DE3826146A1 - Verfahren und messvorrichtung zum dreidimensionalen vermessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Es sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen bekannt, bei denen ein Taster mit den Achsen der Meßmaschine an den gewünschten Meßpunkt gefahren wird. Die Meßachsen verfahren dabei NC-gesteuert. Beim Erreichen des Meßpunktes wird ein Meßkopf entgegen der Verfahrrichtung ausgelenkt und dabei ein Kontakt geschlossen. Dieser Schaltkontakt bewirkt, daß der Istwert der Meßachse als Meßwert übernommen wird. Es vergeht jedoch vom Schalten des Kontaktes bis zur Istwertübernahme durch die numerische Steuerung eine bestimmte Zeit. Während dieser Zeit fährt die Meßachse mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Folglich ergeben sich daraus Streuungen der Istwertübernahme und somit Meßungenauigkeiten. Um trotzdem eine hohe Meßgenauigkeit zu erhalten, verfahren die Meßachsen extrem langsam.

Diese Meßtaster zur dreidimensionalen Messung werden auch an NC-Produktionsmaschinen eingesetzt, um z.B. während der Bearbeitung die Lage der Werkstücke zu ermitteln. Hierbei sind die Verfahrwege um ein Vielfaches größer als bei Meßmaschinen, mit denen Feinwerkteile vermessen werden. Der Zeitaufwand für das Vermessen ist jedoch auch hier noch sehr groß, so daß die Verwendung dieser Meßtaster unwirtschaftlich ist.

Ferner ist es bereits bekannt, mit einem separaten Rechner den Meßprozeß zu unterstützen, um die Verfahrgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Einsatz eines solchen Rechners ist jedoch sehr kostspielig und steht in keinem Verhältnis zu dem erreichbaren Nutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die kurze Meßzeiten bei großen Verfahrwegen sowie bei hoher Meßgenauigkeit ermöglichen; die Vorrichtung soll ferner einen einfachen Aufbau haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die des Anspruchs 5 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist ein verstärkter Einsatz der damit vorgeschlagenen Lösung auch in NC-Produktionsmaschinen möglich, wodurch die Produktivität dieser Maschinen gesteigert wird.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Schaltprinzip der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung unter Verwendung eines induktiven Weggebers;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Meßkopfes der Meßvorrichtung von der Seite;

Fig. 3 die seitliche Auslenkung des in Fig. 2 gezeigten Meßkopfes;

Fig. 4 die vertikale Auslenkung des in Fig. 2 gezeigten Meßkopfes;

Fig. 5 das Schaltprinzip einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, die mit einem pneumatischen Schaltelement arbeitet;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßkopfes.

In der Fig. 1 ist ein Schaltprinzip einer Ausführungsform einer Meßvorrichtung 1 dargestellt, die mit einem induktiven Weggeber 40 arbeitet. Zu Beginn des Meßvorganges wird die entsprechende Maschinenachse auf Nachführbetrieb geschaltet und die Meßvorrichtung über den hohen Anfangssollwert an den Meßpunkt herangefahren bzw. der Meßpunkt bei bewegtem Werkstück an die Meßvorrichtung herangefahren. Beim Erreichen des Meßpunktes auf einer Meßfläche 3 wird ein Fühler 4 in den Meßkopf 2 ausgelenkt. Mit zunehmender Auslenkung des Fühlers 4 verringert sich die Verfahrgeschwindigkeit, bis sie den Wert Null erreicht. Das Auslenken des Fühlers 4 wird mechanisch in eine Linearbewegung umgesetzt, die auf den induktiven Weggeber 40 wirkt. Dieser Weggeber 40 gibt über seinen Hub eine positive und negative Spannung aus und weist einen exakten Spannungsnullpunkt auf. Die auf diese Weise erzeugbare Spannungsrampe 60 ist einstellbar. Bei Nichtbetätigung des Meßkopfes 2 hat der Weggeber 40 seinen größten Abstand zum Spannungsnullpunkt und gibt folglich die größte Spannung aus, so daß die Meßvorrichtung mit der größten Meßgeschwindigkeit verfahren wird. Beim Auslenken des Meßkopfes 2 wird der Weggeber 40 in Richtung Spannungsnullpunkt bewegt und die Ausgangsspannung am Weggeber 40 wird mit zunehmender Auslenkung kleiner. Beim Erreichen des Spannungsnullpunktes steht die Maschinenachse. Gleichzeitig wird mit dem Spannungsnullpunkt ein Kontakt geschaltet und der Maschinenachsen-Istwert von der NC-Steuerung übernommen.

