auf einen bspw. kugel- oder schlauchförmigen Bereich begrenzt, der nicht allzugroß ist, taucht das Tastelement lediglich ein entsprechendes Stück weit in die Öffnung ein, ohne sich darin zu verha­ ken.

Das Tastelement ist durch das mit ihm verbundene Meßsystem, die Kraftgeneratoren und die Ansteuereinrich­ tung elektronisch auf Bewegungen in einem ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum (Bereich) festgelegt. Damit ist eine elektronische Kulisse oder Führungseinrichtung realisiert, in der das Tastelement geführt ist und deren wesentlicher Vorzug gegenüber mechanischen Führungskulis­ sen darin besteht, daß ihre Eigenschaften in einem weiten Bereich variabel und einstellbar gestaltet werden können. Wird bspw. ein kugelförmiger (Kugelfläche oder Kugelvolu­ men) Bereich zugrundegelegt, kann bedarfsweise mit ge­ ringstem Aufwand dessen Mittelpunkt, dessen Radius sowie die Nachgiebigkeit der Bereichsgrenzen, das heißt die Steifigkeit der den Bereich eingrenzenden, elektronisch definierten Wand, eingestellt oder geändert werden. Die erforderlichen Einstellungen können nahezu trägheitslos erfolgen, so daß der Meßvorgang nicht verlangsamt wird. Damit ist von vornherein ein weites Feld von Einsatz­ möglichkeiten eröffnet und ein sehr variabler Einsatz der Tastvorrichtung möglich.

Ein weiterer Vorteil der elektronischen Führung liegt in ihrer Reibungsfreiheit oder -armut für Bewegun­ gen des Tastelementes auf Bahnen innerhalb des Kulissen­ bereiches.

Schließlich kann die Verlagerung des Mittel- oder Schwerpunktes des die elektronische Kulisse oder Führung definierenden Bereiches in Abhängigkeit von der Kraft erfolgen, mit der das Tastelement gegen die Begrenzung des Bereiches gedrückt wird. Stimmen die Richtung der Kraft und die Richtung der Mittelpunktsverlagerung über­ ein, kann ein federndes Verhalten der gesamten Führung erreicht werden, wobei die Federkennlinie elektronisch einstellbar ist. Diese Federung kann sowohl dazu dienen, eine Überlastung der Tastvorrichtung an den Grenzen des Bereiches zulässiger Bewegungen des Tastelementes auszu­ schließen, als auch dazu, eine definierte Antastkraft beim Bestimmen von Koordinaten einer Werkstückoberfläche sowie von deren Normalenrichtung zu liefern.

Die Kraftgeneratoren sind von der Ansteuereinrich­ tung gesteuert, die Mittel zur vorzugsweise variierbaren Vorgabe des Bereiches (der Führung) aufweist. Ein solches Mittel kann ein Funktionsgenerator zur Erzeugung ein-, zwei- oder dreidimensionaler Funktionen oder ein Spei­ cherbereich sein, in dem den Bereich beschreibende Daten abgelegt sind.

Obwohl prinzipiell auch von der Kugel- oder Kreis(bogen)form abweichende Bereichskonturen möglich sind, sind diese wegen der einfachen geometrischen Ver­ hältnisse in der Regel vorteilhaft.

Insbesondere zur Bestimmung der Normalenrichtung der Werkstückoberfläche im Meßpunkt ist es vorteilhaft, wenn das Tastelement innerhalb der Kulisse oder Führung kräf­ tefrei bewegbar ist. Dies wird erreicht, indem die Kraft­ generatoren keine tangential zu der Führungsbahn gerich­ tete Kraft erzeugen. Zusätzlich kann jedoch, bspw. wenn die Abtastung einer Werkstückoberfläche mit der Tastvor­ richtung im Tastschnittverfahren erfolgen soll, eine Meßkraft auf das Tastelement aufgeschaltet werden. Diese ist dann tangential zu der Bereichsgrenze gerichtet, wobei der Bereich bspw. eine kreisbogenförmige Bahn ist.

