DE2232858B2

DE2232858B2 - Abtastvorrichtung für das Abtasten einer dreidimensionalen Oberfläche

Info

Publication number: DE2232858B2
Application number: DE2232858A
Authority: DE
Inventors: Franco Moncalieri Turin Sartorio
Original assignee: DEA Digital Electronic Automation SpA
Current assignee: DEA Digital Electronic Automation SpA
Priority date: 1971-07-07
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1981-03-12
Also published as: GB1401034A; US3824893A; JPS5618341B1; DE2232858A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Abtastvorrichtung dieser Gattung ist aus der DE-PS 7 37 915 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der Taststift in einem ortsfesten Gehäuse so angeordnet, daß er in Achsrichtung verschiebbar ist. Außerdem ist der Taststift kardanisch beweglich in diesem Gehäuse aufgehängt, so daß er auch seitlich ausgelenkt werden kann. Die axiale Verschiebung wird mittels eines elektromagnetischen Meßsystems (Anker und Meßspule) erfaßt. Nachteilig hierbei ist, daß bei seitlichem Auslenken des Taststifts das elektromagnetisehe Meßsystem ebenfalls betätigt wird, was zu Fehlanzeigen führen kann. Außerdem ist das unvermeidliche Spiel, das durch die kardanische Aufhängung des Taststifts entsteht, unerwünscht, weil es die Meßgenauigkeit reduziert.

Je nach der Art des Gegenstands, der kopien werden soll, ergibt sich eine langsame oder eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit. Zum Beispiel erfordert die Bearbeitung von Gesenken für Pressenv z. B. für die Autoindustrie, sehr viel Zeit. In der Luftfahrtindustrie dagegen sind oft höhere Kopiergeschwindigkeiten möglich. Die Einführung numerisch gesteuerter Maschinen (sogenannter NC-Maschinen) hat die Forderung nach einer Erhöhung der Kopiergeschwindigkeit beim Modellkopieren immer dringlicher werden lassen.

Man geht dabei so vor, daß das erstellte Modell aut einer speziellen Meßmaschine abgetastet wird. Dabei wird gewöhnlich ein Datenträger, z. B. ein Lochstreifen, erstellt, und dieser Datenträger dient dann zur

Steuerung von einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine oder von mehreren numerisch gesteuerten Fräsmaschinen.

Man kann also auf diese Weise mehr als eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine von einer einzigen Ivießmaschine aus mti Daten versorgen.

Die Meßmaschinen müssen bei dieser Arbeitsweise rasch arbeiten; die bekannten Abtasivorrichtungen, z. B. nach der DE-PS 7 37 915, welche für den Betriea bei niedrigen Geschwindigkeiten vorgesehen sind, können bei Geschwindigkeiten nicht mehr mithalten, die größenordnungsmäßig zehnmal höher sind.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, welche für ein kontinuierliches Abtasten bei hohen Abtast- bzw. Kopiergeschwindigkeiten geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Abtastvorrichtung der einleitend genannten Ausbildung durch die im kennzeichnender, Teil des Anspruchs ί angegebenen Merkmale gelöst.

Eine solche Abtastvorrichtung erlaubt eine Messung in allen drei Achsrichtungen, wobei sich die relativ großen Hübe des Taststifts in diesen Achsrichtungen zu den entsprechenden Bewegungen der Meßmaschine addieren oder subtrahieren, auf welcher die Abtastvorrichtung eingebaut ist. Infolge der vernachlä* sigbaren Trägheit des Taststifts selbst können dessen Bewegungen rasch erfolgen, und wegen der relativ großen Hubamplituden in den drei Achsrichtungen kann die Meßmaschine auch bei hohen Abtastgeschwindigkeiten dem Modell gut folgen, ohne dieses oder die Abtastvorrichtung zu beschädigen. Bei der Auswertung werden die Positionsdaten der Meßmaschine und die Daten der Abtastvorrichtung zugleich berücksichtigt.

Eine solche Abtastvorrichtung kann sowohl auf einer Meßmascr.ine wie auf einer Kopierwerkzeugmaschine angeordnet werden und ermöglicht in beiden Fällen eine erhebliche Verringerung der Kopierdauer.

Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zum weiteren Stande der Technik wird noch darauf verwiesen, daß man aus der US-PS 23 05 824 einen Taststift für einen Kopierfräser kennt. Dieser Taststift ermöglicht keine Messung, sondern dient nur zur visuellen Anzeige der Kraft, mit der der Taststift gegen das abzutastende Werkstück anliegt. Es ist eine Anzeige für die seitliche Auslenkkraft vorgesehen, die auf den Taststift wirkt, und eine zweite Anzeige für die vertikale Kraft, die auf diesen Taststift wirkt. Zur Rückstellung bei seitlichen Auslenkvorgängen dienen vier einzeln einstellbare Rückstellfedern, die um das obere Ende des Taststifts herum angeordnet sind. Soll di° Anzeige verändert werden, so müssen alle vier Rückstellfedern neu justiert werden.

