DE2649641A1

DE2649641A1 - Maschine zur messung der abmessungen von werkstuecken

Info

Publication number: DE2649641A1
Application number: DE19762649641
Authority: DE
Inventors: Alain Dore; Henri Judet
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1975-11-07
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-06-08
Also published as: FR2330997A1; FR2330997B1; US4276698A

Description

DB-ΙΜβ DlPI INQ M. SC DIPL.-PHY». DFt. DIPL.-PHYS. HÖGER - STELLRKCHT - GRIES38ACH - HAECKER

oaTENlANWAl.re IN STUTTGART tOiJvH I

A 42 017 b
29. Okt. 1976

SOOIETE D'APPLICATIONS GENEIiA-LES D »ELEGTRIOITE ET DB MECANIQUE SAGEM 0619 76 B

Maschine zur Messung der Abmessungen von Werkstücken.

Die Erfindung betrifft die Maschinen zur genauen Messung, Anreißen und/oder Kontrolle von Werkstücken, insbesondere solchen mit großen Abmessungen.

Die dreidimensionalen Meßmaachinen entsprechen insbesondere der Notwendigkeit, daß jedes mechanische Werkstück einem Plan entsprechen muß,und daß nach der Bearbeitung eine Kontrolle an dem fertigen Werkstück vorgenommen werden muß, um sich zu vergewissern, daß man an diesem tatsächlich die zahlenmäßigen Daten des Plans wiederfindet.

Alle Bearbeitungsmascliinen sind nämlich mit Streufaktoren behaftet, welche Fehler an den Abmessungen des fertigen Werkstücks zur Folge haben. Es handelt sich insbesondere um Verformungen der Maschine, des Werkstücks und des Werkzeugs, sowie um Fehler, welche von den thermischen Effekten, den Kräften und dem betrieblichen Spiel herrühren, welche man schlecht beherrscht.

Die am häufigsten benutzte Abhilfemaßnahme besteht

darin, das Werkstück so zu bearbeiten, daß man den gleichen Arbeitsgang mehrmals wiederholt, um nacheinander ein Schruppen, ein Schlichten und eine Fertigbearbeitung vorzunehmen. Die Fertigbearbeitung besteht in einem einfachen Bestreichen des Metalls, d.h. in einer Bearbeitung ohne Anwendung von Kräften, wodurch die von den Beanspruchungen herrührenden Ungenauigkeitsfaktoren ausgeschieden werden.

Trotz allem bleiben jedoch Fehler bestehen, und auf

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die Präzisionsbearbeitungen müssen Kontrollvorgänge folgen.

Diese Kontrollen werden mit Hilfe von Meßmaschinen vorgenommen, welche mit Genauigkeit die Abmessung des Werkstücks angeben können müssen (was die Bearbeitungsmaschine nicht kann) und eine Genauigkeit haben müssen, welche sehr erheblich größer als die der Bearbeitungsmaschinen ist.

Bekanntlich weisen dreidimensionale Meß- und Anreißmaschinen einen Taster oder eine Anreiß.spitze auf, welche gemäß drei zueinander senkrechten Achsen x, v_ und z_ mit Hilfe einer kinematischen Kette zur Bewegungsübertragung verschieblich sind, sowie Apparate zur Messung der Stellung des Tasters gemäß den drei Achsen. Da diese Maschinen einen mechanischen Aufbau haben, bleiben sie einer gewissen Zahl von Streufaktoren und Meßfehlern unterworfen, obwohl sie keine Kräfte zu übertragen haben. Insbesondere bleiben diese Maschinen den thermischen Wirkungen sowie dem Vorhandensein des betrieb.lichen Spiels ausgesetzt. In der Praxis kann man infolge des Vorhandenseins der mechanischen Übertragungskette nicht eine Genauigkeit von einigen hundertstel Millimetern an Maschinen zur Messung von Werkstücken großer Abmessungen, z.B. Motorgehäusen, überschreiten.

Man könnte denken, daß die Fehler der gegenwärtigen Meßmaschinen dadurch vermieden werden können, daß die Messung über eine kinematische Kette durch optische Messungen ersetzt wird. In Wirklichkeit entspricht diese lösung durchaus nicht den industriellen Forderungen der Benutzung derartiger Maschinen, welche eine unmittelbare Ablesung an einem Lineal oder an einer Anzeigevorrichtung erfordern.

