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Die Erfindung betrifft einen Messvorrichtung zum Abtasten einer Oberfläche eines Bauteils im Kontaktmodus oder im berührungslosen Modus, sowie ein Koordinatenmesssystem mit einer solchen Messvorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In vielen technischen Bereichen ist die Oberflächenstruktur eines Bauteils oder Materials ein wichtiges Qualitätsmerkmal.
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Es gibt daher zum Beispiel Rauheitsmessvorrichtungen zum Erfassen der Rauheit bzw. Rauhtiefen von Oberflächen. Typischerweise wird eine mechanische Abtastung vorgenommen, bei der eine Tastspitze im Kontaktmodus über die Oberfläche geführt wird. Das Ergebnis ist ein über den Tastweg aufgezeichnetes Höhensignal, das auch als Oberflächenprofil bezeichnet wird.
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Es sind Koordinatenmesssysteme
10 bekannt, wie in
1 in schematisierter Form gezeigt. Ein solches Koordinatenmesssystem
10 umfasst beispielsweise, wenn es zur Rauheitsmessung genutzt wird, eine Gleitkufe
22 und eine Tastspitze
14 (siehe auch
2). Die Gleitkufe
22 wird während einer Messung über eine Oberfläche gezogen oder geschoben und folgt den makroskopischen Unebenheiten der Oberfläche, also der Welligkeit und makroskopischen Form. Die Tastspitze
14 hingegen erfasst mit ihrem kleinen Spitzenradius die Oberflächenrauheit und ertastet z.B. Riefen. Aus dem Patent
EP2199732B1 ist ein solcher Gleitkufentaster bekannt. Aus der publizierten Patentanmeldung
EP3228974A1 ist ein Rauheitsmesstaster bekannt, der eine seitliche (Gleit-)Kufe umfasst.
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Es gibt auch andere Formen von Sensoren, die zum Abtasten der Oberfläche eines Bauteils im Kontaktmodus oder im berührungslosen Modus eingesetzt werden.
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Die Koordinatenmesssysteme werden immer genauer und die Auflösung, die beim Abtasten der Oberfläche eines Bauteils im Kontaktmodus oder im berührungslosen Modus erzielt werden kann, wird immer größer. Die Verbesserung der Genauigkeit und der Auflösung hat jedoch zur Folge, dass die Koordinatenmesssysteme immer empfindlicher werden.
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Bei einigen Koordinatenmesssysteme kann es zu einer Schwingungsanregung kommen, die unter Umständen die eigentliche Messung überlagern und somit stören kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Messvorrichtung zum Abtasten einer Oberfläche eines Bauteils bereit zu stellen, die so ausgelegt ist, dass die Schwingungsanregungen nicht auftreten oder dass die Schwingungsanregungen die eigentliche Messung nicht stören.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Koordinatenmesssystem bereit zu stellen, das so ausgelegt ist, dass es im Zusammenwirken mit einer Messvorrichtung nicht zu einer störenden Schwingungsanregung kommt.
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Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, die zum Abtasten einer Oberfläche eines Bauteils im Kontaktmodus oder im kontaktlosen Modus ausgelegt ist, umfasst:
- - eine Sensorvorrichtung, die mit einem Koordinatenmesssystem verbindbar und von dem Koordinatenmesssystem bewegbar ist,
- - ein Mess-System mit einem Sensor, der mit der Sensorvorrichtung verbindbar ist,
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass in einem Bereich zwischen dem Sensor und der Sensorvorrichtung ein Dämpfungsblock vorgesehen ist, der als elastisch entkoppelte Lagerung des Sensors an der Sensorvorrichtung dient.