Aus der DE-PS 8 76 523 ist es ferner bekannt, an einem Taststift eine rotierende Unwucht, z. B. eine umlaufende Stahlkugel, vorzusehen, um kleine Vibrationen des Taststifts und dadurch eine bessere Abtastung zu bewirken. wi

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine raumbildliche Darstellung einer Meßmaschine, mit der ein Meßkopf, auf dem eine erfindungsge- ^h"> mäße Abtastvorrichtung angeordnet ist, längs dreier Kordirtationsachsen χ bzw. y bzw. ζ verschoben werden kann.

Fig.2 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Abtastvorrichtung nach F i g. 2,

"> F i g. 4,5 und 6 drei Schnitte durch eine erfindungsgemäße Abtastvorrichtung, gesehen längs der Linien IVlV bzw. V-V bzw. Vl-Vl der F i g. 3.

Fig.7 und 8 eine schematische Darstellung zweier üblicher Kopierverfahren,

> F i g. 9 ein Schaubild, welches die im Betrieb auf den Taststift wirkenden Kräfte zeigt,

F i g. 10 eine schematische Darstellung der Bewegung des Taststifts, wenn er auf eine plötzliche Neigung trifft. Die in Fig. 1 dargestellte Meßmaschine hat zwei

■> Sätze von Maschinenständern 1', die auf einer Basis aus Eisenbeton angeordnet sind und auf denen horizontale Träger 2' ruhen, welche mit Führungen 3' versehen sind, auf denen ein Hauptschlitten 4^; in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist, wodurch eine Bewegung

' längs der x-Achse ermöglicht wird. Ein mittlerer Schlitten 5' ist in Querrichtung auf Führungen 6' verschiebbar, welche auf dem Hauptschlitten 4'(y-Achse) angeordnet sind, und schließlich ist eine Säule T vorgesehen, welche sich in vertikaler Richtung

> (z-Achse) im mittleren Schlitten 5' verschieben läßt. Diese drei Bewegungen, welche durch drei Antriebe, d. h. einen pro Achse, bewirkt werden, erlauben es, einen Kopf 8' an jeden Punkt desjenigen Raumes zu bringen, welcher durch die drei Hübe der Meßmaschine definiert wird.

Auf dem Kopf 8' kann man verschiedene Teile bzw. Vorrichtungen anordnen, insbesondere eine dreidimensionale Abtastvorrichtung 9' zum kontinuierlichen Kopieren von Profilen. Für den Betrieb der Maschine ist

> ein Prozeßrechner vorgesehen, und dieser ist mit der Maschine über geeignete periphere Geräte verbunden. Andere periphere Geräte ermöglichen die Eingabe von Befehlen und Daten in den Rechner sowie die Ausgabe von Daten aus deisem Rechner. Schließlich sind periphere Geräte für den Operateur des Rechners vorgesehen, und diese bilden die Bedienungstafel des Rechners.

Diese ganze Anordnung dient dazu, ein Modell mit hoher Geschwindigkeit abzutasten und beispielsweise dadurch einen Datenträger für das zu erzeugende Werkstück zu erstellen, wobei dieser Datenträger dirskt dazu verwendbar ist, eine Fräs- oder sonstige Werkzeugmaschine mit kontinuierlicher numerischer Steuerung zu steuern. Auf jeden Fall und unabhängig von der Art der Maschine, auf der die Abtastvorrichtung eingebaut wird, z. B. einer Meßmaschine oder einer Kopierwerkzeugmaschine, muß die Abtastvorrichtung Eigenschaften aufweisen, welche es erlauben, mit ihr ein Modell gemäß den allgemein verwendeten Kopierverfahren schnell abzutasten bzw. zu kopieren.

In diesem Zusammenhang kann man zum Kopieren im wesentlichen zwei Verfahren unterscheiden:

a) Pendelkopieren (F i g. 7). Hierbei kann die zu kopierende Fläche schrittweise längs der x- und der y-Achse sowie in jeder beliebigen Richtung der xy-Ebene kopiert werden.

b) Umrißkopieren (Fig. 8). Hiermit ist es möglich, Umhüllende oder Profile von bis zu 360° von Modellen oder Mustern zu kopieren.

Beim Pendelkopieren bewegt sich der Taststift stets in Anlage an die zu kopierende Fläche - in einer

F.benc, die man auch als Abtasiebene bezeichnet, und /war mil zwei Bewegungen, welche in zueinander rechtwinklig verlaufenden Richtungen erfolgen, nämlich einer Folgebewegung längs der Richtung der Achse des Taststifts und einer Vorschubbewegung in jeder beliebigen Richtung einer Ebene, welche senkrecht zur Achse des Taststifts ist.

Wenn der Kopiervorgang in einer Abtastebene beendet ist. wird der Taststift um einen Vorschubschritt /ur benachbarten Abtastebenc verschoben, welche parallel zur vorhergehenden Ebene verläuft, und er wiederholt dort die Abtastbewegungen; dies geht so — vgl. Fig. 7 — Schritt um Schritt weiter, bis die Oberfläche des Modells vollständig kopien ist.