Die Ausgangsspannung am Weggeber 40 wird als Sollwert über Schalter 70 an einen Servoverstärker 80 der Maschinenachse gelegt, die durch diese Spannung geregelt wird. In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild erfolgt die Verstellung in bezug auf die Z-Achse über einen geregelten Verstellmotor 90, der über eine Spindel 91 und eine mit der Spindel 91 in Eingriff stehende Halterung 92 den an der Halterung 92 befestigten Meßkopf 2 verstellt.

In den Fig. 2, 3 und 4 ist der Aufbau und die Wirkungsweise des Meßkopfes im Betrieb dargestellt. Im nicht ausgelenkten Zustand sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, der Meßfühler 4, der Schaltstift 10 und die Fühlerdüse 20 auf einer Achse fluchtend hintereinander ausgerichtet. Der Meßfühler 4 ist ungefähr in seiner Mitte durch eine Lagerung 30 so gehaltert, daß er in der Ebene senkrecht zu seiner Längsachse in alle Richtungen verschwenkbar ist. An seinem zur Meßfläche 3 zugewandten Ende weist der Meßfühler 4 eine kugelförmige Spitze 5 auf und an dem der Meßfühlerspitze 5 entgegengesetzten Fühlerende 6 ist eine kegelförmige Aussparung 7 mit einem zylindrischen Fortsatz 8 ausgebildet. In dieser kegelförmigen Aussparung 7 ist ein halbkugelförmiges Ende des Schaltstiftes 10 geführt. Aufgrund einer den Schaltstift 10 umgebenden Führungshülse 23 kann sich der Schaltstift nur in Richtung seiner Längsachse bewegen. Eine Feder 12, die in einer Innenbohrung eines oberen Deckels 16 geführt ist, drückt auf das dem kugelförmigen Ende 11 gegenüberliegende ebene Ende des Schaltstiftes 10, wodurch eine ständige Anlage des kugelförmigen Endes 11 in der kegelförmigen Aussparung 7 des Meßfühlers 4 gewährleistet ist. Auf das ebene Ende des Schaltstiftes 10 liegt die Spitze 21 der Fühlerdüse 20 auf, die beispielsweise kegelförmig ausgebildet sein kann. Ein mittlerer Wellenabschnitt 24 der Fühlerdüse 20, der sich an den die Fühlerdüsenspitze 21 aufweisenden dünneren Abschnitt 22 anschließt, wird durch eine zylindrische Bohrung im Deckel 16 so geführt, daß nur eine Bewegung in Richtung der Längsachse möglich ist. Die Innenbohrung des Deckels 16 weist unterschiedliche Durchmesser auf, wobei die Absätze und Mantelflächen entsprechend zur Führung und Halterung der Feder 12 und des Schaltstiftes 10, sowie der Führungshülse 23 dienen. An den Deckel 16 ist eine Zwischenhülse 17 befestigt, in deren Innenbohrung über einen Segerring 13 die Führungshülse 23 gehaltert ist. Die Innenbohrung der Zwischenhülse 17 weist unterhalb der Führungshülse 23 einen größeren Durchmesser auf, der eine Auslenkung des oberen Endes 6 des Meßfühlers 4 in der Ebene senkrecht zur Längsrichtung ermöglicht. Am anderen Ende der Zwischenhülse 17 ist eine Lageraußenhülse 34 angeordnet, die sich über einen Absatz auf der Zwischenhülse 17 abstützt. Auf dieser Lageraußenhülse 34 ist ein unterer Deckel 19 mit einer Innenbohrung befestigt, durch die der Meßfühler 4 hindurchgeht. Zum Schutz vor Verschmutzung ist eine Manschette 36 am Deckel 19 befestigt, die den ins Freie gehenden Abschnitt des Meßfühlers 4 umhüllt. Der Meßfühler 4 weist in der dargestellten Ausführungsform vier Wellenabschnitte mit unterschiedlichen, sich von außen nach innen vergrößernden Durchmessern auf. An dem Wellenabschnitt mit dem kleinsten Durchmesser, an dem sich die Fühlerspitze 5 befindet und der sich vollständig außerhalb des Meßkopfes 2 befindet, schließt sich ein Wellenabschnitt größeren Durchmessers an, auf dem eine Lagerinnenhülse 31 angeordnet ist, die sich in axialer Richtung an einem Absatz eines nachfolgenden Wellenabschnittes mit größerem Durchmesser abstützt. Auf der Außenmantelfläche der Lagerinnenhülse 31 ist ein Lagerring 32 gehaltert, der eine durchgehende Innenbohrung aufweist, die auf der Außenmantelfläche der Lagerinnenhülse 31 aufliegt, und die eine nach außen gekrümmte Außenoberfläche aufweist, die in einem Lagerstützring 33 beweglich gehaltert ist. In axialer Richtung ist der Lagerring zum einen durch einen Absatz der Lagerinnenhülse 31 nach oben hin festgelegt und nach unten hin durch einen Segerring 15. Unterhalb des Stützringes 33 ist ein Distanzring 35 angeordnet, der zur Einstellung des Meßfühlers 4 in Achsenlängsrichtung dient.

