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Mehrkoordinaten-Meßgerät
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Die Erfindung betrifft ein Mehrkoordinaten-Meßgerät nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Ein Merkmal dieses in verschiedenen Bauarten weit verbreiteten Meßgerätes
ist, daß an einer beidseitig portal artig abgestützten Quertraverse oberhalb des
Gerätetisches ein Schlitten querverfahrbar ist, auf dem eine vertikale Pinole mit
einem Tastsystem verfahrbar ist. Bei der Ausführung mit feststehender Traverse ruht
diese auf zwei ortsfesten Ständern und der Tisch läßt sich in Längsrichtung zwischen
den Ständern bewegen. Bei längsbeweglicher Traverse und feststehendem Tisch kann
man drei Bauarten des Mehrkoordinaten-Meßgerätes unterscheiden. Bei einer Bauart
ruht die Traverse beidseits je auf einem verfahrbaren Ständer; bei einer anderen
Bauart ist nur einerseits ein verfahrbarer Ständer mit der Traverse verbunden, während
sie mit der anderen Seite auf einem obenliegenden Längsführungsbalken beweglich
abstützt, der seinerseits zweifach aufgeständert ist. Schließlich kennt man Bauarten
bei denen die Traverse
nach Art einer Kranbrücke auf zwei obenliegenden
Längsführungsbalken verfahrbar ist. In jedem Fall ist durch die beidseitige Abstützung
der Traverse ein gewisser portalartiger Aufbau im Bereich des Tisches vorhanden,
der den Meßbereich beschneidet.
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Neben derartigen bekannten Meßgeräten in Portalbauweise gibt es auch
noch Meßgeräte in Einständerbauweise, bei denen der Meßschlitten an dem Ständer
vertikal verfahrbar ist. Der Meßschlitten trägt - wie der bei den Portalmeßgeräten
auch - eine Pinole zur Erfassung der dritten Meßkoordinate. Vorteilhaft an den Einständer-Meßgeräten,
die häufig auch paarweise in Gegenüberstellung an einem Meßtisch angewandt werden,
ist die gute Zugänglichkeit zum Meßobjekt und deren relativ großer Meßbereich bei
kleiner Aufstandsfläche. Nachteilig an dieser Bauweise von Meßgeräten ist jedoch
deren relativ geringe Meßgenauigkeit, weil zwei aneinander angekoppelte relativ
biegeweiche frei abragende tragende Elemente, nämlich der einseitig am Boden abgestützte
Ständer und die daran über den Meßschlitten abgestützte Pinole darin vorgesehen
sind. Diese Art der Meßgeräte ist daher nur für solche Meßobjekte verwendbar, bei
denen nicht so hohe Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt werden.
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Werden höhere Meßgenauigkeiten gefordert, beispielsweise im Bereich
von 10 5 bis so 6, 50 müssen Meßgeräte in Portalbauweise verwandt werden, bei denen
die einzelnen tragenden Teile aufgrund einer beidseitigen und gegenüberliegenden
Abstützung wesentlich starrer gehaltert sind, so daß sich insgesamt wesentlich geringere
Deformationen ergeben.
Nachteilig an den Meßgeräten in Portalbauweise
ist, daß der Verfahrbereich des Meßschlittens an der Traverse durch die beiden Abstützungen
seitlich eingeengt ist. Bei Verwendung von sogenannten Sterntastern, die bei der
Vermessung von Hohlräumen oder Bohrungen verwendet werden müssen, deren Zugang senkrecht,
quer oder geneigt zu den Meßschlittenführungen liegt, ist der ausnutzbare Meßbereich
gegenüber dem Verfahrbereich noch weiter eingeschränkt.
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Bei Verwendung langer Taststifte - in der Praxis bis ca.