Beim Umrißkopieren bewegt sich — stets in Anlage an die zu kopierende Fläche — der Taststift in einer Kopierebene, welche direkt zur Achse des Taststifts liegt, und zwar längs einer inneren oder äußeren Höhenlinie des Modells oder Musters und mit einer Bewegung, welche die Summe von zwei Bewegungen längs zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen ist, die in der Kopierebene liegen. Dies wird im folgenden noch eingehender beschrieben werden.

Wenn der Kopiervorgang in einer Ebene beendet ist. wird der Taststift um einen Schritt in seiner Achsrichtung zur nächsten Kopierebenc verschoben, welche parallel zur vorhergehenden verläuft, um die vorhergehenden Bewegungen zu wiederholen, und dies geht Schritt um Schritt so weiter, bis die Oberfläche des Modells vollständig kopiert ist.

Der Taststift muß also in einer Linie folgen, welche in einer einzigen Ebene liegt, und dies gilt sowohl für das Pendelkopieren wie für das Umrißkopieren. Hierfür sollte der Taststift in der Lage sein, vertikale Bewegungen in beiden Richtungen, also nach oben und nach unten, auszuführen, und er sollte bezüglich seiner Vertikalstellung in jeder beliebigen Richtung schrägstellbar sein. Zum Erzielen hoher Kopiergeschwindigkeiten und zum Überwinden steiler Gradienten sollte das Gewicht des Taststifts so gering wie möglich sein, ebenso die Reibungskräfte, welche seiner Bewegung entgegenwirken. Weiterhin ist es von grundlegender Wichtigkeit, daß die möglichen Hübe in vertikaler und horizontaler Richtung möglichst groß sind.

Ein anderes wichtiges Merkmal ist die Länge des Gehäuses des Taststifts und sein relativ kleiner Durchmesser, um es zu ermöglichen, daß der Taststift auch Vertiefungen des Modells ausmessen kann, ohne an diesen anzustoßen, wobei aber eine große Steifigkeit in der Querrichtung gefordert wird.

Die F i g. 2 bis 6 zeigen eine praktische Ausführungsform einer Abtastvorrichtung, welche die oben angeführten Bedingungen erfüllt.

Die dort dargestellte Abtastvorrichtung weist einen austauschbaren Tastkopf 1 auf, welcher einem Fingerfräser nachgebildet ist. sowie einen als zylindrische Stange ausgebildeten Taststift 2, an dem der Tastkopf 1 mittels eines Stifts 3 o. dgl. befestigbar ist. Der Taststift 2 gleitet in von außen mit Druckluft versorgten, als Führungslager dienenden Druckluftlagern 4, und er ist an seiner oberen Seite über einen Federring 6 und eine in diesem angeordnete Masse 7 mit einem elektromagnetischen Vibrator 5 verbunden (F i g. 3).

Um zu verhindern, daß sich der Taststift 2 dreht, ist ein auf einem Kugellager angeordneter Stift 8 vorgesehen, wobei das Lager in einem entsprechenden Schlitz 9 gleitet. Der Taststift 2 ist über ein dünnes Stahlband 10 mit einer dieses Band aufnehmenden Rolle

12 verbunden; das Stahlband 10 wird oben von einer Führung Il aus reibungsarmem Kunststoff geführt.

Die Rolle 12 ist in ihrer Mitte auf eine Welle 13 aufgekeilt, mit deren einem linde ein als Codescheibe ausgebildeter Teil eines Meßwandlcrs 14 und mit deren anderem Ende das drehbare Teil einer elektromagnetischen Bremse 15 verbunden ist. Die Codescheibe 14 ist an ihrem Umfang mit gleichmäßig verteilten Radial· schlitzen, z. B. in einem Binärcode, versehen. Die Welle

13 dreht sich auf Kugellagern 16. welche in einem verschwenkbaren Gehäuse 17 der Abtastvorrichtung angeordnet sind. Eine zylindrische Spiralfeder 18 wirkt der Drehung der Welle 13 entgegen. Diese Spiralfeder 18 ist am einen Ende mittels einer Schraube 19 mit der Welle 13 verbunden und an der gegenüberliegenden Seite über eine Schraube 20 mit dem vcrschwcnkbarcn Gehäuse 17. Die Spiralfeder 18 hat die Aufgabe, einen Teil des Gewichts des Taststifts 2 und der mit ihm verbundenen Teile auszugleichen.

Eine stationäre Lichtquelle 21 und vier Fotodioden 22 (Fig. 2) bilden zusammen mit der Codescheibe den Meßwandler 14. welcher dazu dient, in an sich bekannter Weise die vertikale Lage der Stange des Taststifts 2 direkt in inkrementaler numerischer Form zu messen.

An der Welle 13 ist ferner mittels einer Schraube 23 eine Stange 24 befestigt, welche einige Anschläge bzw. Endschalter 25 für die Bewegung des Taststifts 2 betätigt. Das verschwenkbare Gehäuse 17 des Taststifts 2 ist in einem Kardangelenk 215 gelagert, welches mit Kugellagern 28 versehene Lager 27 aufweist und mit einem ortsfesten Teil 29 der Abtastvorrichtung verbunden ist. wobei dieses Teil 29 über einen großen Expansionsstift 30. der in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, mit einem Meßkopf 42 einer dreidimensionalen Meßmaschine verbindbar ist. /.. B. dem Kopf 8'in Fig. 1.

