DE19807999A1 - Vorrichtung zur automatischen Bewegung eines Werkzeuges auf einem Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automa­ tischen Bewegung eines Werkzeuges auf einem Werk­ stück, insbesondere zum Messen oder Anreißen, mit einem mehrachsigen angetriebenen Werkzeughalter und einem axial federnd geführten Werkzeug, das an die Werkstückoberfläche angepreßt oder auf ihr verfah­ ren wird.

Die Bewegung eines Werkzeuges auf einer Werkstück­ oberfläche ist beispielsweise für das Vermessen ei­ nes dreidimensionalen Werkstückes von Bedeutung. Als Werkzeug kommt dabei insbesondere ein Meßtaster oder eine Meßsonde in Frage, mit der die Oberfläche des Werkstückes abgetastet wird, um auf diese Weise die Maße eines unbekannten Werkstückes aufzunehmen oder ein grundsätzlich bekanntes Werkstück auf seine Maßhaltigkeit zu überprüfen. Neben dem Ver­ messen eines Werkstückes ist aber auch das Anrei­ ßen, also die Übertragung vorgegebener Maße auf das Werkstück von großer praktischer Bedeutung. Dabei werden mit einem Anreißwerkzeug, beispielsweise ei­ ner Reißnadel oder einem Farbmarkierungsgerät, vor­ gegebene Koordinaten als Anrißlinien auf der Werk­ stückoberfläche eingeritzt und dadurch zur Bestim­ mung von Bearbeitungspunkten, -linien, und -flächen für die weitere Bearbeitung markiert.

Im Zuge der fortschreitenden Automatisierung geht man heut zutage vermehrt zu einer motorischen Bewe­ gung des jeweils verwendeten Werkzeuges über, wozu mehrachsig bewegliche motorisierte Werkzeughalter wie beispielsweise Koordinatenmeßmaschinen bzw. 3d-Koordinatenmeß- und -anreißgeräte oder manche Arten von Werkzeugmaschinen geeignet sind. Dabei ist es üblich, das jeweils verwendete Werkzeug axial be­ weglich zu haltern und mit einer elastischen Feder gegen die Werkstückoberfläche zu pressen, was ei­ nerseits den für ein präzises Abtasten und/oder Ritzen der Oberfläche erforderlichen Anpreßdruck erzeugt und es dem Werkzeug andererseits ermög­ licht, sich sehr schnell an Oberflächenänderungen anzupassen. Beim Messen wird der Federweg, also die Bewegung der Meßsonde relativ zu ihrer Halterung, erfaßt und bei der Auswertung zur Bestimmung von Meßkoordinaten auf numerischem Wege berücksichtigt.

Weiterhin besitzt die Ausrichtung des jeweils ver­ wendeten Werkzeuges zur Werkstücksoberfläche einen wesentlichen Einfluß auf die beim Vermessen oder Anreißen erzielbare Genauigkeit. So ist es für ein präzises Anreißen optimal, wenn das Reißwerkzeug auf der Werkstücksoberfläche senkrecht steht, seine Achse also parallel zur Flächennormalen der Werk­ stücksoberfläche im Berührpunkt mit dem Werkzeug liegt. Da der genaue Oberflächenverlauf des Werk­ zeuges der Steuerung des Werkzeughalters i.a. unbe­ kannt ist, ist es beim Stand der Technik üblich, für ein präzises Anreißen das verwendete Reißwerk­ zeug von Hand senkrecht zur Oberfläche auszurichten und nachzuführen. Beim Vermessen von Werkstückober­ flächen verhält es sich grundsätzlich ähnlich. Üb­ liche Meßsonden besitzen Tastspitzen in Kugelge­ stalt, wobei der der Kugelhalterung gegenüberlie­ gende Fußpunkt der Kugel als Berührungspunkt ange­ sehen und daher als Bezugspunkt für die Auswertung der Messungen zugrunde gelegt wird. Liegt die Ober­ flächennormale der Werkstückoberfläche nun einmal nicht in Richtung der Werkzeugachse, so verschiebt sich der Berührungspunkt der Kugel mit der Werk­ stückoberfläche aus dem Fußpunkt der Kugel heraus, woraus Ungenauigkeiten bei der Messung resultieren. Daher muß auch beim präzisen Vermessen von Oberflä­ chen Vorsorge getroffen werden, daß die Achse der Meßsonde senkrecht zu der zu vermessenden Fläche orientiert ist, was im Stand der Technik durch ein manuelles Drehen und Verschwenken des Meßkopfes er­ folgt.