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300 mm - werden überdies besonders hohe Anforderungen an die Führungsgenauigkeit,
insbesondere gegen rotatorische Bewegungskomponenten nämlich Gieren und Nicken gestellt;
dies ist nur durch die Kombination von Präzisionsführungselementen gepaart mit einer
großen Führungsbasis möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gestaltung eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes
in Portalbauweise anzugeben, bei der ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit der
Verfahrbereich des Meßschlittens und der ausnutzbare Meßbereich gegenüber herkömmlichen
Koordinaten-Meßgeräten dieser Art vergrößert ist ohne die Hauptabmessungen der Meßgeräte
zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Dank der abkragenden Ausgestaltung der Traverse nach einer
oder beiden Seiten kann der Meßschlitten an einer bzw. beiden Abstützungen - je
nach Bauart - vorbeigefahren werden, so daß trotz Verwendung von Sterntastern mit
seitlichen Taststiften der ausnützbare Meßbereich seitlich bis an den entsprechenden
Ständer voll ausgenützt werden kann. Bei Verwendung von
vertikalen
geraden Tastern entspricht der horizontal ausnützbare Meßbereich weitgehend dem
horizontalen Verfahrbereich des Meßschlittens; es könnten also auch Werkstücke vermessen
werden, die breiter sind als der lichte Abstand der Ständer. Hierbei ist jedoch
der ausnützbare Meßbereich in Verschieberichtung des Tisches bzw. der Ständer eingeschränkt
bzw. es besteht Zugangsmöglichkeit von nur einer Seite aus, was jedoch unter Umständen,
z. B. zur Vermessung von Lochplatten ausreicht. Aufgrund ds seitlich überstehenden
Teile der Traverse wird deren eigengewichtsbedingte Durchbiegung reduziert, so daß
eine höhere Meßgenauigkeit bei gleichem Flächenträgheitsmoment der Traverse erzielt
werden kann. Die überstehenden Enden wirken aufgrund ihres Eigengewichtes entlastend
für die eigengewichtsbedingte Durchbiegung des zwischen den Ständern befindlichen
Teiles der Traverse. Bei optimaler Anordnung der Abstützpunkte kann bei gleicher
Stützlänge eine Reduzierung der maximalen Durchbiegung auf ca. 12 t gegenüber einer
Durchbiegung bei Abstützung an den Endpunkten erzielt werden. Vergleicht man die
vorgeschlagene Abstützung und die erforderliche entsprechend verlängerte Traverse
mit einer Endabstützung mit entsprechend vergrößertem Ständerabstand, so erzielt
man sogar eine Verringerung der Durchbiegung auf ca. 2 t.
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Auch bei Bauarten mit verfahrbarer Traverse ist eine Querverlängerung
über den bzw. die seitlichen Abstützungen bzw. Längsführungen zweckmäßig. Bei geeigneter
konstruktiver Gestaltung des Meßschlittens und seiner Führung - z. B.
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asymmetrischer Meßschlitten, obenliegende Traverse, Doppeltraversenanordnung
- kann erreicht werden, daß der Verfahrbereich
lediglich durch
eine seitliche Kollision der Pinole gegen den bzw. die Längsführungsbalken der Traverse
stößt.
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Zur Erweiterung der Durchlaßhöhe unter der hochgezogenen Pinole kann
vorgesehen werden, daß die Pinolenführung im oberen Bereich des eventuell nach oben
verlängerten Meßschlittens befestigt wird. Dadurch kann die Pinolenspitze weit über
die Unterkante der Traverse hinaus zurückgezogen werden, so daß auch lange vertikale
oder schräg angeordnete Taststifte aus dem Bereich der freien Durchlaßhöhe herausgefahren
werden können.
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Um die Verfahrlänge zu erweitern, können die Längsführungen der verfahrbaren
Traverse über die Länge des Gerätetisches bzw. -bettes hinaus ein- oder beidseitig
verlängert werden, wobei die Stellfläche des Meßgerätes nicht oder nur unwesentlich
vergrößert wird. Dadurch kann die Traverse bzw.
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die von ihr mittelbar getragene Pinole weiter längsverfahren werden.
Besonders günstig ist eine Verlängerung des Längsführungsbalkens um ca. 22 %, womit
eine minimale Durchbiegung bei gegebenem Querschnitt erreicht wird. Bei Meßgeräten
mit feststehender Traverse und beweglichem Tisch kann selbstverständlich der Verfahrbereich
des Tisches ebenfalls über das bisher übliche Maß hinaus verlängert werden, was
jedoch auf Kosten der Standfläche in Längsrichtung geht. Üblicherweise ist ein verfahrbarer
Tisch bisher um etwa das Doppelte der Tischlängsabmessung verfahrbar. Um einen solchen
Meßbereich auch bei Verwendung von weit ausladenden horizontalen Taststiften ausnutzen
zu können, wird empfohlen, die Beweglichkeit des Tisches
vorzugsweise
auf das 2,5- bis 3-fache seiner Längserstreckung zu erweitern. Die Verlängerung
der Quertraverse und der Längsführungsbalken für sie bringt außer der Erweiterung
des Bewegungsbereiches auch noch einen Vorteil hinsichtlich der Führungsgenauigkeit
für den Meßschlitten bzw. für die verfahrbare Traverse. Durch die geschilderten
Verlängerungen kann nämlich auch die Führungsbasis am Meßschlitten bzw. an der Traverse
ohne baulichen Kompromiß zwischen lichter Weite, Verfahrweg, Schlittenlänge und
zulässigem Winkelfehler auf ein optimales Maß vergrößert werden, wodurch die gefährlichen
rotatorischen Führungsfehler, nämlich Nick- und Gierwinkel dieser beweglichen Teile,
die sich unmittelbar auf die Lage der Pinole übertragen, proportional verkleinert
werden.