Das verschwenkbare Gehäuse 17 wird durch vier pneumatisch betätigte Kolben 31. welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind, in einer vertikalen Lage gehalten. Ein Druckregler 32 (F i g. 2 sowie F i g. 4 bis 6) ermöglicht es. die Kraft einzustellen, welche von den Kolben 31 auf das verschwenkbare Gehäuse 17 ausgeübt wird, und der Luftdruck kann an einem Manometer 33 abgelesen werden.

Das verschwenkbare Gehäuse 17 ist in seinem unteren Bereich als Hohlzylinder ausgebildet und ist mit einer Ringleitung 34 zum Zuführen von Druckluft zu den Druckluftlagern 4 versehen, welche innerhalb des Gehäuses 17 angeordnet sind. Dort ist auch ein Zuleitungskabel 35 für den Vibrator 5 angeordnet.

Zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Lager 27 des Kardangelenks 26 sind jeweils mit einem Arm 36 (F i g. 2) versehen, welcher das bewegliche Teil 37 eines ihm zugeordneten, als Differentialtransformator ausgebildeten Meßwandlers betätigt, dessen stationärer Anker 38 jeweils mit dem ortsfesten Teil der Abtastvorrichtung fest verbunden ist. Fltrhfedern 39 (Fig. 2) dienen dazu, die beweglichen Teile 37 der Meßwandler 37,38 ständig gegen die Arme 36 in Anlage zu halten.

Jede Schrägstellung des verschwenkbaren Gehäuses 17 bewirkt also Drehbewegungen der Lager 27 und infolgedessen eine Verschiebung der beweglichen Teile 37 der Meßwandler, so daß diese analoge Signale abgeben, welche proportional zur Querverschiebung des Tastkopfs 1 sind und anschließend durch geeignete übliche Wandler in numerische Signale umgewandelt werden.

Falls erforderlich, können auch (nicht dargestellte) Anschläge für die Querbewegungen vorgesehen werden.

Zur Zufuhr von Druckluft ist ein Schlauch 40 (F i g. 3) vorgesehen; ein kleines Quadrat 41 dient als Bezugspunkt beim Montieren der Abtastvorrichtung am Mcßkopf42.

Die folgenden Komponenten der beschriebenen Abtastvorrichtung verdienen besondere Beachtung, da sie da/u beitragen, dieser die Charakteristiken zu verleihen, welche für einen stabilen Betrieb mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit erforderlich sind:

I. Druckluftlagcr mit Luftversorgung von außen

F i g. 9 zeigt, daß das Verhältnis der Querkraft S zur Vertikalkrafi P — welche Kräfte beim Kontakt zwischen dem Taststift 2 und der Oberfläche des abzutastenden Modells auftreten — gleich dem trigonometrischen Tangens des Winkels (alpha + phi) ist. wobei alpha die Neigung der Oberfläche des Modells im Berührungspunkt und phi der Reibungswinkel /wischen dem Taststift und der Oberfläche des Modells ist. nämlich

—- tan (alpha + pin ι

Aus dieser Gleichung ergibt sich. daß. wenn phi gleichbleibt, der Winkel alpha bei zunehmenden Werten des Verhältnisses F/Pzunehmen wird.

Der Grenzwert von F ergibt sich aus der Steifigkeit des Taststifts 2 und dem Widerstand der Oberfläche des Modells. Die Kraft F wird also durch die Bedingungen des Profils bestimmt, und es ist deshalb nur möglich. P kleiner zu machen.

Nimmt man nun an. daß sich der Taststift 2 nach oben verschiebt, so ergibt sich P/u

P W + Q.

wobei W das restliche Gewicht des Taststifts 2 ist (ein Teil dieses Gewichts kann durch geeignete Mittel, z. B. die Spiralfeder 18. austariert werden) und wobei Q = f* ■ t die vertikale Komponente ist, welche durch die Reibungskräfte in den Lagern erzeugt wird. T ist gleich der Summe der Reaktionskräfte Ti und T2 infolge der Kraft F, und /* ist der Reibungskoeffizient der Lager.

Um P möglichst klein zu machen, muß man also nicht nur das Gewicht des gleitenden Teils reduzieren, sondern auch den Reibungskoeffizienten /"* in den Lagern.

Bei einem Verhältnis von F/P = 40, was sich in der Praxis als das erreichbare Maximum erwiesen hat, und bei einem mittleren Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche des Modells und dem Taststift entsprechend einem tan phi = 0,3. dem ein Winkel phi = 17° entspricht, hat alpha etwa die Größe von 70°.