Aus obigen Ausführungen ergibt sich, daß zur Erzie­ lung einer hohen Genauigkeit beim motorisierten Messen und Anreißen Eingriffe eines Bedieners er­ forderlich sind, der das jeweils verwendete Werk­ zeug zur Oberfläche hin ausrichtet. Ein voll auto­ matisiertes Messen und Anreißen von Werkstücken ist dagegen allenfalls bei niedrigen Genauigkeitsanfor­ derungen oder bei Werkstücken von einfacher bzw. der Steuerungssoftware gut bekannter Geometrie mög­ lich.

Hiervon ausgehend hat sich die vorliegende Erfin­ dung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur au­ tomatischen motorisierten Bewegung eines Werkzeuges auf einem Werkstück anzugeben, mit dem ein automa­ tisches und daher kostengünstiges Vermessen und An­ reißen dreidimensionaler Werkstücke mit hoher Ge­ nauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wegmeßsystem den Federweg erfaßt, der Ver­ lauf der Werkstücksoberfläche am Ort des Werkzeuges aus Federweg und Verfahrweg des Werkzeuges bestimmt werden, das Werkzeug durch einen Antrieb dreh- und/oder verschwenkbar ist und die Achse des Werk­ zeuges in Richtung der Normalen zur Werkstückober­ fläche im Aufsatzpunkt des Werkzeuges ausgerichtet wird.

Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß die Bahn des Werkzeuges, das insbesondere ein Meßtaster oder ein Anreißwerkzeug sein kann, auf dem Werkstück Information über Lage und Form der Werkstücksoberfläche enthält, aus denen sich in den meisten Fällen die Richtung der Normalen zur Werk­ stücksoberfläche am Ort des Werkzeuges mit hinrei­ chender Genauigkeit ermitteln läßt. Dazu soll die Bewegung des Werkzeuges auf der Werkstücksoberflä­ che präzise erfaßt werden, die sich aus der motori­ sierten Verfahrung des Werkzeuges und seiner Ver­ schiebung in seiner Halterung, in der es mittels einer elektrischen Feder, die beispielsweise aus Draht oder als pneumatische Gasdruckfeder gebildet sein kann, federnd geführt ist, zusammensetzt, wo­ bei dieser Federweg mit einem geeigneten Wegmeßsy­ stem bestimmt werden soll. Aus diesen Daten läßt sich der Verlauf der Werkstücksoberfläche entlang des Verfahrweges des Werkzeuges ermitteln und dar­ aus der weitere Verlauf der Oberfläche, beispiels­ weise mittels eines Extrapolationsverfahrens, ap­ proximativ bestimmen. Das Werkzeug kann dann ohne weiteres durch geeignete Dreh- und Schwenkbewegun­ gen mit seiner Achse in Richtung der Normalen zu dieser angenäherten Werkstücksoberfläche ausgerich­ tet werden. Dabei bezeichnet der Begriff Drehbewe­ gung Drehungen des Werkzeuges um eine Längsachse des Werkzeuges, während unter Schwenkbewegung Dre­ hungen um von dieser Achse abweichende, insbeson­ dere auf ihr senkrecht stehende Drehachse verstan­ den werden.