Ferner kann man zwar mit Genauigkeit eine Länge an einem Meßelement messen, man kann aber nicht genau den Ausgangspunkt uril den Bndpunkt einer Verschiebung auf das in einiger Entfernung angebrachte Meßelement übertragen. Ganz allgemein ist stets eine Verbindungsanordnung zwischen dem zu messenden Werkstück und dem Meßelement vorhanden. Diese Anordnung kann unwirklich sein und die Vornahme von Messungen an einem Bild des Werkstücks gestatten. Häufig ist es jedoch nicht möglich, das Bild der zu messenden Teile zu bilden. Die Anordnung kann ein mechanisches Gestänge sein, dieses ist jedoch stets verschiedenen Verformungen unterworfen, welche bei den bekannten Maschinen Fehlerquellen bilden, welche nicht

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berichtigt werden können.

Ferner ist (französische Patentschrift 2 088 675) eine Meßmaschine bekannt, welche interferometrische Techniken und einen Steuerkreis zur Berichtigung der von der "Gierbewegung" eines beweglichen Schlittens herrührenden Fehler benutzt. Diese Lösung ist verwickelt und schwer anzuwenden, um alle Fehler erster Ordnung zu berichtigen.

Die Erfindung bezweckt insbesondere die Herstellung einer Vorrichtung zur Messung der Abmessungen von Werkstücken, welche gestattet, eine hohe Genauigkeit zu erreichen, dabei aber einen mechanischen Aufbau zum Halten des Tasters oder der Spitze beibehält, welcher eine leichte Anwendung ermöglicht, indem einfach dieser Taster oder diese Spitze auf den Punkt des Werkstücks gebracht wird, dessen Abmessungen bestimmt werden sollen. Hierfür schlägt die Erfindung insbesondere eine Maschine zur Messung der Abmessungen eines Werkstücks vor, welche eine Grundplatte zur Aufnahme des Werkstücks und eine mechanische Anordnung aufweist, welche einen Taster trägt, welcher längs zueinander senkrechtenAchsen mit Hilfe von Vorrichtungen zur unmittelbaren Messung der Verschiebung des Tasters längs dieser Achsen verschieblich ist, wobei diese Maschine durch Mittel gekennzeichnet ist, welche durch optische Abweichungsmessung die Meßfehler bestimmen, welche von dem. Spiel und der Verformung der Bestandteile der mechanischen Anordnung wenigstens gemäß gewisser dieser Achsen herrühren.

Die Mittel zur Bestimmung der der Verschiebung

längs einer der Achsen entsprechenden Fehler können insbesondere eine Strahlenquelle umfassen, z.B. einen Laser, welche in der Fähe des Ursprungs der Achse angeordnet ist und ein zu der theoretischen Achse der Verschiebung paralleles zylindrisches Lichtbündel aussendet, sowie einen an dem beweglichen Organ angebrachten Detektor zur Feststellung der Abweichungen des beweglichen Organs längs dieser Achse gegenüber der theoretischen Achse.

Die Erfindung betrifft unmittelbar den Fall einer Bearbeitungsmaschine, wobei dann der Taster durch ein Werkzeug und die Meßvorrichtungen durch Vorrichtungen zur Steuerung der Bewegung des Werkzeugs auf einem bestimmten Weg ersetzt werden.

In dem Fall einer Maschine, welche auf wenigstens einer dieser Achsen eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung

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durch eine z.B. inkrementale Ablesevorrichtung aufweist, welche von dem beweglichen Organ längs dieser Achse getragen wird, mit einer von dieser Achse getragenen Teilung zusammenwirkt und die Angabe der Verschiebungen in numerischer Form liefert, umfassen die obigen Bestimmungsmittel zweckmäßig einen Analog-Digital-Wandler und ein Rechengerät, welches die von der Ablesevorrichtung und dem Analog-Digital-Wandler gelieferten Angaben empfängt und einer Anzeigevorrichtung eine berichtigte Kessung liefert.

Wie man sieht, hat die mechanische Anordnung

so nur eine Tragfunktion, da die Vorrichtung zur direkten Messung nur eine erste Annäherung der Verschiebung des Tasters ergibt, welche entweder von der Bedienungsperson berichtigt werden kann, oder automatisch durch eine zugeordnete Elektronik, welche die Ergebnisse der Verformungsmessung empfängt, wobei die Verformungen stets sehr gering gegenüber der eigentlichen Verschiebung sind, wobei das optische System äußerst einfach sein und einen Aufbau haben kann, welcher sich dem der Vorrichtungen zur Führung von Lenkgeschossen durch optische Abweichungsmessung nähert.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen schaubildlichen Ansicht die mechanischen Hauptteile der Maschine.

Fig. 2 ist ein Prinzipschema, welches die Versohiebungsachsen und die Verformungen oder Fehler gemäß diesen Achsen zeigt.