Weitere Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Koordinatenmeßmaschine mit einem Meßtaster gemäß der Erfindung, in perspektivischer und vereinfachter Darstellung,

Fig. 2 einen Meßtaster mit einem in drei Raumrichtun­ gen beweglich gelagerten Tastkörper, in schema­ tisierter Prinzipdarstellung,

Fig. 3 den Meßtaster nach Fig. 2 in einer das Funk­ tionsprinzip veranschaulichenden, ausschnitts­ weisen Prinzipdarstellung,

Fig. 4 einen Meßtaster in perspektivischer Prinzipdar­ stellung mit weggelassenen Meßkraftgeneratoren und weggelassenem Meßsystem, mit einem Tast­ element, das innerhalb eines kugelförmigen Bewegungsbereiches gefesselt ist,

Fig. 5 einen Meßtaster mit alternativ ausgebildeter Lagereinrichtung des Tastelementes mit wegge­ lassenem Meßsystem, in einer schematisierten Prinzipdarstellung,

Fig. 6 eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung für die Kraftgeneratoren zur elektronischen Erzeugung einer Führungskulisse in einer stark schemati­ sierten Prinzipdarstellung,

Fig. 7 ein zu der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung gehöriger Abschnitt zur Bestimmung der Norma­ lenrichtung der Werkstückoberfläche in einem Meßpunkt, in einer schematisierten Darstellung,

Fig. 8 und 9 das Antasten einer unbekannten Werkstückober­ fläche mit einem Tastelement, das in einem ku­ gelförmigen Bereich geführt ist, in schemati­ scher Darstellung,

Fig. 10 die Abtastung einer Werkstückoberfläche im Tastschnittverfahren mit einer Tastvorrichtung, deren Tastelement elektronisch auf einer kreis­ bogenförmigen, um einen virtuellen Drehpunkt gekrümmten Bahn geführt ist, und

Fig. 11 die Abtastung einer Werkstückoberfläche im Tastschnittverfahren mit einer Tastvorrichtung nach Fig. 10, bei der der virtuelle Krümmungs­ mittelpunkt der kreisbogenförmigen Kulisse in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur des Werkstückes verlagert wird, in schematischer Darstellung.

Beschreibung

Die in Fig. 1 an einer Koordinatenmeßmaschine 1 als Tastkopf 2 eingesetzte Tastvorrichtung weist einen Tast­ stift 3 auf, der es gestattet, an einem bei 4 angedeute­ ten, auf einem Tisch 5 gespannten Werkstück Formmessungen durchzuführen oder eine Punktantastung vorzunehmen. Die dazu erforderliche Bewegung des Tastkopfes 2 erfolgt über die Koordinatenmeßmaschine 1, die drei Schlitten auf­ weist, von denen ein erster Schlitten 6 in X-Richtung, ein zweiter Schlitten 7 in Y-Richtung und ein dritter Schlitten 8 in Z-Richtung verfahrbar ist. Der Tastkopf 2 sitzt an einem Ausleger 9 des ersten Schlittens 6, an dem er um eine bei 10 angedeutete, schräge Achse schwenkbar gelagert ist.

Der Taststift 3 ist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, in drei voneinander unabhängigen Richtungen X, Y und Z im wesentlichen linear bewegbar. Zur entsprechenden Lagerung dienen für jede Koordinatenrichtung X, Y und Z beispiel­ haft und schematisch in Fig. 3 angedeutete Feder­ parallelogramme 12, zu denen jeweils zwei Blattfedern 13, 14 gehören. Diese sind an ihrem jeweiligen einen Ende bezüglich der jeweiligen Koordinatenrichtung Z (X, Y) fest gehalten und tragen an ihrem anderen Ende eine Tastschaukel 16, die entweder weitere Führungseinrichtun­ gen oder den Taststift 3 trägt.

Zur gezielten Bewegung der Tastschaukel 16 und zur Beaufschlagung des Taststiftes 3 mit einer Führungskraft sowie mit einer Meßkraft dient ein Kraftgenerator 17, der im wesentlichen als Linearmotor ausgebildet ist. Dieser kann auf elektromagnetischem oder elektrodynamischem Prinzip beruhen. Entsprechende Kraftgeneratoren 18, 19 (Fig. 5) sind den anderen Koordinatenrichtungen zugeord­ net.

