DE3821801C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen von Werkstücken, zu kopierenden Modellen o.dgl. mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Es sind bereits Abtastvorrichtungen bekannt, die die Werkstück- bzw. Modelloberfläche direkt über mechanische Taster abtasten. Diese Abtastvorrichtungen sind jedoch nur begrenzt einsetzbar. So erzeugen die mechanischen Taster auf empfindlichen Oberflächen Kratzer, die unter Umständen einen Nachbearbeitungsvorgang erfordern. Ferner können die mechanischen Taster in der Regel aufgrund des Abtastdruckes nur bei relativ harten Werkstoffen verwendet werden. Häufig sind diese Abtastvorrichtungen auch schmutzempfindlich, so daß sie insbesondere bei spanabhebender Bearbeitung Fehlmessungen aufgrund von Spänen verursachen. Schließlich sollte bei den mechanischen Abtastvorrichtungen die abzutastende Oberfläche weitestgehend glatt sein.

Eine mit Druckfluid und damit berührungslos arbeitende Abtastvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 21 39 359 bekannt. Diese besitzt jedoch eine stark eingeschränkte Bewegungsfreiheit, weil nach dem konkreten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) Fühlerdüse und Werkzeug an einem gemeinsamen Balg angeordnet sind.

Demgegenüber ist es das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem, eine Abtastvorrichtung der vorausgesetzten Art dahingehend weiterzubilden, daß ihre Fühlerdüse in jeder Arbeitsebene arbeiten kann.

Dieses Problem wird durch eine Abtastvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Vorrichtung ist im Anspruch 2 beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergibt sich der Vorteil, daß die Abtastvorrichtung frei um die Werkzeugspindel schwenkbar ist, wodurch die Fühlerdüse der Abtastvorrichtung in jeder Arbeitsebene arbeiten kann. Dadurch ist z. B. eine Rundumbearbeitung von unebenen Werkstücken mit Profilfräsern möglich.

Aus der US-PS 24 79 606 ist eine ebenfalls mit Druckfluid arbeitende Abtastvorrichtung bekannt, die einen sektorenförmigen Schwenkkopf mit einer zentralen Druckluftzuführung und verschieden geformten Düsenauslässen an der Mantelfläche aufweist. Bei dieser Anordnung sind also der Schwenkkopf und die Fühlerdüsen eine Baueinheit. Im Gegensatz hierzu sind erfindungsgemäß der Schwenkverteiler sowie die Fühlerdüse als separate Bauteile ausgebildet, wodurch die angestrebte große Bewegungsfreiheit der Abtastvorrichtung erreicht wird. Dabei ist durch die ringförmige Gestaltung des Schwenkverteilers nach der Erfindung dafür gesorgt, daß dieser um die Werkzeugspindel herum angeordnet und über einen NC-Antrieb um das Werkzeug herumgeführt werden kann.

Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung durch einen einfachen Aufbau sowie geringen Platzbedarf aus.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielweise beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Zuordnung von Schwenkverteiler und Fühlerdüse in bezug auf eine Werkzeugachse und das zu bearbeitende Werkstück, und

Fig. 3 die Anordnung einer Fühlerdüse mit Abtastung in zwei Achsenrichtungen.

In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Abtastvorrichtung 1 gezeigt, die an einer nicht näher gezeigten, numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. Vor Inbetriebnahme der Abtastvorrichtung 1 wird die Bearbeitungsmaschine auf Nachführbetrieb geschaltet und die entsprechende NC-Zusatzachse bzw. NC-Maschinenachse wird mit einem Sollwert betrieben, der größer ist als der Sollwert beim Abtastvorgang, so daß auch entsprechend die Verfahrgeschwindigkeit größer ist und somit die Abtastvorrichtung 1 bzw. ein Werkzeug 40 (Fig. 2 und 3) in kürzester Zeit an die abzutastende Oberfläche eines Modells 34 oder eines Werkstückes 35 herangefahren werden kann.

Die Abtastvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Verstelleinrichtung 15, deren geregelte Meß- oder Bewegungsachse in der Fig. 1 die Z-Achse 50 ist, ferner aus einer an der Verstelleinrichtung 15 befestigten Fühlerdüse 11, einer mit dieser in Verbindung stehenden Druckluftzuführung 13 sowie einem in die Druckluftzuführung 13 eingebauten pneumatischen Schaltelement 20, an das die Druckluftquelle 8 angeschlossen ist.