Fig. 3 ist ein Schema der Vorrichtung zur Bestimmung der Fehler, welche von den Verformungen quer zu der Trans-, lationsrichtung eines mechanischen Bestandteils (hier der den Taster tragende Arm) herrühren.

Fig. 4 ist ein eine AusführungsabWandlung der Vorrichtung der Fig. 3 zeigendes Schema.

Fig. 5 ist ein Schema einer Vorrichtung zur Messung der Schlingerfehler um die Translationsachse Ox.

Fig. 6 ist ein Schema der der Vorrichtung der Fig. 5 zugeordneten Rechenschaltung.

Fig. 7 und 8 zeigen schematisch Vorrichtungen zur Messung oder Kontrolle anderer Fehler.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Meßmaschine

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besitzt einen allgemeinen üblichen mechanischen Aufbau. Sie enthält eine Grundplatte 11 mit einer ebenen waagerechten Oberfläche zur Aufnahme des zu messenden, anzureißenden oder zu kontrollierenden Werkstücks 12. Die Grundplatte 11 trägt eine Meßbank 13, auf welcher ein Schlitten 14 in der Richtung Ox gleitend verschieblich ist. Der Schlitten 14 ist mit Organen zur genauen Führung auf der Bank 13 versehen, z.B. mit auf auf die Bank aufgesetzten Laufbahnen rollenden Rollen und Stützrollen, welche unter Vorspannung gehalten werden und sich an dem mittleren Teil der Bank abstützen (wobei diese Teile nicht dargestellt sind).

Der Schlitten 14 trägt seinerseits Mittel zur lotrechten Verschiebung eines beweglichen Halters 15 (Verschiebung in der Richtung 0.z). Diese Verschiebungsmittel umfassen z.B. zwei abgerichtete Säulen 16, welche durch Verstärkungsstäbe 17 vereinigt sind und an welchen (nicht dargestellte) von dem Halter 15 getragene Kugellager rollen.

Schließlich trägt der Halter 15 einen Arm 18, welcher die Richtung OpV verwirklicht und längs seiner Achse in an dem beweglichen Halter 15 befestigten Lagern verschieblich ist. Dieser Arm trägt den Taster 19, welcher mit dem Werkstück 12 in Berührung kommen soll.

Die Verschiebungen des Schlittens 14 gegenüber dem Ursprung 0, des Halters 15 gegenüber dem Ursprung 0. (Schlitten 14) und des Arms 18 gegenüber dem Ursprung O2 (Halter 15) können durch verschiedene Mittel gemessen werden. Diese Mittel können alle mit unmittelbarer Ablesung durch Augenschein arbeiten. Bei der beispielshalber angegeben Ausführungsform wird die Verschiebung in der Richtung OpV unmittelbar an einem von dem Arm 18 getragenen geteilten Lineal abgelesen. Ein ähnliches Lineal wird von der Bank 13 getragen, jedoch die (von einem Elektromotor gesteuerten) Verschiebungen in Richtung Ox werden durch ein Zählsystem gemessen, welches eine optische inkrementale Ablesevorrichtung aufweist, welche an dem Schlitten 14 angebracht ist und vor einer von der Bank getragenen Teilung vorbeiläuft. Ein ähnliches Zählsystem mißt die Drehung eines Elektromotors 21 zum Antrieb der den Halter 15 antreibenden Spindel 22. Die Ergebnisse werden numerisch an einem Kasten 20 angezeigt.

Unabhängig von der Art der Ablesung ist die Messung mit 709823/0285

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Fehlern behaftet, welche insbesondere von der nicht genauen lotrechten Lage zwischen den wirklichen Verschiebungsrichtungen in Richtung Ox, O₁ y und OpZ und von den mechanischen Verformungen und dem Spiel bei der Benutzung der Maschine herrühren.

Diese Fehler haben nicht alle den gleichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Es genügt im allgemeinen, nur gewisse von ihnen zu berücksichtigen, deren Zahl von der gewünschten Genauigkeit abhängt. Um die Wirkung der verschiedenen Fehler klarzumachen, seien zunächst einige theoretische Angaben gemacht. Hierfür werden die Bezeichnungen benutzt, welche in Fig. 2 angegeben sind, um die Fehler zu bezeichnen, welche die Messung beeinflußen, wenn der Taster 19 mit dem Werkstück 12 an dem Punkt M in Berührung steht.

Mit χ , z_m und y_m sind die Messungen bezeichnet, welche das System zur Bestimmung der Verschiebungen ergibt, welches von den mechanischen Bestandteilen der Maschine getragen wird (d.h. die Messungen 00., 0. Op und OpM), und mit x, y_ und ζ die wirklichen Koordinaten des Punkts M in Bezug auf den Ursprung 0.