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Die erwähnte Schwingungsanregung wurde anhand von Versuchen genauer analysiert. Es konnte so ermittelt werden, dass die Schwingungsanregung primär von dem Koordinatenmesssystem ausgeht und von dort an die Messvorrichtung übertragen werden. Eine Ursache dieser Schwingungsanregung wird in den NC-gesteuerten Achsantrieben des Koordinatenmesssystems gesehen. Die Erfindung setzt daher einen Dämpfungsblock ein, der für elastisch entkoppelte Lagerung des Sensors an der Sensorvorrichtung sorgt.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen der Messvorrichtung kommt ein Dämpfungsblock zum Einsatz, der mindestens drei elastische Stützen umfasst, wobei der Sensor mittels der drei elastischen Stützen mit der Sensorvorrichtung verbunden ist.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen der Messvorrichtung kommt ein Dämpfungsblock zum Einsatz, der mindestens ein plattenförmiges Element umfasst.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Messvorrichtung als Rauheitsmessvorrichtung ausgelegt, wobei das Mess-System einen Taster als Sensor umfasst, der an einem distalen Ende eines Tastarms angeordnet ist und wobei der Dämpfungsblock im Bereich des proximalen Endes des Tastarms angeordnet ist. Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen eine Konfiguration zum Einsatz, die eine Gleitkufe und einen Taster (z.B eine Tastspitze) umfasst.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Messvorrichtung dadurch ausgezeichnet, dass sie einen Wechselteller umfasst, wobei das Mess-System über den Wechselteller lösbar mit der Sensorvorrichtung verbindbar ist.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Messvorrichtung dadurch ausgezeichnet, dass der Dämpfungsblock ein elastisches Material, vorzugsweise ein Elastomer, umfasst.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Messvorrichtung dadurch ausgezeichnet, dass die mindestens drei elastischen Stützen ein elastisches Material, vorzugsweise ein Elastomer, umfassen.
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Anhand von Versuchen konnte ermittelt werden, dass die Schwingungsanregung primär in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 1000Hz auftritt. In manchen Koordinatenmesssystem treten die Schwingungen in einem Frequenzbereich zwischen 100 und 500Hz auf. Daher kommt bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ein Dämpfungsblock zum Einsatz, der exakt dazu ausgelegt ist die Schwingungsanregung in den genannten Bereichen zu dämpfen.
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Anhand von Versuchen konnte ermittelt werden, dass die Schwingungen Amplituden im Bereich zwischen 1 und 0,1µm aufweisen. Daher kommt bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ein Dämpfungsblock zum Einsatz, der exakt dazu ausgelegt ist die Schwingungsanregung in dem genannten Amplitudenbereich zu dämpfen. D.h. der Dämpfungsblock muß so ausgelegt sein, dass er die Energie, die mit den Schwingungen verbunden ist, schlucken kann.
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Ein Koordinatenmesssystem der Erfindung umfasst bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ein Mess-System und mindestens eine NC-gesteuerte Achse zum Bewegen des Mess-Systems relativ zu der Oberfläche (F) eines Bauteils.
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Ein Koordinatenmesssystem der Erfindung umfasst bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen einen Dämpfungsblock mit einem elastischen Material, das so gewählt wurde, dass der Dämpfungsblock eine Schwingungsanregung, die von dem Koordinatenmesssystem an das Mess-System übertragen wird, dämpft.
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Die Erfindung lässt sich im Zusammenhang mit 1D-, 2D- und 3D-Messvorrichtungen verwenden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Schutzansprüchen zu entnehmen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer konventionellen Vorrichtung (hier in Form eines Koordinatenmesssystems), die z.B. mit einem Rauheitsmesstaster der Erfindung ausgestattet werden kann;
- 2 zeigt eine Seitenansicht eines konventionellen Rauheitsmesstasters, der z.B. in dem Koordinatenmesssystem der 1 eingesetzt werden kann;
- 3A zeigt eine Seitenansicht eines Rauheitsmesstasters der Erfindung, der z.B. in dem Koordinatenmesssystem der 1 eingesetzt werden kann;
- 3B zeigt eine Seitenansicht des Rauheitsmesstasters der 3A im Teilschnitt;
- 3C zeigt eine Perspektivansicht des Rauheitsmesstasters der 3A.
- 4 zeigt einen Teilschnitt eines beispielhaften Dämpfungsblocks der Erfindung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe verwendet, die auch in einschlägigen Publikationen und Patenten Verwendung finden. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung dieser Begriffe lediglich dem besseren Verständnis dienen soll. Der erfinderische Gedanke und der Schutzumfang der Patentansprüche soll durch die spezifische Wahl der Begriffe nicht in der Auslegung eingeschränkt werden. Die Erfindung lässt sich ohne weiteres auf andere Begriffssysteme und/oder Fachgebiete übertragen. In anderen Fachgebieten sind die Begriffe sinngemäß anzuwenden.