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Der Raum unter der überhängenden Traverse bzw. dem überhängenden Längsführungsbalken
kann als Stellfläche für Steuerschränke, Rechner oder ähnlichem ausgenutzt werden.
Im übrigen ist die Zugänglichkeit zum Meßobjekt gegenüber entsprechenden Meßgeräten
bisheriger Bauart nicht eingeschränkt. Die Kosten für derartige Meßgeräte sind durch
die vorgeschlagenen Maßnahmen nur unwesentlich vergrößert, dafür ist jedoch der
Einsatzbereich derartiger Meßgeräte wesentlich in Richtung auf größere Werkstücke
hin erweitert.
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Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen
Fig. 1 eine Stirnansicht
auf ein Mehrkoordinaten-Meßgerät mit feststehender Traverse und zwei Ständern u
n d Fig. 2 eine Seitenansicht des Meßgerätes nach Fig. 1.
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Das in den Figuren dargestellte Mehrkoordinaten-Meßgerät in Portalbauweise
enthält einen auf einem Bett 3 parallel zur X-Achse längsverschiebbaren das Werkstück
2 aufnehmenden Tisch. Sie umfaßt ferner einen ersten (4) und einen zweiten Ständer
5, die bis aufs Maschinenfundament hinunterreichen und seitlich standsicher mit
dem Bett verbunden sind. Der erste Ständer 4 ist quer zur X-Achse besonders biegesteif
ausgebildet, um Querverbiegungen des Portales auffangen zu können. Die beiden Ständer
tragen eine den Tisch überspannende Traverse 6, an der eine Horizontalführung 7
für einen Meßschlitten 8 angebracht ist, der an der Traverseparallel zur Y-Richtung
querverfahrbar ist. Der Meßschlitten weist eine vertikale Führungsbuchse 9a für
eine Pinole 9 auf, die darin parallen zur Z-Richtung verschoben werden kann. Am
unteren Ende der Pinole sind verschiedene Meßtaster anbringbar. Die Figuren zeigen
einen Sterntaster 10 mit relativ langen parallel zur Y-Achse sich erstreckenden
Tastarmen, die in seitliche oder raumschräge Öffnungen des Werkstückes einfahrbar
sind. Mit einem vertikalen Taststift können vertikale Öffnungen des Werkstückes
erreicht werden. An den Endpunkten der Taster sind jeweils Meßkugeln 11 von definiertem
Durchmesser angebracht,
die auf die zu vermessende Oberfläche an
dem jeweils interessierenden Meßpunkt aufgesetzt werden.
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Die Taststifte des Sterntasters müssen so lang sein wie die Tiefe
der zu vermessenden Höhlung. Die Länge eines solchen seitlichen Taststiftes eines
Sterntasters ist vom Verfahrbereich des Meßschlittens in Y-Richtung abzuziehen,
um den ausnützbaren Meßbereich zu erhalten. Die Verwendung eines Sterntasters engt
also den ausnützbaren Meßbereich gegenüber dem Verfahrbereich ein.
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Um nun trotz Verwendung eines Sterntasters bei Portalmeßgeräten den
im wesentlichen durch den lichten Querabstand der beiden Ständer vorgegebenen Raum
zu Meßzwecken möglichst vollständig ausnützen zu können, ist erfindungsgemäß die
Traverse 6 seitlich über die beiden Ständer hinaus verlängert, derart, daß sie beiderseits
freitragend überragt (Maß u). Außerdem ist die Horizontalführung relativ zur Traverse
und zu den Ständern derart angeordnet bzw.
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ausgebildet, daß der Meßschlitten an beiden Ständern vorbeibewegt
werden kann. Die Kontur der Meß- bzw. Verfahrbereiche 13 ist in Fig 1 mit strichpunktierten
Linien angedeutet. Die Breite B des Verfahrbereiches der Pinolenspitze reicht weit
über die beiden Ständer 4 und 5 hinaus.
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Diese Breite stellt gleichzeitig auch den ausnützbaren Meßbereich
bei Verwendung eines einfachen geraden vertikalen Tasters dar. Die Breite b des
ausnützbaren Meßbereiches bei Verwendung eines Sterntasters ist beiderseits um die
Länge des quergerichteten Taststiftes des Sterntasters gekürzt. Selbst bei Verwendung
von relativ weit ausladenden Sterntastrn ist der ausnützbare Meßbereich immer noch
größer
als der lichte Querabstand der beiden Ständer. Zum Vergleich sind die Breitenmaße
B' des Verfahrbereiches und b' des ausnützbaren Meßbereiches bei Verwendung von
Sterntastern an Portalmeßgeräten nach dem Stand der Technik angegeben. Man erkennt,
daß bei Verwendung von Sterntastern nur ein sehr kleiner Meßbereich b' ausgenützt
werden kann.