Aus Fig. 10 erkennt man. daß der Fehler, der sich ergibt, wenn der Taststift bei seiner Abwärtsbewegung plötzlich auf eine Abschrägung trifft, durch folgende Gleichungen gegeben ist:

£\ = · tanalpha · sinalpha

2a

£, = ■ tan-alpha

2(7

Hierbei bedeuten

/:\ !-'ehlersenkrechl /urOberfliiehe des Modells
/:'. Fehler längs der Verlikaladisc dcsTaslslifts
ν kopiergeschwindigkcil
I/ Masse

a — \crlikiilc Beschleunigung des

^l/ Taststil'ts 2.

Wenn also ν und alpha gleichbleiben, nimmt der ■, Fehler mit zunehmenden Werten von »a« ab. d. h. mit abnehmenden Werten von Q.

Aus dem vorstehend Gesagten folgt, daß die Verwendung von Druckluftlagern dort sehr vorteilhaft ist. wo beträchtliche Neigungen überwunden werden .ή müssen. Bei diesen Lagern wird nicht nur der Term Q vernachlässigbar klein, sondern, da sie eine hohe radiale Steifigkeit aufweisen, verringern sie auch die Fehler infolge eines Nachgebens des Taststifts in der Querrichtung.

2. Elektromagnetischer Vibrator

Trotz der Verwendung von Druckluftlagern ist die maximale theoretische Neigung nicht größer als 70°.

Zum Vergrößern dieses Wertes ist es erforderlich, m den Reibungskoeffizienten tan phi zwischen der Oberfläche des Modells und derjenigen des Tastkopfes zu verringern.

Die Verwendung des elektromagnetischen Vibrators 5 in Kombination mit der Feder 6 und der Masse 7 γ. ermöglicht es, das System mit den erwähnten Bestandteilen sowie den Taststift 2 mit der gewünschten Frequenz in Schwingungen zu versetzen und dadurch den Reibungskoeffizienten zwischen dem Tastkopf 1 und der Oberfläche des Modells zu verringern, wodurch 4i. sich der Winkel phi erheblich verringert und der Winkel alpha zunimmt. Man kann deshalb für die Modelle Werkstoffe mit einer hohen Rauhigkeit an der Oberfläche verwenden.

3. Langer vertikaler Hub:/"= ±25 mm
DerTaststiftdererfindungsgemäßenAbtastvorrichtung kann einen langen Vertikalhub ausführen. Die Höhe in einem bestimmten Augenblick ergibt sich durch die Formel

wobei

ζ = Höhe der z-Achse, d. h. des Meßkopfs 42
f = Verschiebung gegenüber einer eingestellten Lage ¹' bezüglich der z-Achse.

Der Taststift 2 der Abtastvorrichtung wirkt deshalb sozusagen als vierte Achse.
Sobald der Betrag von /größer als Null wird, erhält

Wi der Meßkopf 42 einen Befehl, um / nach Null zurückzubringen. Wegen der Trägheit des Systems spricht der Meßkopf 42 mit einer gewissen Verzögerung auf den Befehl an. je größer deshalb der Gub ist, um den von einer eingestellten Lage abgewichen werden kann,

e5 um so länger wird die Zeitspanne, welche dem MePkopf 42 für das Nachstellen zur Verfügung steht, und hierdurch kann eine größere Kopiergeschwindigkeit erzielt werden.

4. Langes Gehäuse und kleiner Durchmesser

Das Gehäuse 17 des Taststifts 2 endet unten in einem langen zylindrischen Körper mit relativ kleinem Durchmesser. Andere Taststifte weisen dieses Merkmal ebenfalls auf, um ihr Eindringen in Ausnehmungen zu ermöglichen, ohne am Modell anzustoßen.

Außerdem muß das Gehäuse 17 der Abtastvorrichtung eine ausreichende Steifigkeit in radialer Richtung aufweisen, um zu vermeiden, daß mögliche seitliche Kräfte vom Modell und ein dadurch bewirktes seitliches Nachgeben des Gehäuses 17 Meßfehler ergeben, und das Gehäuse 17 muß leicht sein, damit beträchtliche Neigungen überwunden werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung hängt das Gewicht des Gehäuses 17, welches die Funktion hat, seitlichen Kräften entgegenzuwirken, voll an dem Kardangelenk 26. Man kann also diese Teile so überdimensionieren, daß ein etwaiges seitliches Nachgeben vernachlässigbar ist. Dies ist bei den Abtastvorrichtungen nach dem Stande der Technik nicht der Fall, da dort die axialen Bewegungen und die Querbewegungen nicht voneinander unabhängig sind, so daß diese Abtastvorrichtungen entweder nicht genügend steif oder zu schwer werden.

Es ist anzufügen, daß zum seitlichen Nachgeben des verschwenkbaren Gehäuses 17 auch das der Druckluftlager 4 und des Taststifts 2 hinzuaddiert werden muß, jedoch sind die letztgenannten Teile sehr steif und der Taststift 2 ist sehr kurz, so daß das resultierende seitliche Nachgeben vernachlässigbar ist.