Zur Erfassung der Auslenkung des Taststiftes 3 dient ein Meßsystem, das für jede Koordinatenrichtung X, Y, Z einen Positionssensor 22 aufweist. Der Positionssensor 22 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein inkrementa­ ler Weggeber mit Glasmaßstab, wobei jedoch auch andere Wegsensoren, wie induktive Geber (Differentialtransforma­ toranordnungen), verwendbar sind.

Aus Fig. 4 ergibt sich die Kinematik der von den Federparallelogrammen 12 (12X, 12Y, 12Z) gebildeten Lagereinrichtung, die alternativ durch die in Fig. 5 veranschaulichte Lagereinrichtung 24 des Taststiftes 3 ersetzt sein kann. Diese weist anstelle der in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar gelagerten Tastschaukel 16 (16x, 16y, 16z) einen Träger 25 auf, der über ein erstes Blatt­ federscharnier 26 an einem Zwischenträger 27 um eine V-Achse schwenkbar gelagert ist. Der Zwischenträger ist über ein weiteres Blattfederscharnier 28 an einem weite­ ren Zwischenträger 28 um eine U-Achse schwenkbar gela­ gert, die vorzugsweise im rechten Winkel zu der V-Achse ausgerichtet ist. Der Zwischenträger 29 ist über ein drittes Blattfederscharnier 30 um eine W-Achse schwenkbar an einem Basisträger 31 gelagert. Die W-Achse schließt mit der U- und der V-Achse jeweils einen spitzen Winkel ein, während die U- und die V-Achse rechtwinklig zuein­ ander stehen. Der Taststift 3 trägt an seinem von der Lagereinrichtung 24 abliegenden Ende ein Tastelement 3a (Tastkugel), das durch die von der Lagereinrichtung 24 gebildete Schwenklagerung in drei Raumrichtungen X, Y, Z auslenkbar ist. Zur gezielten Beaufschlagung des Tast­ elementes 3a mit Führungskräften, Antast- und Meßkräften dienen die elektrodynamischen Kraftgeneratoren 17, 18, 19, deren jeweiliger Abtrieb mit dem Träger 25 verbunden ist und die sich über nicht weiter dargestellte Mittel an dem Basisträger 31 abstützen.

Unabhängig von der Ausbildung der Lagereinrichtung bilden die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 eine Führung für das Tastelement 3a, so daß dieses lediglich innerhalb eines vorgegebenen Bereiches 33 mit vorzugsweise gleich­ mäßig gekrümmter Kontur oder Begrenzung bewegbar ist. Der Bereich 33 kann, wie in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht, kugelförmig, das heißt als Kugelfläche (zweidimensional) oder als Kugelvolumen (dreidimensional) festgelegt sein. Außerdem ist eine Kreisbahn (eindimensional) möglich.

Zur Ansteuerung der Kraftgeneratoren 17, 18, 19 in einer solchen Weise, daß das Tastelement 3a wie in einer mechanischen Kulissenführung innerhalb eines festgelegten Bereiches geführt, das heißt hinsichtlich bestimmter Bewegungsrichtungen gefesselt ist, dient eine in Fig. 6 im Prinzipschaltbild dargestellte Ansteuereinrichtung 34. Diese ist an das Meßsystem 21 angeschlossen und erhält von diesem die erfaßten Koordinaten des Mittelpunktes des Tastelementes 3a. Diese ergeben sich aus der von der Ko­ ordinatenmeßmaschine 1 gelieferten Position des Tastkop­ fes 2 zuzüglich der Auslenkung des Tastelementes 3a aus seiner Ruhelage. Ausgangsseitig ist die Ansteuereinrich­ tung 34 an die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 angeschlossen, die den Taster 3 mit Kraft beaufschlagen.

Die Ansteuereinrichtung 34, die sowohl als analoge oder digitale Schaltung als auch auf der Basis eines entsprechend programmierten Mikrorechners realisiert sein kann, enthält einen Funktionsblock 35, der die Form des Bereiches 33 vorgibt und somit die elektronisch zu reali­ sierende Kulisse definiert. Im Fall eines kugelförmigen Bereiches 33 genügen dazu die Koordinaten X_M, Y_M und Z_M des Mittelpunktes M sowie der Radius R.