Ein erster möglicher Fehler wird dadurch gebildet, daß die Richtung OpM und die Ebene 00.0p nicht genau senkrecht zueinander liegen. Er kann insbesondere von einem Fehler der ursprünglichen Einstellung oder von einem FUhrungsfehler des Halters 15 herrühren. Er kombiniert sich mit den Durchbiegungen des gleitenden Arms. Mit (<ÜM) und (ΔΜ) sind die hierdurch in den Richtungen χ und ζ (Fig. 2) entstehenden Fehler bezeichnet.

Die Verschiebungen in der Richtung js erzeugen ebenfalls Fehler. Es handelt sich einerseits um Translationsfehler des Halters 15 und andererseits um Führungsfehler, welche Roll-, Stampf- und Gierbewegungen des Halters 15 erzeugen. Mit (^0₂)_χ und (Δ sind die Fehler an der Translationsbewegung des den Punkt Op verwirklichenden Halters 15 und mit θ , θ und θ_χ die Roll-, Stampf- und Gierbewegungen bezeichnet, d.h. um die Achse der Translationsbewegung des Halters, um die Verschiebungsrichtung des Arms gegenüber dem Halter und um eine zu den beiden vorhergehenden senkrechte Achse.

Schließlich lassen die Fehler der Messung der Translationsbewegung des Schlittens 14 und die Führungsfehler des Schlittens zusätzliche Fehler erscheinen, nämlich (Δθ.) und (Δθ.) , d.h. Translationsfehler in den Richtungen j; und z, und (P t <f und

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-if- fo 0619 76 B

(P , d.h. Roll-, Stampf- und Gierführungsfehler.

Eine einfache Rechnung zeigt, daß die wirklichen Maße χ, ν. ¹^ Ά ^⁶³ Punkts M aus den gemessenen Größen x_m, y_m und ζ aus den nachstehenden, bis zur zweiten Ordnung gültigen Formeln abgeleitet werden können:

'x = χ + J_n (9„ +Cf ) + z_m ip _τ + (4O₉)^ + (Δ M)

m "m z/z m/y ^^x

(D ^y = y_m+

(4O₁J₂.+ ν« ^_x

Infolge der mechanischen Kenngrößen der Maschine

können gewisse Fehler vernachlässigt werden, während andere, welche je nach der gewünschten Genauigkeit mehr oder weniger zahlreich sind, bei der erfindungsgemäßen Berichtigung berücksichtigt werden. Ferner kann man offenbar die von den Biegungen herrührenden Fehler dadurch merklich verringern, daß man das Werkstück so anbringt, daß y und/oder ζ am kleinsten werden.

Bei einer Maschine des oben definierten Typs sind

die Translationsfehler Ao₁ und die Rotationsfehler *f und y gering, vorausgesetzt, daß die Laufbahnen richtig abgeschliffen sind und die Abstützbasis der Führungsrollen des Schlittens 14 breit ist. In dem Maße, in welchem man jedoch eine hohe Genauigkeit wünscht, können auf der Messung von Δθ., (f und if beruhende Berichtigungen unter Benutzung der weiter unten definierten lösungen vorgenommen werden.

Ebenso können hinsichtlich der Verschiebung in der Richtung O.z die senkrechte Lage zwischen der Translation 0. Op und der Ebene Oxy und die Starrheit der Stäbe 16 in den meisten Fällen ausreichen, um die Fehler (Δ O₉), θ und θ (wobei dieser letz-

c. χ y

tere übrigens bis zur zweiten Ordnung ohne Einfluß ist) vernachlässigen zu können. Die restlichen Fehler können in der Reihenfolge abnehmender Bedeutung folgendermaßen geordnet werden:

. Fehler (ΟΜ)_χ und ( Δ M)₂

Fehler y θ , ζ ΐΰ und y_my_x» welche die Mes()

sung von ö und Cf_x erfordern, wodurch die Formeln (1) auf folgende Form zurückgeführt werden:

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- 9T- ii 0619 76 B

(2) / y = y_m ^{+ z}A

= z+y_m^+(ÄM)