5. Pneumatisch betätigte Kolben 31 zum

Zentrieren des verschwenkbaren Gehäuses 17 mit

einstellbarer Vorspannung

Auch dies ist ein besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung. Es ermöglicht, abhängig von den Arbeitsbedingungen die maximal zulässige Kraft Feinzustellen, ab welcher die Abtastvorrichtung anfängt, sich schrägzustellen. In diesem Moment werden die als Meßwandler dienenden Differentialtransformatoren 37, 38 wirksam, welche die Querverschiebung messen, und der vertikale Hub wird durch das Ansprechen der Bremse 15 arretiert.

Die Tatsache, daß man die Kraft F(F i g. 9) auf einen bestimmten Wert einstellen kann, ist sehr wertvoll, da — wie bereits erläutert — zum Erzielen eines optimalen Betriebs das Verhältnis F/P so klein wie möglich gemacht werden muß.

Da die Kraft P von den Abmessungen und damit vom Gewicht des verwendeten Tastkopfes 1 abhängt, ist es sehr wichtig, daß man auch die Kraft Fverändern kann, falls man das Verhältnis F/P bei einem optimalen Wert halten will. Außerdem haben die Arbeitskolben 31, die — wie in F i g. 6 dargestellt — in vorteilhafter Weise als Plungerkolben ausgebildet sind, die Funktion, die Abtastvorrichtung in der Querrichtung zu zentrieren. Diese Zentrierung braucht nicht genau zu sein, da mögliche Fehler bezüglich des theoretischen Mittelpunkts von den Differentialtransformatoren 37, 38 erfaßt und algebraisch zu den Werten der Achsen χ und y hinzuaddiert werden. ■

Die Möglichkeit, die Kraft F einzustellen, ermöglicht es ferner, eine Sicherheitseinrichtung zu haben, so daß, wenn der Taststift 2 unerwartet z. B. gegen eine Stufe des Modells stößt und dadurch die Kraft F beträchtlich überschreitet, die Abtastvorrichtung anfängt, sich schrägzustellen und dadurch eine Querverschiebung von ±20 mm ermöglicht. Dies vermeidet Schäden am Taststift 2.

6. Große seitliche Verschiebungen
Ax, Ay = 5 mm

Diese Verschiebungen sind kleiner als der Vertikalhub, da normalerweise die Kopiergeschwindigkeit verringert werden muß, wenn die Abtastvorrichtung schräggestellt arbeitet, und da eine schräge Konfiguration auch die Simulation eines Fingerfräsers ändern würde, wenn letzterer das Werkstück fräsi. Tatsächlich stellt sich ja die Achse des Fingerfräsers beim Bearbeitungsvorgang nicht schräg. Jedoch sind diese Verschiebungen im allgemeinen größer als diejenigen, die bei den Abtastvorrichtungen nach dem Stand der Technik möglich waren.

Arbeitsweisen

Die im folgenden gegebenen Zahlenbeispiele stellen nur Ausführungsbeispiele dar.

Die Signale, die von der Abtastvorrichtung zum Rechner übertragen werden sind.

f = Verschiebung relativ zu einer eingestellten Lage auf der z-Achse, mit dem Auflösungsvermögen 0,02 mm

Δχ = Fehler längs der x-Achse. mit einem Auflösungsvermögen von 0,02 oder 0,05 mm

Δχ — Fehler längs der y-Achse, mit einem Auflösungsvermögen von 0,02 oder 0,05 mm.

Das Auflösungsvermögen von 0,02 mm wird für das Pendelkopieren verwendet, dasjenige von 0,05 mm dagegen für das Umrißkopieren. Das /-Signal wird vom fotoelektrischen Meßwandier 14, 21, 22 direkt in digitaler Form abgegeben. Die Signale Ax und Ay werden von den Differentialtransformatoren 37, 38 in analoger Form abgegeben und dann in einem Analog-Digital-Wandler in digitale Form umgewandelt, ehe sie dem Prozeßrechner zugeführt werden.

Pendelkopieren

Es gibt zwei Arbeitsweisen, nämlich a) mit ausgeschalteter und b) mit eingeschalteter Bremse 15.

a) Ausgeschaltete Bremse 15

Dies ist die normale Arbeitsbedingung, welche es ermöglicht, Gradienten bis zu 70° zu überwinden, wobei die radialen Verschiebungen c/des Tastsäfts

d = V(Ax)²+ (Ay)⁷

in einem Bereich von 0,5 mm liegen. Hierbei dient das vom fotoelektrischen Meßwandler 14,21,22 kommende Verschiebungssignal »/« für die Verschiebung gegenüber der eingestellten Lage ζ für folgende Zwecke:

1. Berechnung der tatsächlichen Höhe ζ ± /"in jedem beliebigen Augenblick.

2. Nachführung der z-Achse bei breiten Wellungen der Oberfläche, mit einer Geschwindigkeit

d.h. gemäß einer proportionalen bzw. linearen Beziehung.

3. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V₃ = Vr nach der parabolischen Beziehung

V, = F(D²

Ferner werden die folgenden Bedingungen erfüllt:

Bei f = 0 hat die Vorschubgeschwindigkeit ihren Größtwert r.i = 2.5 m/min

Bei/ ± 10mm wird die Vorschubgeschwindigkeil zu Null

Bei /' = ±16 mm befindet sich die Maschine in einer Notsituation und bleibt stehen, speichert aber ihren Zählerstand, so daß keine Meßwerte verlorengehen.