Ein weiterer Funktionsblock 36 (oder eine entspre­ chende Baugruppe bei analoger oder digitaler schaltungs­ technischer Lösung) ist sowohl an den Funktionsblock 35 zur Vorgabe der Soll-Kontur als auch an einen Funktions­ block 37 angeschlossen, der anhand der Signale des Meßsy­ stemes 21 die Ist-Koordinaten des Tastelementes 3a lie­ fert. Der Funktionsblock 36 dient in Verbindung mit nachgeschalteten Funktionsblöcken 38, 39 der Bestimmung einer Fehlergröße, aus der hervorgeht, ob, wie weit und in welcher Richtung das Tastelement 3a von dem vorgegebe­ nen Bereich 33, das heißt von der elektronisch definier­ ten Kulisse, abweicht. Dazu wird zunächst in Funktions­ block 36 der Fußpunkt des von dem Istpunkt auf die Kontur des Bereiches 33 gefällten Lotes bestimmt. In Funktions­ block 38 wird ein Richtungsvektor von dem Istpunkt zu dem Fußpunkt des Lotes bestimmt. Der nachgeschaltete Funktionsblock 39 bestimmt den Betrag dieses Vektors. An den betragsbildenden Funktionsblock 39 schließt sich ein Regler 41 (PD-Regler) an, der die von dem Funktionsblock 39 erhaltene Eingangsgröße, das heißt den Betrag des Abstandsvektors, auf Null regelt. Der Regler 41 ist als Teilzustandsregler mit Beobachtern zweiter Ordnung ausge­ bildet. An seinem Ausgang liegt ein den Betrag der Regel­ größe kennzeichnendes Signal an, das in einem Funktions­ block 42 mit Richtungsinformation verknüpft wird, die dieser Funktionsblock 42 von dem Funktionsblock 38 er­ hält. Dazu wird die Regelgröße jeweils mit den Komponen­ ten des Richtungsvektors multipliziert. Nach gegebenen­ falls erforderlicher Normierung in Funktionsblock 43 dienen die so erhaltenen Signale S_x, S_y, S_z als Ansteuer­ signale für die Kraftgeneratoren 17, 18, 19. Das Tast­ element 3a wird somit auf einer Kugelfläche geführt. Ver­ suchten Abweichungen von der Kugelfläche (Bereich 33) steuert die Ansteuereinrichtung 34 sofort gegen.

Die Beschränkung der Beweglichkeit des Tastelementes 3a auf ein Kugelvolumen kann bspw. erreicht werden, indem zusätzlich erfaßt wird, ob der Istpunkt in dem Innenraum des Bereiches 33 liegt, das heißt ob der Abstand des Istpunktes von dem Mittelpunkt M größer oder kleiner als der Kugelradius ist. Der Regler wird nur in Fällen akti­ viert, bei denen der Abstand des Istpunktes von dem Mittelpunkt M größer als der Radius ist und ist ansonsten inaktiv.

An die Ansteuereinrichtung 34 ist eine Auswerteein­ richtung 45 angeschlossen, die sowohl die Koordinaten des jeweiligen Meßpunktes als auch die Flächennormale der Werkstückoberfläche in dem Meßpunkt bestimmt. Die in Fig. 7 separat veranschaulichte Auswerteeinrichtung 45 erhält über zwei voneinander unabhängige Eingänge 46, 47 sowohl Information über die tatsächliche Position des Meßpunktes P_IST als auch die Koordinaten des Mittelpunktes M des kugelförmigen Bereiches 33. Ein zusätzlicher Eingang 48 ist an den Ausgang des Reglers 41 angeschlossen und erhält somit Information über den Betrag der Kraft, die von den Kraftgeneratoren 17, 18, 19 aufzubringen ist, um das Tastelement 3a innerhalb des zulässigen Bereiches 33 zu halten. Dieses an dem Eingang 48 anliegende Signal wird einer Vergleichereinrichtung K zugeführt, die an ihrem Ausgang dann ein Freigabesignal F abgibt, wenn das an dem Eingang 48 anliegende Signal einen voreingestell­ ten Grenzwert überschreitet. Das Freigabesignal F akti­ viert einen Funktionsblock 51, der die Richtung des Antastpunktes P_IST, von dem Mittelpunkt M aus gesehen, berechnet.