Die Messung von (Δ M) und (Δ M) kann mittels der

χ y

schematisch in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung erfolgen. Diese enthält eine von dem beweglichen Halter 15 getragene Strahlenquelle 24 zur Aussendung eines zylindrischen, zu der Achse C^y parallelen Lichtbündeis 25. Diese Lichtquelle kann durch einen Laser 26 mit kontinuierlicher Emission gebildet werden. Eine derartige Lichtquelle bietet den Vorteil,ein praktisch zylindrisches Lichtbündel zu liefern. Bs kann ein afokales optisches System 27 zur Verringerung der Eigendivergenz des Laserbündels vorgesehen werden. Man kann insbesondere einen Helium-Heon-Laser benutzen, welcher ein Licht in dem sichtbaren Spektrum liefert. Die Vorrichtung enthält einen an dem Ende des Arms 18 angeordneten Detektor oder Abweichungsmesser, welcher das Bündel 25 empfängt. Dieser Detektor ist so ausgebildet, daß er zwei Abweichungsangaben liefert, nämlich eine in der Richtung Ox und in die andere in der Richtung Oz. Dieser Detektor 28 kann insbesondere durch eine Photozelle mit vier Quadranten oder durch einen Photodetektor mit Oberflächenwirkung gebildet werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt der Detektor zwei in der Waagerechten einander entgegengesetzte Sektoren und zwei in der Lotrechten einander entgegengesetzte Sektoren, was die bequemste Anordnung darstellt. Die beiden von den beiden längs der waagerechten Achse einander entgegengesetzten Quadranten kommenden Signale werden dadurch verglichen, daß sie an die beiden Eingänge einer Subtrahierschaltung (z.B. verschiedene Verstärkungen) angelegt werden. Die Ausgangsspannung der Subtrahierschaltung ist so zu (Δ M) proportional. Die beiden Signale längs der lotrechten Achse werden in der gleichen Weise verglichen.

In dem oben betrachteten Fall, in welchem χ unmittelbar in numerischer Form durch eine optische inkrementale Ablesevorrichtung geliefert wird, wird die Berichtigung Δ. T^ zweckmäßig unmittelbar und automatisch vor der Anzeige an dem Kasten 20 vorge-

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°^{619 76 B}

nommen, welcher so unmittelbar χ ergibt.

In den meisten Fällen ist die Meßfolge folgende:

Der Taster 19 wird mit dem zu messenden Werkstück 12 an einem Punkt in Berührung gebracht, welcher als Ursprung gewählt wird, d.h. insbesondere x=0 entspricht. Der entsprechende Wert χ wird zahlenmäßig ausgedrückt, z.B. durch Anlegung der Ausgangsspannung der Subtrahierschaltung an einen eine Zahlenangabe liefernden Spannungsmesser ,und wird in dem Kasten 20 gespeichert, welcher auch als etwaige zusätzliche Berichtigung den Durchmesser der das Ende des Tasters 19 bildendeiKugel speichern kann. Hierauf wird die Maschine so betätigt, daß der Taster 19 mit einem anderen Punkt des Werkstücks 12 in Berührung kommt. Die Verschiebung in der Richtung χ wird von der von dem Schlitten 14 getragenen inkrementalen Ablesevorrichtung gemessen. Bei der neuen Berührung liefert eine sehr einfache Rechenschaltung (da sie sich auf eine Addier- und Subtrahierschaltung beschränken kann) das Maß χ unter Ausgang von dem von der Ablesevorrichtung gelieferten χ , dem gespeicherten Durchmesser der Kugel (wenn die Berührung auf einer entgegengesetzten Seite des Werkstücks erfolgte), dem gespeicherten und dem Ursprung entsprechenden Wert von ( Δ M) und dem Wert von (ΔΜ) an der neuen Berührungsstelle.

Die obigen Ausführungen hinsichtlich der Messung von χ sind natürlich auch für die Messung der anderen Maße gültig.

Anstelle der in Pig. 3 dargestellten Vorrichtung kann man zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung von (4M) und (ΔM) die in Fig. 4 dargestellte Anordnung benutzen. Der Detektor 28a ist wie die Strahlenquelle 24a an dem Halter befestigt, während das Ende des Arms 18a einfach einen Reflektor 29 trägt (im allgemeinen ein dreiseitiges rechtwinkliges Prisma).

Man kann so unter Laboratoriumsbedingungen eine

Genauigkeit von der Größenordnung des Mikrons auf einem Abstand von der Größenordnung eines Meters erhalten.

Die Messung des Winkels θ und gegebenenfalls des Winkels ψ_χ kann durch ein ähnliches Verfahren erfolgen. Fig. 5 zeigt beispielshalber die Vorrichtung zur Bestimmung des Fehlers (f , welcher von der durch die Antriebsspindel erzeugten Rollbewegung des Schlittens 14 herrührt.