Bei f = ± 25 mm sprechen die Endschalter 25 an und bringen die Maschine zu einem Nothall.

Aus den oben unter 2. und 3. genannten Geschwindigkeitsbeziehungen folgt, daß für jede Neigung oder Rampe mit konstantem Gradienten ein einziger Wert von /existiert. Ferner dienen die Signale Ax und Ay zu folgenden Zwecken:

4. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V, = K; nach der parabolischen Beziehung

(4)

5. Berechnen der tatsächlichen Werte χ + Ax und y + Ay m jedem Augenblick.

Die Vorschubgeschwindigkeit Va wird jeweils entsprechend zuvor am Prozeßrechner eingestellten Werten gleich V,oder K/gewählt. i<>

Aus- und Einschalten der Bremse 15

Um einen intermittierenden Betrieb zu vermeiden, soll die Bremse 15 nur ansprechen, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist r>

d > 0,5 mm

Dabei ist d der Wert gemäß Gleichung (1). Bei d>0,5mm sollte die Vorschubgeschwindigkeit auf V.,= Vd-0,35 m/min reduziert worden sein. Sonst befindet sich die Maschine in einer Ausnahmesituation.

b) Eingeschaltete Bremse 15

Wenn die Bremse 15 eingreift, wird f= const, sein, wodurch 4*>

Zcff = z + const.

In diesen Fällen sprechen nur die Differentialtransformatoren 37, 38 an, welche die Signale Ax und Ay abgeben. Diese dienen zu folgenden Zwecken: -,0

1. Berechnung des tatsächlichen Wertes χ + Ax in jedem Augenblick,

2. Berechnung des tatsächlichen Wertes y + Ay in jedem Augenblick,

3. Berechnung von dnach der Gleichung (1), ^T1

4. Steuern der Geschwindigkeit der z-Achse gemäß einer linearen Beziehung V₁ = k' ■ d,

5. Steuern der Vorschubgeschwindigkeit V₃ = Vd gemäß einer parabolischen Beziehung

V_d = F"(cP)
Ferner sind die folgenden Bedingungen erfüllt: Vor dem Beginn eines Kopiervorgangs muß die Abtastvorrichtung geeicht werden. Der Operateur gibt hierzu mit einem Druckknopf einen Befehl, und es wird eine geeignete Vorrichtung verwendet. Der Vorgang besteht darin, die Abtastvorrichtung rückzustellen, wenn der Taststift 2 25 mm zurückgegangen ist.

Nach dem Eichen folgt das Eingeben, wobei der Operateur eine Reihe von Parametern wählt, welche die Betriebsbedingungen des Systems bestimmen. Beim Pendelkopieren können diese z. B. in folgendem bestehen:

Auswahl der Lage der Abtastebenen Auswahl des Schrittabstandes der Abtastebenen Auswahl der Kopiergrenzen
Maßstabsfaktoren
Übereinstimmung der Achsen Zulässiger Sehnenfehler zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Durchlaufbahn Ausgabegeräte, z. B. Drucker und Lochsteifenstanzer
Vorschubgeschwindigkeit am Anfang.

Umrißkopieren

Hierbei wird die z-Achse und die Verschiebung gegenüber der eingestellten Lage verriegelt. Die Abtastvorrichtung treibt die Maschine nur mit den Signalen Ax und Ay, welche hier ein Auflösungsvermögen von 0,05 mm haben.

Die Anfangs-Eingabe besteht hie- in folgendem:

Auswahl der Koordinaten des Konturenpols Wahl, ob eine Innen- oder eine Außenkontur abgetastet werden soll

Wahl der Konturenrichtung, also im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt zu ihm

Steuerung des Anfahrens, um den Taststift in Berührung mit dem Modell zu bringen Startbefehl für den Kopiervorgang.

Mit der Anfahrsteuerung wird der Tastkopf 1 zur Anlage am Modell gebracht, und sobald eine Verschiebung d beobachtet wird, wird die automatische Verriegelung zum Kontakt eingeschaltet und dadurch der Abtastvorrichtung eine Geschwindigkeit V_n verliehen, welche längs der Normalen gerichtet ist, d. h. längs der Geraden, die durch den Berührungspunkt und den jeweiligen Krümmungsmittelpunkt — nachfolgend Pol genannt — geht. Die Beziehung zwischen V_n und d ist linear, sie lautet

V_n= k (d- 2,5)
und erfüllt die folgenden Beziehungen:

60

Für d = 0,5 mm
Fürd = 1,5 mm
Für d = 2 mm
Für V_d = 0,35 m/min

V_d = 0,25 m/min Vd = 0 Notfall Notfall.

65 Für d = 2,5 mm
Fürd = 0
Für d = 5 mm

V_n = 0

V_n =-2,5 ■ k

V_n =+2,5· k

Hierbei bedeuten positive Werte von V_n »weg vom Pol« bei Außenkonturen, während bei Innenkonturen ein positives V_n »hin zum Pol« bedeutet

Wenn deshalb d = 2,5 ist, wird die Antastvorrichtung anhalten.