Der Funktionsblock 51 kann sowohl hardwaremäßig als auch mittels eines entsprechenden Programmabschnittes auf einem Mikrorechner realisiert sein. Der Funktionsblock 51 bezieht den als Differenz zwischen dem Antastpunkt P_IST und M definierten Abstandsvektor zwischen dem Mittelpunkt des Bereichs 33 und dem Punkt, bei dem das Tastelement 3a sowohl die Grenze des Bereiches 33 als auch die Werk­ stückoberfläche berührt, auf den Betrag dieses Abstandes. Dieser kann sowohl gesondert bestimmt als auch fest vorgegeben sein, wenn der Radius des kugelförmigen Bereiches 33 unverändert ist. Der so bestimmte Vektor defi­ niert die Richtung des Flächennormalenvektors des angeta­ steten Flächenelementes.

Zur Erleichterung des Verständnisses ist bei der vorliegenden Beschreibung von dem Mittelpunkt des Tast­ elementes 3a als Definition für P_IST ausgegangen worden. Tatsächlich liegt der wirkliche Antastpunkt in einem kon­ stanten Abstand zu diesem Punkt, der wegen der Kugelform des Tastkörpers in allen Raumrichtungen betragsmäßig unverändert ist. Fällt der Antastpunkt P_IST mit dem Mit­ telpunkt des Tastelementes 3a nicht zusammen, ist dieser konstante Abstandswert zusätzlich zu berücksichtigen.

Die insoweit beschriebene Koordinatenmeßmaschine 1 und der Tastkopf 2 arbeiten wie folgt:
Die Schlitten 6, 7 und 8 der in Fig. 1 veranschau­ lichten Koordinatenmeßmaschine 1 werden, wenn das Werk­ stück 4 auf dem Tisch 5 aufgespannt ist, so angesteuert, daß das Tastelement 3a des Tastkopfes 2 zunächst in lose Anlage mit der Oberfläche des Werkstückes 4 gebracht wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Taststift 3 mit­ tels der vorstehend erläuterten elektronischen Führung in seiner Beweglichkeit auf den kugeloberflächenförmigen Bereich 33 festgelegt.

Mit dem Tastkopf 2 soll nun die Oberfläche des Werkstückes 4 punktweise erfaßt werden, wobei in jedem Oberflächenpunkt die Koordinaten X, Y, Z und der Norma­ lenvektor von Interesse sind. Wie aus Fig. 8 hervor­ geht, kommt das punktweise veranschaulichte Tastelement 3a erstmalig mit der Oberfläche des Werkstückes 4 in Berührung, wenn der von der elektronischen Kulissenfüh­ rung definierte kugelförmige Bereich 33 die Werkstück­ oberfläche berührt.

Der Tastkopf 2 wird nun auf das Werkstück 4 zu weiter derart verstellt, daß der Mittelpunkt M in Rich­ tung des durch einen Pfeil 52 veranschaulichten Weges weiter auf das Werkstück 4 zu verlagert wird. Die genaue Richtung des Weges (Pfeil 52) spielt dabei keine oder allenfalls eine untergeordnete Rolle. Das Tastelement 3a, das auf die Oberfläche des kugelförmigen Bereiches 33 gefesselt ist, führt nun in Richtung des Pfeiles 53 eine seitliche Ausweichbewegung aus, bei der es auf der Ober­ fläche des Werkstückes 4 gleitet. Die Ansteuereinrichtung 34 setzt dieser Bewegung keinerlei Widerstand entgegen. Sie sorgt lediglich dafür, daß das Tastelement 3a den vorgegebenen kugelförmigen Bereich 33 nicht verläßt. Infolgedessen bewegt sich das Tastelement 3a im wesentli­ chen kräftefrei in der elektronischen Führungskulisse, so daß keine oder nahezu keine Andruckkraft an die Ober­ fläche des Werkstückes 4 entsteht. Entsprechend leicht­ gängig gleitet das Tastelement 3a an der Oberfläche des Werkstückes 4. Wesentlich ist, daß die Krümmung des Bereiches 33 größer ist als die Krümmung der Werkstück­ oberfläche im Meßpunkt.