Die Vorrichtung enthält wiederum eine Lichtquelle

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" ^ ~λ% 0619 76 B

30, welche ein zylindrisches Lichtbündel 33 liefert. Die z.B. durch einen Laser gebildete Lichtquelle 30 wird von der Meßbank 13 getragen und ist so gerichtet, daß sie ein zu der Richtung χ paralleles Bündel in der Entfernung d/2 von der durch die Achse der Antriebsspindel des Schlittens 14 gehenden lotrechten Ebene liefert. Bin halbdurchsichtiger Spiegel 31 und ein optischer Winkel 32 entnehmen an dem aus der Lichtquelle 30 austretenden Bündel 33 etwa die halbe Lichtstärke und schicken sie gemäß einem Bündel 34 zurück, welches in Bezug auf die Achse der Antriebsspindel des Schlittens 14 zu dem Bündel 33 symmetrisch ist (Fig. 5). Der Schlitten trägt symmetrisch in Bezug auf die Spindel zwei Detektoren 35 und 36, deren jeder durch eine zu der gemeinsamen Ebene der Bündel 33 und

34 parallele Mittellinie getrennt wird. Die Symmetrie der Detektoren

35 und 36 in Bezug auf die Achse der Spindel ist übrigens nicht unbedingt erforderlich.

Die Detektoren 35 und 36, welche die gleiche

Bauart wie die der Fig. 3 haben können, sind einer elektrischen Schaltung zugeordnet. In der beispielshalber in Fig. 6 dargestellten Schaltung bestimmen Differentialverstärker 39 und 40 die Differenzen der von den beiden Sektoren der Detektoren 35 und 36 empfangenen Beleuchtung. Die Ausgangsgrößen dieser Verstärker werden an einen zweiten Differentialverstärker 41 angelegt, welcher die Aufgabe einer Subtrahierschaltung erfüllt. Schließlich beaufschlagt der Ausgang der Subtrahierschaltung einen Analog-Digital-Wandler 42.

Wie man sieht, erscheint, wenn die Bilder 43

und 44 der Bündel 33 und 34 infolge eines Rollfehlers nicht mehr auf die Detektoren 35 und 36 zentriert sind, an dem Differentialverstärker 41 ein zu x. - Xp proportionales Ausgangssignal (wobei x. und Xp ^die Ausgangssignale von 39 und 40 sind). Da der Winkel klein ist, wird er durch folgende Formel gegeben:

wobei a der durch die Signale dargestellte Abstand zwischen den Schwerpunkten der Lichtflecke 43 und 44 ist. Der Ausgang des Analog-Digit al-Wandlers 42 kann eine Rechenschaltung 37 beaufschlagen, welche den Abstand d speichert und auch für y und ζ kennzeichnende

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~Λ4 0619 76 B ' Zahlenangaben empfängt, so daß dem Speicher des Kastens unmittelbar die entsprechenden Berichtigungsglieder geliefert werden.

Nebenbei ist zu bemerken, daß es bei Vornahme dieses Typs von Berichtigungen erforderlich ist, über Werte y und ζ zu verfugen, welche für ζ von dem Schlitten aus und für y von dem Halter aus gezählt sind. Infolgedessen ist die Vereinfachung, welche darin besteht, als Ursprung den ersten Berührungspunkt mit dem Werkstück zu nehmen, nicht mehr möglich.

Die Messung von Q kann auf die gleiche Weise wie die von ψ vorgenommen werden, wobei dann die Lichtquelle an dem Schlitten und die Detektoren an dem Halter angebracht sind.

In der Formel (2) war angenommen, daß die Wirkung der von (Λμ) , (Δ M) , θ und ψ verschiedenen Fehler vernachlässigbar ist. Es kann wünschenswert sein, zu prüfen, daß dies tatsächlich der Fall ist. Diese Kontrolle kann mittels einer Vorrichtung zur Abweichungsmessung erfolgen, welche wie die der Fig. 5 und 6 ausgebildet, aber so abgeändert ist, daß sie mehrere Größen liefert.

Man kann insbesondere zur gleichzeitigen Messung von

θ (Stampfen) und θ (Gieren) die schematisch in Fig. 7 dargestelly χ

te Anordnung benutzen, welche eine von dem Schlitten 14 getragene Lichtquelle 45 (Helium-Neon-Laser) aufweist, deren Ausgangsbundel zu der Achse O.z parallel ist. Der Halter trägt einen halbreflektierenden Spiegel 46. Bin Teil der Lichtstärke des Bündels tritt durch den Spiegel und erreicht einen Detektor mit vier Quadranten 47. Der unter 90° von dem Spiegel 46 reflektierte Rest gelangt auf einen Detektor 48, welcher wie der Detektor 47 ausgebildet und in der gleichen Entfernung"d. von dem Bild des Detektors 47 in dem halbreflektierenden Spiegel 46 angeordnet ist.

