DE3024455C2 - Mehrkoordinaten-Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrkoordinaten-Meßgerät nach dem Oberbegritf von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der Firmendruckschrift CD 10 14 D 2/77 — 500 wiOTA uic ivicümäSciiiiic iui μι dilbc Wci ksiükke« der Firma DEA Vertriebs-GmbH, 1977 (Druckschrift 1) oder aus der Firmendruckschrift 1 11 810 — 086, 1/80/GX/w« Leitz PMN 12 106 Drei-Koordinaten-CNC Meßmaschine 1200 χ 1000 χ 600« der Firma Ernst Leitz Wetzlar GmbH, 1980 (Druckschrift 2) als bekannt hervorgeht. Ein gemeinsames Merkmal dieses in verschiedenen Bauarten weit verbreitetes Meßgerät ist daß an einer beidseitig portalartig abgestützten Traverse oberhalb des Tisches ein Meßschlitten quer verfahrbar ist, auf dem eine vertikale Meßpinole mit einem Tastsystem verfahrbar ist Bei der Ausführung mit feststehender Traverse (vgL z. B. Druckschrift 2) ruht diese auf zwei ortsfesten Abstützungen und der Tisch iäßt sich in Längsrichtung zwischen den Abstützungen bewegen. Bei längsbeweglicher Traverse und feststehendem Tisch (vgL z. B. Druckschrift 1) 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 oben liegenden Längsführungsbalken beweglich abgestützt ist, der seinerseits zweifach aufgeständert ist. Schließlich kann man Sauarten, bei denen die Traverse nach Art einer Kranbrücke auf zwei oben liegenden 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.

Neben, derartigen bekannten Meßgeräten in Portaibauweise gibt es auch noch Meßgeräte in Einsländerbauweise, 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 Elnständer-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 Meßgenauigkeil, weil zwei aneinander angekoppelte relativ biegeweiche frei abragende tragende Elemente, nämlich der einseilig 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.

Eine andere Bauart eines Drei-Koordinaten-Mcßgerätes zeigt die DE-PS 8 59 806. Dort trägt ein ortsfester Ständer eine Traverse, die im Bereich ihrer Mitte höhenverstellbar am Ständer befestigt ist und beidseitig frei abkragt. Auf ihr ist eine Längsführung für einen Schlitten angebracht, der in einem horizontalen rechtwinklig zur Traverse stehenden Arm übergeht, welcher seinerseits mit einer Gleitführung für einen Meßschlitten versehen ist Dieser Meßschlitten trägt vertikalbcweglich die Meßpinole, mit deren Meßtaster jeder Punkt innerhalb des Meßvolumens anfahrbar ist. Wegen der dreifachen abkragenden Hauptbauteile, die aneinander angesetzt sind, ist bei diesem Meßgerät mit nur relativ geringer Meßgenauigkeit zu rechnen.

Eine Mischform von Einständer- und Portalbauarl

zeigt die DE-AS 17 98 191. Diese im Prinzip ähnlich wie das eben erwähnte Gerät aufgebaute Drei-Koordinaten-Meßgerät weist eine Horizontalführung für einen Schlitten auf, die auf ihrer ganzen Länge unterstützt ist uer ocnniien iragi cuenians einen nun£uniaien quer /,u seiner Führung gerichteten Arm, in dem teleskoparlig ein weiterer Tragarm verschiebbar gelagert und geführt ist und an dessen Außenende die Meßpinole vertikalbeweglich angeordnet ist. Der das Werkstück aufnehmende Tisch ist stufenweise höhenveränderlich, um Werkstücke unterschiedlicher Höhe aufnehmen zu können.

Der vertikale Verschiebeweg der Meßpinole ist nur relativ klein und demgemäß ist in Vertikalrichtung das Meßvolumen auf einen kleinen Bereich beschränkt Zwar ist die auf ihrer gesamten Länge unterstützte Horizontalführung für den ersten Schlitten seiir stabil, jedoch ist deswegen der Platzbedarf für dieses dem Prinzip der Einständerbauart folgende Meßgerät mit dem Platzbedarf eines in Portalbauweise ausgeführten Meßgerätes vergleichbar.