Mit weiterer Bewegung des Mittelpunktes M des kugel­ förmigen Bereiches 33 in Richtung des Pfeiles 54 wird der verbleibende Bereich der Kulisse oder des Bereiches 33, in dem sich das Tastelement 3a bewegen kann, immer klei­ ner, bis, wie aus Fig. 9 hervorgeht, der Berührungspunkt zwischen der kugelförmigen Kontur des Bereiches 33 und der Oberfläche des Werkstückes 4 der einzige verbleibende Punkt ist, den das Tastelement 3a einnehmen kann. Die von der Zustellbewegung des Tastkopfes 2 auf das Werkstück 4 zu verursachte Verlagerung des Mittelpunktes M des kugel­ förmigen Bereiches 33 von der Oberfläche des Werkstückes 4 weg in dessen Tiefe hinein verursacht nun ein entspre­ chend entgegengerichtetes Signal an dem Ausgang des Reglers 41. Bildlich gesprochen wird das Tastelement 3a gegen die Seitenwand ihrer elektronischen Führung ge­ drückt, wodurch das Ausgangssignal des Reglers 41 sehr schnell sehr stark ansteigt. Dies dient als Kennzeichen dafür, daß der Meßpunkt wie gewünscht angetastet ist, und der Tastkopf 2 wird gestoppt. Die Vergleichereinrichtung K der in Fig. 7 veranschaulichten Auswerteeinrichtung 45 gibt nun ein Freigabesignal an den Funktionsblock 51 ab. Dieser berechnet den Richtungsvektor P_IST - M und normiert diesen auf seinen Betrag, um die Flächennormale im Meßpunkt zu bestimmen.

Dieser Vorgang wird für jeden Meßpunkt entsprechend wiederholt. Das mathematische Verfahren ist dabei un­ abhängig davon, ob das Tastelement 3a auf einen kugelflä­ chenförmigen, zweidimensionalen oder einen kugelvolumen­ förmigen, dreidimensionalen Bereich 33 festgelegt ist. In jedem Fall stimmt der Winkel, unter dem das Tastelement 3a von dem Mittelpunkt M im Antastpunkt aus gesehen wird, mit der Richtung oder dem Winkel der Flächennormalen überein.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann an­ stelle der körperlichen Zustellung des Tastkopfes 2 auf das Werkstück 4 zu auch eine mechanische Vorpositionie­ rung vorgenommen werden, wonach die weitere Zustellung durch elektronische Verlagerung des Mittelpunktes M des Bereiches 33 auf das Werkstück 4 zu erfolgt. Außerdem ist es möglich, durch geeignete Einstellung der Regelver­ stärkung des Reglers 41 eine gewisse Nachgiebigkeit des Bereiches 33 zu erreichen. Dies gestattet es, die Andruckkraft (Tastkraft) des Tastelementes 3a an die Oberfläche des Werkstückes 4 im Meßpunkt fein, das heißt auf einen gewünschten Wert, einzustellen. Deren Richtung stimmt automatisch mit der Flächennormalen überein.

Bei einer abgewandelten, in Fig. 10 veranschaulich­ ten Ausführungsform wird der Tastkopf 2 als Tastvorrich­ tung zur Abtastung eines Werkstückes 4 im Tastschnittver­ fahren verwendet. Das Tastelement 3a ist bei dieser Aus­ führungsform auf einen linienhaften, kreisbogenförmigen Bereich 33a gefesselt, der räumlich aber eindimensional ist. Der Bereich 33a ist um den virtuellen Mittelpunkt M gekrümmt. Dieser kann außerhalb des Tastkopfes 2 und gegebenenfalls sogar in dem Werkstück 4 liegen. Der kreisbogenförmige Bereich 33a ist in sich nicht geschlos­ sen sondern, gesehen von dem Mittelpunkt M, auf einen Winkelbereich beschränkt. Zusätzlich zu der Fesselung des Tastelementes 3a auf diesen Bereich, die in Normalenrich­ tung zu der Kontur des Bereiches 33a erfolgt, übernehmen die Kraftgeneratoren 17, 18, 19 die Erzeugung einer Antastkraft in Tangentialrichtung zu dem Bereich 33a.