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Dank der Querverfahrbarkeit des Meßschlittens über die Ständer hinaus
kann auch die Führungsbreite F des Meßschlittens relativ breit gehalten werden,
so daß der Meßschlitten auf der Horizontalführung 7 noch sicher gegen Verkanten
geführt werden kann, so daß die Meßgenauigkeit auch in dieser Hinsicht verbessert
wird. Bei Portalmeßgeräten nach dem Stand der Technik hat man die Führungsbreite
des Meßschlittens relativ schmal gehalten, um eine möglichst große Breite Bt des
Verfahrbereiches zwischen den Ständern zu bekommen. Es war also immer ein Kompromiß
zwischen möglicher Verfahrbreite und Führungsgenauigkeit nötig. Ein solcher Kompromiß
ist dank der Erfindung nicht mehr nötig.
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Dank des Hinausragens der Traverse über die Abstützpunkte 12 der Ständer
wird die Durchbiegung der Traverse im Vergleich zu einer Anordnung ohne diese Oberstände
reduziert, weil das überhängende Gewicht entlastend für den zwischen den Ständern
mit der Stützweite a befindlichen Teil der Traverse wirkt. Optimalerweise ist das
Überstandsmaß u etwa 22 % der Länge L der Traverse. In diesem Fall ist die eigengewichtsbedingte
Durchbiegung der Traverse am Ende der überstehenden Teile gleichgroß wie die Durchbiegung
in
der Mitte zwischen den Ständern und somit minimal. Die oben
beschriebene Anordnung der Abstützpunkte entspricht der Lage der sogenannten Bessel
t schen Punkte. Gegenüber einer Abstützung der Traverse an ihren Endpunkten kann
durch eine Bessel'sche Abstützung bei gleichem Stützenabstand jedoch unterschiedlicher
Länge des Biege trägers die eigengewichtsbedingte Durchbiegung auf etwa 12 % reduziert
werden. Vergleicht man die Durchbiegung eines an seinen Endpunkten aufgelagerten
Biegeträgers mit einer Bessel'schen Abstützung des gleichlangen Biegeträgers bei
reduzierter Stützweite, so ergibt sich sogar eine Reduzierung der Durchbiegung auf
ca. 2 %.
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Auch in der vertikalen Verfahrrichtung läßt sich eine bessere Ausnutzung
der lichten Durchlaßhöhe erreichen. Dazu ist der Meßschlitten 8 nach oben verlängert
und trägt nur in seinem oberen Bereich die Pinolenführung 9a. Dadurch kann die Pinolenspitze
über die Unterkante der Traverse und zugleich auch ein langer vertikaler Taststift
ganz oder zumindest teilweise aus dem Bereich der Durchlaßhöhe zurückgezogen werden.
Die Pinole muß allerdings um den entsprechenden Betrag verlängert werden.
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Der Erfindungsgedanke der Verlängerung der Traverse kann auch auf
den Fall eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes mit verfahrbarer Traverse, die einerseits
auf einem verfahrbaren Ständer und andererseits auf einem obenliegenden Längsführungsbalken
aufliegt bzw abgestützt ist, angewandt werden. Die Traverse kann beidseitig oder
einseitig über die Abstützungen hinaus verlängert sein. Der
Meßschlitten
trägt im oberen Bereich die Pinolenführung und ist zweckmäßig unsymmetrisch ausgeführt.
Dadurch kann die Pinole zum einen bis direkt an den Längsführungsbalken und zum
anderen soweit verfahren werden. daß die Pinole einschließlich etwaiger seitlicher
Taststifte außerhalb des Ständers verfahrbar ist. Dazu ist ein Überhang von etwa
der Meßschlittenlänge zuzüglich der Taststiftlänge erforderlich.
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In Längsrichtung kann vorne und hinten jeweils ein Überhang des Längsführungsbalkens
von mindestens halber Länge des Längsführungsschlittens der Traverse oder mehr vorgesehen
sein. Dies läßt eine große Führungsbasis an den Führungsflächen in vertikaler und
horizontaler Richtung zu und bedeutet damit Sicherheit gegen Nick- und Gierwinkelfehler.
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Außerdem kann trotz Verwendung von horizontalen Taststiften bei geeigneter
Bemessung des Überhanges die gesamte Tischlänge als Meßbereich ausgenutzt werden.
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Durch Anwendung aller beschriebenen Maßnahmen wird bei guter Zugänglichkeit
rings um den Meßtisch erreicht, daß die gesamte Tischlänge und die gesamte lichte
Breite zwischen den Ständern und die gesamte lichte Höhe zwischen Tisch und Traversenunterkante
trotz Verwendung von ausladenden Taststiften als Meßbereich ausgenutzt werden kann.