Trotz des relativ großen Platzbedarfes ist jedcch auch bei dieser Maschine aufgrund der abkragenden Bauart nur mit mäßiger Meßgenauigkeit zu rechnen.

Werden höhere relative Meßgenauigkeiten, als sie mit Meßgeräten in Einständerbauart erzielbar sind, gefordert, beispielsweise im Bereich von 10-⁵ bis 10-⁶, so müssen Meßgeräte in Portalbauweise verwandt werden, bei denen die einzelnen tragenden Teile aufgrund einer beiderseitigen 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 beide Abstützungen seitlich eingeengt ist Bei Verwendung von sogenannten Sterntastern, die bei der Vermessung von Hohlräumen oder Bohrunge verwendet werden müssen, deren Zugang senkrecht, quer oder geneigt zu den Meßschlittenführungen liegt, ist der ausnutzbare Meßbereich gegenüber dem Verfahrbereich noch weiter eingeschränkt Bei Verwendung langer Taststifte — in der Praxis bis ca. 300 mm — werden überdies besonders hohe Anforderungen an ciie Führungsgenauigkeit, insbesondere gegen rotatorische Bewegungskomponenten nämlich Gieren und Nicken gestellt; dies ist nur durch die Kombination von Präzisionsführungselementen gepaart mit einer großen Führungsbasis möglich.

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 Meßpinole sowie der ausnutzbare Meßbereich gegenüber herkömmlichen Koordinaten-Meßgeräten dieser Art vergrößert ist.

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 Slerntastern 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 der 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 Abstützpunkie kann bei gleicher Stützlänge eine Reduzierung der maximalen Durchbiegung auf ca. 12% gegenüber einer Durchbiegung der 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 eint Verringerung ίο der Durchbiegung auf ca. 2%.

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. asymmetrischer Meßschlitten, obenJiegende Traverse, Doppeltraversenanordnung — kann erreicht werden, daß der Verfahrbereich lediglich durch eine seitliche Kollision der Pinole gegen den bzw. die Längsführungsbalken der Traverse stößt

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.
Um die Verfahrenslänge 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. die von ihr mittelbar getragene Pinole weiter längsverfahren werden. Besonders günstigt ist eine Verlängerung des Längsführungsbalkens um ca. 22%, womit eine minimale Durchbiegung bei gegebenem Querschnitt erreicht wird. Bei Meßgeräten mit feststehender Traverse und bewegliehern 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 3fache 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 Winkelfehier auf ein optimales Maß vergrößert werden, wodurch die gefährliehen rotatirischen Führungsfehler, nämlich Nick- und Gierwinkel dieser beweglichen Teile, die sich unmittelbar auf die Lage der Pinole übertragen, proportional verkleinert werden.
Der Raum unter der überhängenden Traverse bzw. dem überhängenden Längsführungsbalken kann als Stellfläche für Steuerschränke, Rechner oder ähnlichem ausgebildet werden. Im übrigen ist die Zugänglichkeit zum Meßobjekt gegenüber entsprechenden Meßgerä-

ten 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.

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 eine Stirnansicht auf ein Mehrkoordinaten-Meßgerät mit feststehender Traverse und zwei Ständern und

F i g. 2 eine Seitenansicht des Meßgerätes nach Fig. 1.

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 1. 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 A"-Achse besonders biegesteif ausgebildet, um Querverbindungen 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 Traverse parallel zur V-Richtung querverfahrbar ist. Der Meßschlitten weist eine vertikale Führungsbuchse 9a für eine Pinole 9 auf, die darin parallelen zur Z-Richtung verschoben werden kann. Am unteren Ende der Pinole sind verschiedene Meßtaster anbringbar. Die Figuren zeigen einen Sternraster 10 mit relativ langen parallel zur V-Achse sich erstreckenden Tastarmen, die in seitliche oder raumschräge Öffnungen des Werkstükkes 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.

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 V-Richtung abzuziehen, um den ausnützbaren Meßbereich zu erhalten. Die Verwendung eines Sterntasters engt also den ausnützbaren Meßbereich gegenüber dem Verfahrbereich ein.