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Der Begriff Rauheit wird hier verwendet, um die Oberflächenqualität einer Oberfläche zu bezeichnen. Insbesondere geht es hier um das Messen der Rauheit der Oberfläche der Zahnflanken von Zahnrädern 11 und von ähnlichen Bauteilen. Die Rauheit wird typischerweise mit einem Taster 14 gemessen, der im Kontaktmodus über die Oberfläche gezogen oder geschoben wird.
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Die Erfindung kann auch auf das berührungslose Messen der Oberfläche der Zahnflanken von Zahnrädern 11 und von ähnlichen Bauteilen angewendet werden. Dieser Modus wird als kontaktloser Modus bezeichnet. Im kontaktlosen Modus kann z.B. einer der folgenden Sensoren zum Einsatz kommen: optischer Sensor, kapazitiver Sensor, induktiver Sensor, Magnetfeldsensor, Wirbelstromsensor.
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Es kommt ein Koordinatenmesssystem 10 zum Einsatz, das einen antreibbaren Mitnehmer 13 zum Aufnehmen/Halten des zu vermessenden Bauteils 11 umfassen kann, wie in 1 anhand eines stilisierten Zylinderrades 11 gezeigt.
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Das Koordinatenmesssystem 10 umfasst, wenn es zur Rauheitsmessung eingesetzt wird, mindestens ein (Rauheits-)Messsystem 15 zum eindimensionalen, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Vermessen des in dem Koordinatenmesssystem 10 eingespannten Bauteiles 11. Vorzugsweise ist eine Sensor- oder Tastvorrichtung 12 mit einem (Feder-) Parallelogrammaufbau vorgesehen, die von dem Koordinatenmesssystem 10 in der Höhe (parallel zur z-Achse) verschoben werden kann. Ausserdem kann das Rauheitsmesssystem 15 weitere Zustellbewegungen ausführen (vorzugsweise kommt hier eine Steuerung, vorzugsweise eine 4-Achsen NC-Bahnsteuerung, des Koordinatenmesssystems 10 zum Einsatz). Bei Bedarf kann durch den antreibbaren Mitnehmer 13 eine Drehbewegung ω1 um die A1-Achse des Koordinatenmesssystems 10 ausgeführt werden.
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Es ist bekannt solche Koordinatenmesssysteme
10 mit einem auswechselbaren (Rauheits-)Messsystem
15 auszustatten. Zu diesem Zweck kann das (Rauheits-)Messsystem
15 zum Beispiel einen Wechselteller
16 umfassen, der von der Sensorvorrichtung
12 abgenommen und durch einen anderen Wechselteller ersetzt werden kann. Auf diesem Weg kann man z.B. zwei verschiedene Taster
14 zum Einsatz bringen. Beispielhafte Details einer entsprechenden Vorrichtung mit abnehmbarem Messtaster sind der Patentschrift
EP1589317B1 der Firma Klingelnberg GmbH zu entnehmen.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den 3A - 3C gezeigt. Die (Rauheits-)Messvorrichtung 20, die in diesen Figuren gezeigt ist, ist speziell zum Abtasten einer Oberfläche eines Bauteils 11 (cf. 1) im Kontaktmodus ausgelegt. Die (Rauheits-)Messvorrichtung 20 der 3A - 3C umfasst eine Sensorvorrichtung 12, die mit einem Koordinatenmesssystem 10 verbindbar ist, wie in 1 beispielhaft gezeigt. Die (Rauheits-)Messvorrichtung 20 umfasst weiterhin ein (Rauheits-)Messsystem 15, das mit der Sensorvorrichtung 12 verbunden ist und das z.B. einen Taster 14 trägt. Vorzugsweise ist im unmittelbaren Umfeld des Tasters 14 eine Gleitkufe 22 vorgesehen, die während einer Messung über eine Oberfläche gezogen oder geschoben wird und die den makroskopischen Unebenheiten der Oberfläche folgt. Die Gleitkufe 22 ertastet somit langwellige Strukturen und die makroskopische Form der Oberfläche. Der Taster 14 (z.B. in Form einer Tastspitze) hingegen erfasst mit ihrem kleinen Spitzenradius die Oberflächenrauheit und ertastet z.B. Riefen der Oberfläche.