Insbesondere, wenn die Werkzeugachse zu Beginn ei­ nes Arbeitsganges parallel zur Oberflächennormalen ausgerichtet ist, läßt sich mit der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung über den gesamten Verfahrweg des Werkzeuges eine senkrechte Ausrichtung der Werk­ zeugachse zur Werkstückoberfläche erzielen. Insge­ samt läßt sich also mit dieser Vorrichtung die Be­ wegung eines Werkzeuges auf einer Werkstücksober­ fläche unter Beibehaltung einer optimalen Werk­ zeugausrichtung, beispielsweise zum Vermessen oder Anreißen, weitgehend automatisieren. Beim Vermessen eines Werkstückes gewährleistet die Ausrichtung des Meßtasters mit kugelförmiger Meßsonde in Richtung der Oberflächennormalen des Werkstückes am jewei­ lige Meßort überdies, das die Meßsonde nur mit dem der Halterung gegenüberliegenden Kugelfußpunkt auf dem Werkstück aufliegt, so daß die bei schräg anlie­ gender Meßsonde auftretenden Meßfehler vermieden werden. Im Ergebnis erhält ,man eine wesentliche Er­ höhung der Meßgenauigkeit.

Ändert sich beim Verfahren des Werkzeuges über die Werkstücksoberfläche der Abstand zwischen Oberflä­ che und Halterung des Werkzeuges, so verschiebt sich dieses innerhalb seiner Führung, in der es fe­ dernd gelagert ist. Die damit je nach Richtung der Verschiebung einhergehende zusätzliche Spannung oder Entspannung der Feder führt zu einer Variation des durch die Feder vermittelten Anpreßdruckes des Werkzeuges auf der Werkstücksoberfläche. Um diesen für ein gleichmäßiges Verfahren des Werkzeuges nachteiligen Effekt gering zu halten, empfiehlt die Erfindung bei Veränderung des Federweges des Werk­ zeuges, Werkzeughalter und Werkzeug in axialer Richtung, stets so motorisch nachzufahren, daß die Position des Werkzeuges in seiner gefederten Füh­ rung und damit auch der Anpreßdruck des Werkzeuges auf der Werkstücksoberfläche zumindest näherungs­ weise konstant ist.

Dabei wird in bevorzugter Ausbildung der Erfindung die federnde Führung so ausgelegt, daß sich das Werkzeug beim gewünschten Anpreßdruck etwa in der Mitte des möglichen Federweges befindet. Der Vor­ teil dieser speziellen Konfiguration besteht darin, daß bei plötzlichen Änderungen des Abstands zwi­ schen Werkzeughalter und Werkstücksoberfläche dem Werkzeug nach beiden Richtungen gleichviel Federweg als Puffer zur Verfügung steht, den es nutzen kann, bevor die Ausregelung des Anpreßdruckes durch den motorisch angetriebenen Werkzeughalter erfolgt. Durch diese Anordnung wird-die Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung für Oberflächenvariationen bei ge­ gebenem Federweg optimiert.

Zur Auswertung der Bewegungsdaten des Werkzeuges und zur Steuerung seiner Ausrichtung senkrecht zur Oberfläche wird bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tungen vorzugsweise ein elektronischer Rechner ver­ wendet, wofür beispielsweise eine integrierte Mi­ kroprozessorsteuerung oder auch ein PC in Frage kommen.

Der optimale Anpreßdruck des Werkzeuges auf der Werkstückoberfläche ist von der Art des jeweils verwendeten Werkzeuges und den Eigenschaften der Werkstücksoberfläche abhängig. Daher wird die Vor­ richtung zur automatisch motorisierten Bewegung ei­ nes Werkzeuges auf einem Werkstück in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, daß der Anpreßdruck des Werkzeuges einstellbar ist. Als einfaches Mittel hierzu kommt beispielsweise eine Einrichtung zum Vorspannen der Feder der Werkzeug­ halterung in Frage.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird. Sie zeigt eine schematische Seitenan­ sicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges.