Mit der Fesselung des Taststiftes oder des Tast­ elementes 3a auf einen Kreisbogen 33a um den Mittelpunkt M kann auch eine gestufte Oberfläche eines Werkstückes 4 abgetastet werden, ohne daß der Taststift 3 bspw. hinter Vorsprüngen 55 hängenbleibt.

Die rein elektronische Festlegung des virtuellen Drehpunktes M ermöglicht dessen Verlagerung in Abhängig­ keit von dem erfaßten Oberflächenprofil, wie in Fig. 11 veranschaulicht ist. Vertiefungen 56 in der Oberfläche des Werkstückes 4, die bei festgelegter Lage der von dem Bereich 33a definierten Kulisse im Flankenbereich zu Schwierigkeiten beim Messen führen könnten, können auf diese Weise leicht ausgemessen werden. Wird bspw. eine Vertiefung erfaßt, kann der Mittelpunkt M verlagert werden, so daß der neue Mittelpunkt M_a nun unter der Oberfläche des Werkstückes 4 liegt. Das Tastelement 3a kann dadurch wiederum im wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche geführt werden. Gleiches gilt für eine gegenüberliegende Flanke der Vertiefung 56, bei der der Mittelpunkt M_b der von dem Bereich 33a definierten Kulisse wiederum verlagert ist.

Es ist außerdem möglich, die Größe, die Krümmung, die Nachgiebigkeit und die Form des Bereiches 33 in Abhängigkeit von erfaßten Meßwerten zu ändern. Dies ermöglicht eine automatische Anpassung der Messung an die zunächst unbekannte Oberflächenform eines Werkstückes 4.

Ein variabel einsetzbarer Tastkopf 2 weist eine elektronische Führung auf, die das Tastelement 3a in seiner Beweglichkeit auf Bereiche 33 mit räumlich ge­ krümmter Kontur beschränkt. Bei einer geometrisch ein­ fachen und übersichtlichen Lösung sind diese Bereiche wenigstens abschnittsweise kreis- oder kugelförmig. Die elektronische Führung enthält eine Regeleinrichtung, die über ein Meßsystem 21 die Position des Tastelementes 3a erfaßt und, falls erforderlich, über elektromotorische Kraftgeneratoren 17, 18, 19 gegensteuert. Innerhalb des so definierten Bereiches 33 ist das Tastelement 3a kräf­ tefrei bewegbar. Beim Antasten einer Werkstückoberfläche kann über die Lage innerhalb der Kulisse 33 zusätzlich zu den Raumkoordinaten X, Y, Z des Meßpunktes noch die Richtung der Flächennormalen der Werkstückoberfläche in dem betreffenden Meßpunkt bestimmt werden. Dies sichert vielfältige Verwendungsmöglichkeiten.

Claims (21)

1. Tastvorrichtung (2) zur wenigstens punktweisen Be­ stimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche,
mit einem ein Tastelement (3a) tragenden Tastarm (3), der über reibungsarme, spielfreie Lagermittel (13, 14, 26, 28, 30) an einem Basiskörper (31) beweglich gelagert ist,
mit elektrisch steuerbaren Kraftgeneratoren (17, 18, 19), die mit dem Tastarm gekoppelt sind und mittels derer das Tastelement mit einer Kraft definierbarer Größe und Richtung beaufschlagbar ist,
mit wenigstens einem Messsystem (21) zur Erfassung einer Auslenkung des Tastelements (3a) in Bezug auf den Basiskörper (31),
mit wenigstes einer Ansteuereinrichtung (34), an die das Messsystem (21) und die Kraftgeneratoren (17, 18, 19) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Tastelement (3a) mittels der Kraftgeneratoren (17, 18, 19) auf einen Flächen- oder Raumbereich (33) mit gekrümmter Kontur gefesselt ist.