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Im Kontaktmodus berührt die Gleitkufe 22, falls vorhanden, und der Taster 14 die abzutastende Oberfläche des Bauteils 11. Die Gleitkufe 22, falls vorhanden, und der Taster 14 wird entweder über diese Oberfläche gezogen oder geschoben. Dier entsprechenden Relativbewegungen können von NC-gesteuerten Achsen des Koordinatenmesssystems 10 ausgeführt werden.
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Die Sensorvorrichtung
12 kann beispielweise einen (Feder-) Parallelogrammaufbau umfassen, der als Gelenkkette dient, wie im Patent
EP1589317 B1 (dort in
2 gezeigt) oder wie in der Patentanmeldung
EP2199732B1 (dort in
6 gezeigt) beschrieben.
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Das (Rauheits-)Messsystem 15 kann optional zusammen mit dem Taster 14 mittels eines Wechseltellers 16 mit der Sensorvorrichtung 12 verbunden sein.
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Um die erwähnte Schwingungsanregung zu unterdrücken, umfasst die (Rauheits-)Messvorrichtung 20 einen Dämpfungsblock 17, der in einem Bereich zwischen der Gleitkufe und/oder dem Taster 14 und der Sensorvorrichtung 12 angeordnet ist. Dieser Dämpfungsblock 17 sorgt für eine elastisch entkoppelte Lagerung des distalen Endes dE des Tastarms 23, damit keine störenden Schwingungsanregungen von der Sensorvorrichtung 12 an die Gleitkufe und/oder den Taster 14 übertragen werden.
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Der Dämpfungsblock 17 muß so elastisch ausgelegt sein, dass er dazu in der Lage ist die störenden Schwingungsanregungen zu unterdrücken.
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Vorzugsweise umfasst der Dämpfungsblock 17 bei allen Ausführungsformen mindestens drei elastische Stützen 18, die so angeordnet sind, dass der Taster 14 (oder ein anderer Sensor 14) nur über die drei elastischen Stützen 18 mit der Sensorvorrichtung 12 verbunden ist.
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Vorzugsweise umfasst der Dämpfungsblock 17 bei allen Ausführungsformen zusätzlich mindestens ein plattenförmiges Element 19.1 oder 19.2, das senkrecht zur Längsachse LA angeordnet ist und das die drei elastischen Stützen 18 trägt.
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Wie in den 3A - 3C gezeigt, umfasst der (Rauheits-) Messsystem 15 zusätzlich zu dem Taster 14 einen länglichen, schlanken Tastarm 23, wobei der Taster 14 an dem distalen Ende dE des Tastarms 23 angeordnet ist. Der Dämpfungsblock 17 hingegen ist im Bereich des proximalen Endes pE des Tastarms 23 angeordnet.
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Weitere Details zur genauen Funktionsweise des Koordinatenmesssystems
10 können dem Patent
EP2199732B1 entnommen werden.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen umfasst der Dämpfungsblock 17 zwei plattenförmige Elemente 19.1, 19.2, die parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse LA angeordnet sind. D.h., die plattenförmigen Elemente 19.1, 19.2 liegen in einer Ebene parallel zu x-z-Ebene.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen sind die mindestens drei elastischen Stützen 18 ein integraler Bestandteil der plattenförmigen Elemente 19.1, 19.2. Die drei elastischen Stützen 18 können zum Beispiel zusammen mit den Platten 19.1, 19.2 von einem elastischen Kunststoff umschlossen (einvulkanisiert) sein.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen sind die mindestens drei elastischen Stützen 18 als separate Bestandteile ausgeführt und mit den plattenförmigen Elementen 19.1, 19.2 verbunden. 4 zeigt Details einer solchen Ausführungsform im Teilschnitt, bei der die elastischen Stützen 18 separat ausgeführt und mit den plattenförmigen Elementen 19.1, 19.2 verbunden sind.