In der Fig. 3 ist ein Meßkopf 2 gezeigt, bei dem der Meßfühler 4 in seitlicher Richtung ausgelenkt ist. Aufgrund der seitlichen Auslenkung bewegt sich das obere Fühlerende 6 außerhalb der Symmetrieachse und schiebt über die schiefe Ebene der kegelförmigen Aussparung 7 den Schaltstift 10 in axialer Richtung nach oben, wobei der axiale Verschiebeweg des Schaltstiftes 10 durch einen Absatz 18 in der Innenbohrung des oberen Deckels 16 begrenzt wird. Ferner geht aus der Fig. 3 hervor, daß sich der Lagerring 32 sowie die Lagerinnenhülse 31 koaxial zum Meßfühler 4 bewegen. Die maximale Auslenkung des Meßfühlers 4 ist durch die Lagerung 30 und durch die Innenbohrung am unteren Deckel 19 begrenzt.

In der Fig. 4 ist die vertikale Auslenkung des Meßfühlers 4 gezeigt. Die maximale axiale Verschiebung wird durch den in der Innenbohrung des oberen Deckels 16 ausgebildeten Absatz 18 begrenzt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der Meßvorrichtung 1, bei der anstelle des induktiven Weggebers ein pneumatisches Schaltelement 50 eingesetzt wird. Das Meßprinzip bleibt gleich, ein Unterschied besteht darin, daß die Abstandsänderung mit dem Luftstrahl der Fühlerdüse 20 erfaßt wird. Durch den Luftstrahl entsteht ein Staudruck, durch den die Düse 20 von dem ebenen Ende des Schaltstiftes 10 mit einem Abstand S beabstandet ist. Durch die Veränderung des Abstandswertes wird in dem pneumatischen Schaltelement in Abhängigkeit von der Abstandsänderung eine Spannung U erzeugt, die in einem Wandler 60 entsprechend in eine positive oder negative Spannung umgewandelt wird. Dem Spannungsnullpunkt entspricht der eingestellte Abstandswert S. Die dadurch erzeugte Spannungsrampe ist wie bei dem eingangs beschriebenen Schaltprinzip einstellbar. Die Ausgangsspannung des Wandlers 60 wird als Sollwert an den Servoverstärker 80 der Maschinenachse gelegt, wodurch die Antriebe geregelt werden.

In der Fig. 6 ist ein modifizierter Meßkopf 2′ gezeigt, der für den Einsatz des pneumatischen Schaltelementes 50 umgebaut ist. Zur Zuführung der Druckluft ist eine pneumatische Kupplung 27 vorgesehen, die mit einem entsprechenden Kupplungsteil 29 am Deckel 16′ des Meßkopfes 2′ anschließbar ist. An dieses Kupplungsgegenstück 29 schließt sich ein Zuführkanal an, der so ausgebildet ist, daß der Luftstrahl auf das obere Ende der Fühlerdüse 20′ auftrifft. Die Fühlerdüse 20′ ist ein zylindrischer Stift, der an seinem unteren Ende beispielsweise eine kegelförmige Spitze 21 aufweist. In der Höhe der Fühlerdüsenspitze 21 ist eine Auslaßbohrung 25 zum Entweichen der Druckluft ausgebildet. Im Unterschied zum Deckel 16 der oben beschriebenen Ausführungsform ist an dem vorliegenden Deckel 16′ an seinem oberen Ende ein Werkzeugkegel 28 angeordnet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Meßkopf 2′ automatisch mit einem Werkzeugwechsler in die Arbeitsspindel gewechselt werden kann. Aufgrund der pneumatischen Kupplung 27, 29 ist ein einfacher Anschluß bzw. eine einfache Abkopplung der Druckluftzufuhr zum Meßkopf 2′ möglich. Neben der Verwendung von Luft als Signalübertragungsmedium kann auch jedes andere geeignete Fluid eingesetzt werden, wobei entsprechende Änderungen am Meßkopf erforderlich sein können.

Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird zum Vermessen die an einer Maschinenachse befindliche Meßvorrichtung mit hoher Verfahrgeschwindigkeit an den Meßpunkt herangefahren. Dies geschieht, indem die Maschinenachse auf Nachführen geschaltet wird und die Steuerung mit einem hohen Anfangssollwert gefahren wird, der beim Erreichen des Meßpunktes kleiner und schließlich Null wird. Beim Einführen des Werkzeugkegels 28 in die Arbeitsspindel wird automatisch die Kupplung 27 angekuppelt.

Claims (12)

1. Verfahren zum dreidimensionalen Messen, insbesondere zur Verwendung an NC-gesteuerten Meß- und Produktionsmaschinen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß alle Bewegungen eines Meßfühlers (4) in eine lineare Bewegung umgesetzt werden,
• - daß diese lineare Bewegung auf eine Einheit (40, 50, 60) übertragen wird, die proportional zur Linearbewegung eine elektrische Spannung erzeugt,
• - daß diese Ausgangsspannung in einen Servo-Sollwert umgewandelt wird, und
• - daß dieser Servo-Sollwert über eine Schaltung (70) verschiedenen Verstärkern (80) zugeführt wird und dadurch die dazugehörigen Servoantriebe (90) geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die lineare Bewegung auf einen induktiven Weggeber (40) übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die lineare Bewegung auf ein durch ein Druckfluid betätigtes Schaltelement (50) übertragen wird, bei dem ein Abstand (S) durch den Staudruck zwischen einem Schaltstift (10) und einer Fühlerdüse (20) eingestellt wird und
• - daß in Abhängigkeit von der Änderung dieses Abstandswertes eine Spannung erzeugt wird, die in einem Wandler (60) in eine positive bzw. negative Spannung umgewandelt wird, und
• - daß die Ausgangsspannung am Wandler (60) als Sollwert (61) dient.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zum Vermessen die an einer Maschinenachse befindliche Meßvorrichtung (1, 1′) mit relativ hoher Geschwindigkeit an den Meßpunkt über diesen Sollwert (61) herangefahren wird.

5. Meßvorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4,

• - mit einem in einem Meßkopf (2, 2′) bewegbaren Fühler (4), der über ein Schaltelement (10) mit einem Meßwertübertragungselement (20) in Verbindung steht, das die ermittelten Werte an Vorrichtungen zur Betätigung von Verstelleinrichtungen einer Maschinenachse weitergibt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf einer Symmetrieachse hintereinander der Fühler (4), ein an dessen Ende (6) geführter und anliegender Schaltstift (10) und eine Fühlerdüse (20) angeordnet sind, und daß der Fühler (4), der Schaltstift (10) und die Fühlerdüse (20) axial verschiebbar geführt sind und daß der Fühler (4) in der Ebene senkrecht zur Symmetrieachse verschwenkbar gelagert ist.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Fühler (4) ungefähr in seiner Mitte innerhalb des Meßkopfes (2, 2′) an dessen unterem Ende in einer Schwenklagerung (30) gehaltert ist, die eine Schwenkbewegung des Fühlers (4) senkrecht zur Achsrichtung ermöglicht und
• - daß durch die Führung des Fühlers (4) in einer Lagerinnenhülse (31) eine Bewegung des Fühlers (4) in Achsrichtung möglich ist.

7. Meßvorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das obere Ende (6) des Fühlers (4) eine kegelförmige Aussparung (7) aufweist, in der ein kugelförmiges Ende (11) des Schaltstiftes (10) gelagert ist und
• - daß der Schaltstift (10) und die Fühlerdüse (20) so in dem Meßkopf gelagert sind, daß sie nur in axialer Richtung bewegbar sind.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Fühlerdüse (20) in direktem Kontakt mit dem induktiven Weggeber (40) steht.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Fühlerdüse (20) über ein Druckfluid in Verbindung mit einem pneumatischen Schaltelement (50) steht.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Meßkopf (2′) eine Kupplung (29) für eine pneumatische Kupplung (27) aufweist und daß über die Kupplung (27, 29) das Druckfluid über einen in einem Deckel (16′) ausgebildeten Zuführkanal (26) so zur Fühlerdüse (20) zugeführt wird, daß das obere Ende der Fühlerdüse (20′) im Betrieb mit Druckluft beaufschlagt wird.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Druckfluid Luft ist.