Das pneumatische Schaltelement 20 steht in elektrischer Verbindung mit einem Spannungsteiler 25, der wiederum an einen Servoverstärker 30 angeschlossen ist. Über den Servoverstärker 30 wird ein Motor 19 der Verstelleinrichtung 15 geregelt, an der sich das Werkzeug 40 (Fig. 2 und 3) befindet. In dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Auf- und Abbewegung der Fühlerdüse 11 über den Motor 19 und einer damit verbundenen Spindel 18 durchgeführt, die in Eingriff mit den Gewindegängen einer Halterung 16 steht. Der Verstärker 30, der Servoantrieb 19 und die Verstelleinrichtung 15 gehören zur NC-Achse Der NC-Achse ist auch die Fühlerdüse 11 zugeordnet, womit der Regelkreis geschlossen ist.

Beim Starten der Maschine steht die Fühlerdüse in einem etwas größeren Abstand über der Abtastoberfläche. Da noch kein Abtaststaudruck erzeugt wird, wird über das Schaltelement 20 und den Spannungsteiler 25 ein hoher Sollwert ausgegeben. Dieser Sollwert wird durch Umschalten auf Nachführbetrieb an den Servoverstärker 30 angelegt und die Abtastvorrichtung an die abzutastende Oberfläche geführt.

Bei Annäherung an die Abtastoberflache wird der Staudruck an der Fühlerdüse aufgebaut und der Sollwert kleiner. Mit zunehmender Annäherung an den Abstand "S" wird der Staudruck immer größer und der Sollwert immer kleiner, und beim Erreichen des Abstandes "S" der Sollwert gleich Null. Während des Abtastvorganges wird weiterhin Druckluft aus der Druckluftquelle 8 über das Schaltelement 20 durch die Druckluftzuführung 13 und die Fühlerdüse 11 auf die Oberfläche 36 geblasen, wodurch der Staudruck erzeugt wird. Dieser Staudruck bewirkt in dem Schaltelement 20 eine elektrische Spannung. Diese Spannung ist proportional zum Abstand "S" zwischen der Fühlerdüse 11 und der Oberfläche 36. Mit dem Spannungsteiler 25 wird die Spannung in eine positive und negative Spannung umgewandelt. Die umgewandelte Spannung wird an einen Servoverstärker 30 angelegt. Entspricht der Abstand zwischen der Fühlerdüse 11 und der Oberfläche 36 dem eingestellten konstanten Abstandswert, dann ist die Spannung Null. Bei Abweichung von diesem Wert entsteht somit eine positive bzw. eine negative Spannung, durch die in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel der Motor 19 entweder links oder rechts herum gedreht wird, so daß entsprechend eine Auf- bzw. Abwärtsbewegung entsteht. Wird durch diese Auf- oder Abwärtsbewegung der eingestellte Abstandswert S erreicht, dann wird die Spannung wieder Null und die Fühlerdüse 11 wird in dieser Stellung gehalten.

Die Zuordnung der von Schwenkverteiler und Fühlerdüse in bezug auf eine Werkzeugachse und das zu bearbeitende Werkstück und ihre Versorgung durch Druckluft ergeben sich aus der Fig. 2. Diese zeigt einen ringförmigen Schwenkverteiler 14 an dessen Seite die der abzutastenden Oberfläche 36. z. B. einer rundum zu bearbeitenden unebenen Platte 35 zugewandt ist, die Fühlerdüse 11 angeordnet ist. Der ringförmige Schwenkverteiler 14 wird von einem NC-Antrieb 4 ohne mechanische Begrenzung um das Werkzeug 40 der Bearbeitungsmaschine herumgeführt. Dadurch ist die angesprochene Rundumbearbeitung der unebenen Platte 35a mit Profilfräsern möglich.

Beispielsweise müssen Werkstücke, die einen Umleimer haben, mit dem Profilfräser umfräst werden. Die Werkstückoberfläche ist beispielsweise in einem Toleranzbereich von +/-0,1 mm wellig; daher zeichnet sich der Übergang vom Umleimer zur Platte 35a nicht geradlinig ab. Zudem ragt der Umleimer vor dem Fräsen über die Plattenoberfläche hinaus, was den Einsatz eines mechanisch um das Fräswerkzeug herum angeordneten Tastringes verhindert. Außerdem hätte dies noch zur Folge, daß die Werkstückoberfläche Kratzer u.dgl. bekommt. Bei empfindlichen Werkstückoberflächen ist diese Methode grundsätzlich unwirtschaftlich, da sie eine Nachbearbeitung erfordert. Ein weiterer wichtiger Grund, der gegen eine mechanische Abtastung spricht, besteht darin, daß die Abtastfläche während der Bearbeitung durch Späne und Staub verschmutzt wird. Durch das berührungslose Abtasten mittels dem Abtastmedium Luft wird dieser Nachteil beseitigt. Während des Bearbeitungsvorganges wird die Fühlerdüse 11 um die Ecken und Konturen der Platte mittels der NC-Achse um das Werkzeug 40 geschwenkt.