Wenn man mit X. und Y. die von dem Detektor 47 in den Richtungen χ und y_ gelieferten Differentialsignale und mit X₂ und Y₂ die von dem Detektor 48 gelieferten entsprechenden Werte bezeichnet, erhält man, da die Winkel θ klein sind,:

⁰X = ^(Y2VV

Wenn außer ^_x die Winkel <f und tf sowie die Abweichungen ( ά 0.) und ( £ °i)_z gemessen werden sollen, kann die Vorrichtung der Fig. 5 ihrerseits in der schematisch in Fig. 8 an-

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gedeuteten Weise vervollständigt werden. Die von der Bank getragene Lichtquelle 49 sendet ein zylindrisches Bündel aus, welches ein halbreflektierender Spiegel 50 und ein optischer Winkel 51, welche ebenfalls von der Bank getragen werden, in zwei Bündel 52 und 53 zerlegen, welche in Bezug auf die optische Vers chiebungsach.se symmetrisch, sind und einen gegenseitigen Abstand von d haben. Ein Bruchteil der Stärke des Bündels 52 fällt unmittelbar auf einen Detektor mit vier Quadranten 54» welcher Differentialsignale Y. und Z-, liefert. Ein halbreflektierender Spiegel 55 schickt den Rest des Bündels 52 unter 90° auf einen Detektor mit vier Quadranten 56, welcher Differentialsignale X~ und Z, liefert. Schließlich gelangt das Bündel 55 auf einen Detektor mit vier Quadranten 57, welcher Differentialsignale Y₂ und Z₂ liefert. Die Detektoren 54, 56 und 57 werden von dem Schlitten getragen. Wenn man mit dem gleichen Verfahren die Messung der Winkel 0 , 9 und O_n, vornehmen

χ y ζ

wollte, würden der laser 49» der halbreflektierende Spiegel 50 und der optische Winkel 51 von dem Schlitten getragen, während die Detektoren und der halbreflektierende Spiegel 55 von dem Halter getragen würden.

In dem betrachteten Pail ermöglicht die paarweise Zusammenfassung der Ausgangssignale X, Y und Z der Detektoren 54, und 57» die Winkel ψ _t ψ und γ zu erhalten. Die Signale lie-

fern auch (^O^^x ^und 2y

Die Erfindung ist zahlreicher Aus führungs ab Wandlungen fähig. Insbesondere ist sie durchaus auf den Fall einer Maschine zur Messung in Polarkoordinaten anwendbar, welche eine die Achse Oz definierende mittlere Säule aufweist, längs welcher ein Halter verschieblich ist, welcher mittels eines geteilten Kreises einen Arm trägt, welcher mit dem Taster versehen und in Bezug auf die Achse Oz radial verschieblich ist. Ebenso ist die Erfindung auch anwendbar, wenn die Verschiebungen nach x, y. und z_ längs der kinematischen Kette in einer anderen Reihenfolge erfolgen.

Unabhängig von der gewählten Ausführungsform gelangt man zu einer erheblich gesteigerten Genauigkeit, indem man einfache Mittel zu einer Maschine hinzufügt, deren allgemeiner Aufbau unverändert bleibt. Die Anwendung erleidet praktisch keine Abänderungen, insbesondere in dem Pail einer Maschine mit unmittelbarer numerischer Anzeige.

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Claims

0619 76 B PATENTANSPRÜCHE

1. Maschine zur Messung der Abmessungen eines Werkstücks mit einer Grundplatte zur Aufnahme des Werkstücks und einer Anordnung, welche einen Taster trägt, welcher längs zueinander senkrechte Achsen mit Hilfe von Vorrichtungen zur unmittelbaren Messung der Verschiebung des Tasters längs dieser Achsen verschieblich ist, gekennzeichnet durch Mittel, welche durch optische Abweichungsmessung die Meß- oder Verschiebungsfehler bestimmen, welche von dem Spiel und der Verformung der Bestandteile der mechanischen Anordnung längs wenigstens gewisser dieser Achsen herrühren, und Berichtigungen berechnen, welche an den von den Vorrichtungen zur unmittelbaren Messung gelieferten Ergebnissen vorzunehmen sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der der Verschiebung längs einer (Oy) der Achsen entsprechenden Fehler eine in der Nähe des Ursprungs der Achse angeordnete lichtquelle (26), welche ein zu der theoretischen Verschiebungsachse paralleles zylindrisches Lichtbündel (25) aussendet, und einen Detektor (28) zur Peststellung der Abweichungen des beweglichen Organs längs dieser Achse gegenüber der theoretischen Achse umfassen.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) ein Laser ist, welcher gegebenenfalls mit einem afokalen System (27) zur Verbreiterung des von ihm ausgesandten Bündels versehen ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f

welche längs wenigstens einer dieser Achsen eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung durch eine z.B. inkrementale Ablesevorrichtung aufweist, welche von dem längs dieser Achse beweglichen Organ getragen wird, mit einer von dieser Achse getragenen Teilung zusammenwirkt und die Angabe der Verschiebungen in numerischer Form liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsmittel einen Analog-Digital-Wandler (42) umfassen, und daß eine Rechenschaltung vorgesehen ist, welche die von der Ablesevorrichtung und von dem Analog-Digital-Wandler (42) gelieferten Angaben empfängt und einer Anzeigevorrichtung (20) eine berichtigte Messung liefert.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Grundplatte (11) zur Aufnahme des zu messenden Werkstücks und