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. ausgebildet, daß der Meßschlitten an beiden Ständern vorbeibewegt werden kann. Die Kontur der Meß- bzw. Verfahrbereiche 13 ist in F i g. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Die Breite B des Verfahrensbereiches der Pinolenspitze reicht weit über die beiden Ständer 4 und 5 hinaus. 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 Sterntastern ist der ausnützbare Meßbereich immer noch größer als der lichte Querabstand der beiden Ständer. Zum Vergleich sind die Breitenmaße ß'des Verfahrensbereiches 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.

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 B' 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.

Dank des Hinausragens der Traverse über die Abstützpunkte 12 der Ständer wird die Durchbiegung der Traverse im Vergleich zu einer Anordnung ohne diese Überstände 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'schen Punkte. Gegenüber einer Abstützung der Traverse an ihren Endpunkten kann durch eine Bessel'sche Abstützung bei gleichem Stützenabstand jedoch unterschiedlicher Länge des Biegeträgers die eigengewichsbedingte Durchbiegung auf etwa 12% reduziert werden. Vergleicht man die Durchbiegung eines an seinen Endpunkten aufgelagerten Biegeträgers mit einer Bessel'schcn Abstützung des gleichlangen Biegeträgers bei reduzierter Stützweite, so ergibt sich sogar eine Reduzierung der Durchbiegung auf ca. 2%.

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 Pinolcnführung 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.

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 Längsführungsbaiken 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 Längsführungsbaiken 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 Mcßschlitlenlänge zuzüglich der Taststiftlänge erforderlich.

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. Außerdem kann trotz Verwendung von horizontalen Taststiften bei geeigneter Bemessung des Überhanges die gesamte Tischlänge als Meßbereich ausgenutzt werden.

Durch Anwendung aller beschriebenen Maßnahmen wird bei guter Zugänglichkeit ringt 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrkoordinaten-Meßgerät mit einem das zu vermessende Werkstück aufnehmenden Tisch und einer beidseitig neben dem Tisch vertikal abgestützten, den Tisch überspannenden Traverse, die gegeneinander relativ bewegbar sind, an der eine Horizontalführung für einen an der Traverse quer verfahrbaren Meßschlitten vorgesehen ist, wobei die Horizontalführung und der Meßschlitten derart ausgebildet bzw. relativ zur Traverse und den Abstützungen angeordnet sind, daß der Meßschlitten bis in den Bereich der Abstützungen verfahrbar ist, und eine vertikal zu einer Führungsbuchse verstellbare Meßpinole vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Traverse (6) und die Horizontalführung (7) sich wenigstens einerseits fiei abkragend über die Abstützungen) (4,5) hinaus erstrecken und der Meßschlitten (8) an der bzw. den Abstützungen) (4,5) vorbei quer verfahrbar ist

2. Mehrkoordinaten-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Traverse (6) die Abstützungen (4,5) um etwa 22% der Gesamtlänge L der Traverse (6) an beiden Abstützungen (4, 5) überragt

3. Mehrkoordinaten-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Traverse (6) feststehend und der Tisch (1) längsbeweglich angeordnet ist und daß der Tisch (1) um mehr als das Doppelte, vorzugsweise um etwa das 2,5- bis 3fache seiner Erstreckung (T) in Bewegungsrichtung verfahrbar ist.

4. Mehrkoordinaten-Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausnützbare Länge der feststehenden den Tisch (1) führenden Führungsbahn des Bettes (3) mehr als doppelt so lang ist als die darauf beweglichen Führungen des Tisches (1).

5. Mehrkoordinaten-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Traverse auf einem Paar von Längsführungen verfahrbar und der Tisch feststehend angeordnet ist, und daß die Längsführungen so lang ausgebildet sind, daß der Verfahrbereich der Traverse darauf größer ist als die parallel zur Verfahrrichtung liegende Tischabmessung.

6. Mehrkoordinaten-Meßgerät nach wenigstens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Führungsbuchse (9a) am Meßschlitten (8) für die Meßpinole (9) um etwa 10 bis 30% der lichten Höhe zwischen Traverse (6) und Tisch (1) gegenüber der Unterseite der Traverse (6) nach oben versetzt angeordnet und die Meßpinole (9) entsprechend lang ausgebildet ist.