In der Abbildung ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 zu sehen, das zur automatischen motorisch ange­ triebenen Bewegung auf einer Werkstückoberfläche geeignet ist. Dazu ist das Werkstück 1 im Bei­ spiel eine Anreißnadel, an einer Halterung befe­ stigt, an der es in seiner Längsrichtung federnd geführt ist und die vermittels eines Verbindungs­ stückes 2 in der entsprechenden Werkzeugaufnahme eines mehrachsigen angetriebenen Werkzeughalters, beispielsweise einer Koordinatenmeßmaschine, mon­ tiert werden kann. Die federnde Führung erfolgt über eine elastische Feder 3, bei der der Anpreß­ druck, mit dem sie das Werkzeug 1 gegen die Werk­ stückoberfläche preßt, mittels einer Spannvorrich­ tung 4 eingestellt werden kann. Mit wechselndem Abstand zwischen Werkzeug 1 und Halterung ändert sich der Federweg 5, der vom Wegmeßsystem 6 er­ faßt wird, das sein Meßsignal über den elektrischen Anschluß 7 an einen elektronischen Rechner wei­ tergibt. Dieser wertet die anfallenden Daten aus und regelt danach die Lage der Halterung so aus, daß der Anpreßdruck des Werkzeuges 1 auf die Werkstückoberfläche näherungsweise konstant ist und sich das Werkzeug 1 etwa in der Mitte des insge­ samt zur Verfügung stehenden Federwegs 5 aufhält. Zusätzlich verwendet der Rechner die Fahrdaten des Werkzeughalters und die Signale des Wegmeßsystemes 6 dazu, den Oberflächenverlauf in der Umgebung der Spitze des Werkzeuges 1 approximativ zu be­ stimmen und das Werkzeug 1 durch geeignete Dreh- und Schwenkbewegungen der Halterung mit seiner Achse in Richtung der durch den Berührungspunkt zwischen Werkzeug und Werkstück verlaufenden Ober­ flächennormalen und damit senkrecht zur Werkstücko­ berfläche auszurichten.

Im Ergebnis erhält man eine Vorrichtung zum automa­ tischen Verfahren eines Werkzeugs auf einem Werk­ stück, insbesondere zum automatischen Anreißen oder Vermessen der Werkstücksoberfläche, bei der die Lage des Werkzeugs stets so ausgeregelt wird, daß der Anpreßdruck näherungsweise konstant ist und die Werkzeugachse auf der Oberfläche senkrecht steht, wie es für ein hochpräzises Arbeiten erforderlich ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur automatischen Bewegung eines Werkzeuges auf einem Werkstück, insbesondere zum Messen oder Anreißen, mit einem mehrachsigen ange­ triebenen Werkzeughalter und einem axial federnd geführten Werkzeug, das an die Werkstückoberfläche angepreßt oder auf ihr verfahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Wegmeßsystem (6) den Federweg (5) erfaßt,
• - der Verlauf der Werkstücksoberfläche am Ort des Werkzeuges (1) aus Federweg (5) und Verfahrweg des Werkzeuges (1) bestimmt werden,
• - das Werkzeug (1) durch einen Antrieb dreh- und/oder verschwenkbar ist und
• - die Achse des Werkzeuges (1) in Richtung der Nor­ malen zur Werkstückoberfläche im Aufsatzpunkt des Werkzeuges (1) ausgerichtet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkzeug (1) ein Meßtaster ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkzeug (1) ein Anreißwerk­ zeug ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Ver­ laufs der Werkstückoberfläche mittels eines Extra­ polationsverfahrens erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) in axialer Richtung der Werkstückoberfläche so nachge­ fahren wird, daß der durch die Feder (3) vermit­ telte Anpreßdruck des Werkzeuges (1) auf der Werk­ stückoberfläche näherungsweise konstant ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Anpreßdruck, bei dem sich das Werkzeug (1) etwa in der Mitte des Federweges (5) befindet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen elektronischen Rechner.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck ein­ stellbar ist.