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einer mechanischen Anordnung, welche nacheinander ein längs einer ersten Richtung Ox gegenüber der Grundplatte versehiebliches Organ (14), ein zweites Organ (15), welches längs einer an das erste Organ (14) gebundenen und zu der ersten Richtung Ox senkrechten Achse O.z verschieblich ist, und ein drittes Organ (18) aufweist, welches mit einem Taster (19) versehen ist, welcher längs einer Achse OpY verschieblich ist, welche an das zweite Organ gebunden und zu den Richtungen Ox und 0..Z senkrecht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsmittel eine von dem zweiten Organ (15) getragene Lichtquelle (26), welche ein zu der Achse OpV paralleles zylindrisches Lichtbündel (25) aussendet, und einen optischen Detektor mit vier Quadranten (28) umfassen, welcher von dem dritten Organ getragen wird, das Lichtbündel auffängt und einer elektrischen Schaltung zugeordnet ist, welche die Fehler längs der Richtungen Ox und O,ζ liefert.

6. Maschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsmittel zur Bestimmung des Fehlers ( (f ), welcher von der Rollbewegung bei der Verschiebung eines längs einer Achse (Ox) beweglichen Organs (14) gegenüber dem ihm in der kinematischen Kette vorausgehenden Organ (13) herrührt, folgende Teile umfassen:

- eine Lichtquelle (JO), welche eine solche Lage hat, daß sie ein zu dieser Achse paralleles Bündel liefert, einen halbreflektierenden Spiegel (31) und einen optischen Winkel (32), welche an dem aus der Lichtquelle (30) austretenden Lichtbündel (33) einen Teil der Lichtstärke entnehmen und ihn auf einem zu dem Lichtbündel parallelen und in Bezug auf die Verschiebungsachse symmetrischen Weg zurückschicken, wobei diese Teile von dem vorhergehenden Organ (13) getragen werden;

- zwei Detektoren (35 und 36), welche so angeordnet sind, daß sie diese Bündel empfangen, wobei jeder Detektor"wenigstens zwei Sektoren aufweist, welche durch eine zu der Ebene des Lichtbündels und des Weges parallele Mittellinie getrennt sind, wobei diese Detektoren von dem beweglichen Organ (14) getragen werden;

- und eine elektrische Schaltung zum Vergleich der von den einander zugeordneten Sektorpaaren der Detektoren (35 und 36) empfangenen Beleuchtungen.

7. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Bestimmungsorgane, um außer den von der Rollbewegung herrührenden Fehlern ( (?) gleichzeitig die von der Gierbewegung und der Stampfbewegung herrührenden Fehler bei der Verschiebung eines längs einer Achse beweglichen Organs (14) gegenüber dem in der kinematischen Kette vorhergehenden Organ (13) zu messen, folgende Teile umfassen:

- eine Lichtquelle (49) _f welche eine solche Lage hat, daß sie ein zu dieser Achse paralleles Bündel liefert, einen halbreflektierenden Spiegel (50) und einen optischen Winkel (51)» welche an dem aus der Lichtquelle (49) austretenden Bündel (52) einen Teil der Lichtstärke entnehmen und ihn auf einem zu dem Bündel parallelen und in Bezug auf die Verschiebungsachse symmetrischen Weg (53) zurückschicken, wobei diese Teile von dem vorhergehenden Organ (13) getragen werden;

- zwei Detektoren (54, 57), welche so angeordnet sind, daß sie diese Bündel empfangen, wobei jeder Detektor vier Quadranten aufweist, welche durch Mittellinien getrennt sind, welche zweckmäßig zu den Stampf- und Gierachsen parallel sind oder einen Winkel von 45° mit diesen bilden, sowie einen dritten Detektor mit vier Quadranten (56), welcher das um 90° abgelenkte Licht von einem von dem beweglichen Organ getragenen halbreflektierenden Spiegel (55) empfängt, wobei diese Teile von dem beweglichen Organ getragen werden;

- und eine elektrische Schaltung zur paarweisen Zusammenfassung der von den Detektoren gelieferten Differentialsignale.

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