2. Tastvorrichtung (2) zur wenigstens punktweisen Be­ stimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche,
mit einem ein Tastelement (3a) tragenden Tastarm (3), der über reibungsarme, spielfreie Lagermittel (13, 14, 26, 28, 30) an einem Basiskörper (31) beweglich gelagert ist,
mit elektrisch steuerbaren Kraftgeneratoren (17, 18, 19), die mit dem Tastarm gekoppelt sind und mittels derer das Tastelement mit einer Kraft definierbarer Größe und Richtung beaufschlagbar ist,
mit wenigstens einem Messsystem (21) zur Erfassung einer Auslenkung des Tastelements (3a) in Bezug auf den Basiskörper (31),
mit wenigstes einer Ansteuereinrichtung (34), an die das Messsystem (21) und die Kraftgeneratoren (17, 18, 19) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Tastelement (3a) mittels der Kraftgeneratoren (17, 18, 19) auf einem Bereich (33) mit gekrümmter Kontur gefesselt ist und
dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (35) zu vari­ ierbaren Vorgabe des Bereiches (33) aufweist.

3. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Kontur wenigstens ab­ schnittsweise eine konstante Krümmung und einen konstanten Radius zu einem Krümmungsmittelpunkt (M) aufweist.

4. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (3a) auf beliebigen Bahnen innerhalb des vorgegebenen Bereichs (33) ohne von den Kraftgeneratoren (17, 18, 19) verursachte Gegenkräfte bewegbar ist.

5. Tastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Fläche randlos ist.

6. Tastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der vorgegebene Bereich (33a) eine Kurve ist.

7. Tastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kurve geschlossen ist.

8. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (35) enthält, durch die der vorgegebene Bereich (33) in Reaktion auf die Größe der Messkraft veränderbar ist.

9. Tastvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Mittel (35) zur Veränderung des vorgege­ benen Bereichs (33) den Mittelpunkt der Kontur verlagert.

10. Tastvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Mittelpunkt in einer vorgegebenen Rich­ tung (N) verlagert wird.

11. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des vorgegebenen Be­ reiches (33) seine Größe verändert wird.

12. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) Mittel (41) enthält, durch die das Tastelement (3a) mit einstell­ barer Nachgiebigkeit in dem vorgegebenen Bereich (33) ge­ fesselt ist.

13. Tastvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Nachgiebigkeit in Reaktion auf die Größe der Messkraft veränderbar ist.

14. Tastvorrichtung nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel darauf ansprechen, dass die Messkraft einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

15. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) einen Lageregler (36, 38, 39, 41, 42, 43) enthält, der mit den drei an seine Ausgänge angeschlossenen Kraftgeneratoren (17, 18, 19) ausschließlich in Richtung der Flächennormalen der Kontur gerichtete Kräfte erzeugt.

16. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (34) eine Ein­ richtung zur Erzeugung einer Messkraft enthält, die eine tangential zu der Fläche (33) oder der Kurve (33a) gerich­ tete Tastkraft erzeugt.

17. Tastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine an das Messsystem (21) an­ geschlossene Auswerteinrichtung (45) aufweist, die die Richtung von einem Mittelpunkt (M) des Bereichs (33) zu dem Tastpunkt (P_IST) bestimmt.

18. Verfahren zur wenigstens punktweisen Bestimmung von Koordinaten einer Werkstückoberfläche und insbesondere zur zusätzlichen Bestimmung der Richtung der Flächennorma­ len der Werkstückoberfläche, bei dem das Tastelement einer Tastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Antastung der Werkstücko­ berfläche elektronisch innerhalb eines vorgegebenen Be­ reichs mit gekrümmter Kontur gehalten wird, wobei das Tast­ element innerhalb des gekrümmten Bereichs beweglich ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, dass das Tastelement in dem Bereich weitestgehend kräftefrei geführt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Bestimmung der Richtung der Flächennormalen des angetasteten Punktes der Werkstückoberfläche der Tast­ kopf an die Werkstückoberfläche herangefahren wird, bis das die Werkstückoberfläche berührende Tastelement auf seiner Bahn innerhalb des Bereichs einen Bahnendpunkt erreicht und bei diesem zur Ruhe kommt, und dass die Richtung von dem Mittelpunkt des Bereichs zu dem Bahnendpunkt bestimmt und als Normalenrichtung des angetasteten Punktes der Werkstü­ ckoberfläche ausgegeben wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, dass der Bereich hinsichtlich seiner Eigenschaften in Abhängigkeit von der erfassten Form der Werkstückoberfläche verändert wird.