In diesem Zustand ist die Maschine startbereit Es ist dann erforderlich, den Startbefehl zu geben, und die Abtastvorrichtung bewegt sich anfänglich mit einem Geschwindigkeitsvektor, der senkrecht zu der Geraden verläuft, welche den Berührungspunkt mit dem Pol verbindet

Für jeden Punkt nach dem Startpunkt und mit einem

vorgegebenen Intervall wird i\c Richtung der Tangente an die Kurve in bekannter Weise berechnet, z. B. durch Approximation an die Gerade, welche die beiden Punkte verbindet, und dann bewegt sich der Tasikopf 1 mit einer Vorschubgeschwindigkeit V₁, welche tangential zu der Kurve ist. der der Tastkopf 1 folgt. Eine Verschiebung des Tastkopfs 1 längs der Tangente bewirkt eine Veränderung von d so daß d*23 wird:

dann ergibt sich auch eine Geschwindigkeit V_n. Deshalb erfährt der Tastkopf 1 zwei Bewegungskomponcnten V₁ und V_n. nämlich die Vorschubgcschwindigkcit V₁. welche längs der Tangente gerichtet ist. und die Geschwindigkeit V_n. welche längs der Geraden (Normalen) gerichtet ist. die den Berührungspunkt mit dem Pol verbindet, und welche den Tastkopf 1 in Anlage am Modell hält.

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Claims

Patentansprüche:

1. Abtastvorrichtung für das Abtasten einer dreidimensionalen Oberfläche mit einem Taststift, der in seiner Längsrichtung verschiebbar und mitteis eines Kardangelenks allseitig verschwenkbar gelagert ist, und mit einem mit dem Taststift verbundenen Meßwandler zum Erfassen der axialen Lage des Taststifts, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (2) und der ihm zugeordnete Meßwandler (14, 21, 22) in einem verschwenkbaren Gehäuse (17) angeordnet sind, das seinerseits über das Kardangelenk (26) allseits schwenkbar gelagert ist, daß der dem Taststift (2) zugeordnete Meßwandler (14, 21, 22) zur Messung der axialen Lage des Taststifts (2) in inkremenialer numerischer Form ausgebildet ist und daß die rechtwinklig zueinander angeordneten Lager des Kardangelenks jeweils mit einem MeßwandJer (37, 38) zur Abgabe von den Querverschiebungen des Taststifts (2) entsprechenden analogen Signalen versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem freien Ende des Taststifts (2) zugewandte Abschnitt des verschwenkbaren Gehäuses (17) als längliches, zylindrisches Teil mit relativ geringem Durchmesser ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangelenk (26) das Gewicht des verschwenkbaren Gehäuses (17) vollständig aufnimmt und daß Führungslager (4) des Taststifts (2) am unteren Ende des verschwenkbaren Gehäuses (17) und in enger Nähe zum Tastkopf (1) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am verschwenkbaren Gehäuse (17) vorgesehenen Fülirungslager als von außen mit Durckluft versorgbare (40) Druckluftlager (4) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (18) zum teilweisen Austarieren des Gewichts des verschiebbaren Taststifts (2) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (18) als Spiralfeder ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verschiebbarkeit des Taststifts (2) mindestens 50 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (2) mit einem eine Feder (6) und eine Masse (7) aufweisenden elektromagnetischen Vibrator (5) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Bremse (15) zum Blockieren des Taststifts (2) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als elastische Rückstellglieder für das verschwenkbare Gehäuse (17) vier pneumatisch betätigbare Kolben (31) vorgesehen sind, welche mit einem pneumatischen Druck beaufschlagbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschiebbarkeit des Taststifts (2) mindestens etwa 5 mm beträgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der die axialen

Verschiebungen des Taststifts (2) erfassende Meßwandler (14,21,22) einen Fotodetektor aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßwandler (37, 38) zum Messen der Querverschiebungen des Taststifts (2) jeweils einen Differentialtransformator aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zum Durchführen eines pendeiartigen Kopiervorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß der pendelartige Kopiervorgang entweder mit aus- oder mit eingeschalteter Bremse (15) und unter der Wirkung eines Steuersignals ausführbar ist, welches eine Funktion der axialen Verschiebung oder eine Funktion der Querverschiebung des Taststifts (2) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des pendelartigen Kopiervorgangs die Vorschubgeschwindigkeit des Tastkopfs (1) gemäß einer parabolischen Beziehung änderbar ist und daß die vertikale Verschiebegeschwindigkeit des Meßkopfs (8'; 42) nach einer linearen Beziehung änderbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Durchführen eines Umrißkopiervorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß sich beim Umrißkopiervorgang der Taststift (2) um einen Konturenpol herum bewegt und dabei von einem Quadranten einer 360^C-Kontur zu einem anderen läuft, wobei die einzige vorgegebene Information die Konturenrichtung, d. h. im oder entgegen dem Uhrzeigersinn, und die Art der Kontur, d. h. innere oder äußere Kontur, betrifft.