Fig. 3 zeigt eine horizontale Bearbeitungseinheit mit einer Linearachse 80 und einer Schwenkachse 90 an einer im übrigen nicht dargestellten NC-Fräsmaschine. Die Linearachse 80 und die Z-Achse 50 werden mit der pneumatischen Abtastvorrichtung 1 geregelt. Zu diesem Zweck sind einer horizontalen Werkstückoberfläche 52 eine Fühlerdüse 51 und einer vertikalen Werkstückoberfläche 82 eine Fühlerdüse 81 zugeordnet. Mit dieser in zwei Achsen 50 und 80 arbeitenden Abtastvorrichtung 1 kann z. B. am Umfang einer ovalen Platte 35b eine Profilnut 37 mittels eines Fräsers 40 mit konstanter Tiefe gefräst werden, selbst wenn die Kontur große Toleranzen aufweist. Durch die Regelung in der Z-Achse 50 werden beispielsweise Dickenschwankungen der Platte ausgeglichen.

Neben dem Einsatz der Abtastvorrichtung 1 unmittelbar am Werkzeug beim Abtasten der Werkstückkontur bzw. Werkstückoberfläche während der Bearbeitung kann die Abtastvorrichtung auch zum Kopieren eines Modells verwendet werden.

Ferner kann die Abtastvorrichtung in Industrie-Robotern eingesetzt werden, mit denen beispielsweise Teile verschweißt oder montiert werden. Damit die Bewegungsfreiheit der Abtastvorrichtung gewährleistet ist, sind die Druckluftzuführungen durch die Schwenkachsen der Roboterarme geführt. Die Abtastvorrichtung kann dann in jeder Richtung arbeiten. Über die Abtastvorrichtung wird dann die Zustellachse beispielsweise für den Schweißabstand geregelt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Abtastvorrichtung besteht in ihrem Einsatz in NC-Meßvorrichtungen zum berührungslosen Vermessen von leicht deformierbaren Werkstücken.

Claims (2)

1. Abtastvorrichtung (1) zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen von Werkstücken oder dergleichen

• - mit zumindest einer mit einer Verstelleinrichtung (15) versehenen Fühlerdüse (11, 51, 81), die an eine Druckfluidquelle (8) angeschlossen ist, und
• - mit einem in eine Druckfluidzuführung (13) zwischen der Druckfluidquelle (8) und der Fühlerdüse (11, 51, 81) eingebauten Schaltelement (20), das an einen Spannungsteiler (25) angeschlossen ist, an dessen Ausgang ein Spannungswert für eine Regelung des Abstands zwischen der Fühlerdüse (11, 51, 81) und der Oberfläche des Werkstücks anliegt,
• - wobei die Fühlerdüse (11, 51, 81) unmittelbar mit einem Werkzeug (40) einer Bearbeitungsmaschine gekoppelt ist, wozu die Verstelleinrichtung (15) sowohl mit der Fühlerdüse (11, 51, 81) als auch mit dem Werkzeug (40) zur Bewegung desselben entsprechend der Bewegung der Fühlerdüse (11, 51, 81) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Zuführung der Druckluft zur Fühlerdüse (11, 51, 81) über einen ringförmigen Schwenkverteiler (14) erfolgt, an dessen der abzutastenden Oberfläche (36, 52, 82) zugewandten Seite die Fühlerdüse (11, 51, 81) angeordnet ist und
• - daß der Schwenkverteiler (14) mit einem NC-Antrieb (4) verbunden ist, der den Schwenkverteiler (14) ohne mechanische Begrenzung um das Werkzeug (40) herumführt.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei Bearbeitungsmaschinen mit Schwenkarmen die Druckfluidzuführungen (13) zur Erhaltung der Bewegungsfreiheit durch die Schwenkachsen der Schwenkarme geführt sind.