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Wie in 4 gezeigt, können die beiden plattenförmigen Elemente 19.1, 19.2 mit kleinen Ausnehmungen 21 (z.B. in Form kleiner Dellen) versehen sein, die einander im montierten Zustand gegenüber stehen. Es kann dann eine genau definierte Menge eines elastischen Materials in einem viskosen Zustand in die Ausnehmungen 21 der einen oder beider Platten 19.1, 19.2 eingebracht werden (z.B. mit einer Spritze, die eine genaue Dosierung der Menge zulässt). Dann werden die beiden plattenförmigen Elemente 19.1, 19.2 parallel angeordnet und so zusammengeführt, dass entweder das elastische Material der einen Platte in die gegenüberliegenden Ausnehmungen 21 der anderen Platte eindringt, oder so, dass sich das elastische Material beider Platten 19.1, 19.2 berührt und zu Stützen zusammenfügt.
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Die Form der Stützen 18 ist in den Figuren nur beispielhaft gezeigt. Die Stützen 18 können bei allen Ausführungsformen eine Kegelform, eine Zylinderform (cf. 4) oder eine taillierte Form (cf. 3A - 3C) haben. Die Stützen 18 können bei allen Ausführungsformen aber auch eine leicht kuglige oder konvexe Form haben, die sich zum Beispiel beim Zusammenfügen der beiden Platten 19.1, 19.2 ergibt.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen umfasst der Dämpfungsblock 17 ein elastisches Material. Vorzugsweise kommt ein Elastomer als elastisches Material zum Einsatz.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen umfasst der Dämpfungsblock 17 zwei plattenförmige Elemente 19.1, 19.2 aus Metall.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen umfassen die mindestens drei elastischen Stützen 18 ein elastisches Material. Vorzugsweise kommt ein Elastomer als elastisches Material zum Einsatz.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein 1-Komponenten oder 2-Komponenten Material als elastisches Material eingesetzt werden.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein viskoses elastisches Material eingesetzt werden, das durch Temperaturbehandlung und/oder UV-Bestrahlung aushärtet.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein elastisches Material eingesetzt werden, das (im gehärteten Zustand) eine Shore A Härte im Bereich zwischen 5 und 50 Einheiten aufweist. Vorzugsweise liegt die Shore A Härte bei allen Ausführungsformen im Bereich zwischen 7 und 15 Einheiten. Die Shore A Härte wächst mit dem Widerstand, den ein Material seiner elastischen Verformung entgegensetzt. Wenn ein Material gewählt wird, dessen Shore A Härte zu groß ist, dann leidet darunter die Dämpfungseigenschaft im Frequenzbereich zwischen 50 und 1000Hz. Die Schwingungsanregung, die es hier zu dämpfen gilt, liegt typischerweise in dem genannten Frequenzbereich.
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Bei allen Ausführungsformen kann aber auch ein elastisches Material eingesetzt werden, das dazu geeignet ist Schwingungen in dem Frequenzbereich zwischen 100 und 500Hz zu dämpfen.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein elastisches Material eingesetzt werden, das (im gehärteten Zustand) anisotrope Eigenschaften aufweist. In diesem Fall können z.B. Schwingungen, die sich parallel zu Längsachse LA ausbreiten gedämpft werden, falls das elastische Material in dieser Richtung eine hohe Elastizität aufweist. In Querrichtung hingegen kann das elastische Material relativ steif ausgebildet sein, um so Messungenauigkeiten zu vermeiden.
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Die anisotrope Eigenschaften können z.B. durch das Beimengen von Fasern oder Partikeln erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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| Messgerät / (Mess-)Vorrichtung / Koordinatenmesssystem |
10 |
| Werkstück / Bauteil / Zahnrad / Zylinderrad |
11 |
| Tastsystem / Tastvorrichtunq / Sensorvorrichtung |
12 |
| Mitnehmer / Drehteller |
13 |
| Taster / Tastspitze / Sensor |
14 |
| (Rauheits)Messsystem / Mess-System |
15 |
| Wechselteller |
16 |
| Dämpfungsblock |
17 |
| elastische Stützen |
18 |
| plattenförmiges Element / (Trag-)Platte(n) |
19.1, 19.2 |
| (Rauheits-)Messvorrichtung |
20 |
| Ausnehmunqen / Dellen |
21 |
| Gleitkufe |
22 |
| Tastarm |
23 |
| distales Ende |
dE |
| proximales Ende |
pE |
| Länqsachse |
LA |
| Koordinaten |
x, y, z |
| Drehbewegung |
ω1 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2199732 B1 [0004, 0034, 0041]
- EP 3228974 A1 [0004]
- EP 1589317 B1 [0031, 0034]
