DE3842032C1 - Ball-controlled 3-coordinate probe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen 3-Koordinaten-Meßtaster mit Kugelführung zur Messung von Verformungen an Strukturen, z.B. im Flugzeug- und Fahr­ zeugbau.

Bisher bekannte hochpräzise Meßköpfe entkoppeln die drei Koordinaten auf aufwendige Weise mechanisch mittels Parallelogrammfederlenker (DT 22 07 276, DE 26 20 099, DE 31 35 495), was konstruktionsbedingt relativ kleine Meßbereiche und hohen mechanischen Aufwand und entspre­ chend hohe Kosten zur Folge hat.

Die DE-AS 24 40 692 beschreibt einen Meßkopf einfacherer Bauart, jedoch ist der Meßbereich konstruktionsbedingt klein, der Freihub ist praktisch Null. Außerdem ist die bei weiteren Auslenkungen unvermeidliche Schräg­ stellung in den Ferritkernen störend. Die DE-OS 29 49 439 beschreibt ei­ nen Meßkopf, der bei größeren Meßlängen nachteilig begrenzt ist, weil sich die Ferritkerne infolge des Durchbiegens der Blattfedern 3 seitlich verschieben. Andere Meßköpfe (DE 32 29 992, DE 32 34 470, DE 32 31 160) haben nur eine Schalterfunktion.

Hervorzuheben ist die DE 32 31 160, weil hier der Taststift durch eine Kugel läuft. Diese Kugel dient jedoch nicht der Führung, sondern einzig in Verbindung mit einer Abdeckung als Schutz gegen Verschmutzung. Die Kugel, die nicht ortsfest gelagert ist, wird weder in den Patentansprü­ chen noch in der Patentbeschreibung erwähnt. Der Tastkopf nach DE 32 31 160 kann nicht unterscheiden, ob der Antastimpuls aus der x-, der y- oder aus der z-Richtung oder aus Kombinationen davon kommt; es handelt sich so­ mit um einen Schalter ohne quantitative Meßfähigkeiten. Der Meßtaster nach DD 99 221 besitzt ebenfalls eine Kugel, die bei der Messung in 3 Raumkoordinaten mitsamt dem Taststift verschoben wird. Dieser Meßtaster signalisiert die Antastung über einen Ringkontakt, nicht aber die Aus­ lenkungswerte. In einer Variante liefert der Meßtaster auslenkungspro­ portionale Signale, dann aber nur in einer Ebene.

Ebenfalls nur zweidimensional mißt der Längenmeßtaster nach AS 27 91 377, der speziell für hohlförmige Werkstückkonturen konzi­ piert ist. Hier wird eine Bezugskurve (SOLL) programmgesteuert abge­ fahren und mit dem IST verglichen, der Einsatz ist somit auf Spezial­ anwendungen und auf die Ebene begrenzt und erfordert erheblichen Auf­ wand.

Einen 3-Koordinaten-Wegaufnehmer mit relativ großem Meßbereich und der Entkopplung der Meßwerte durch einen nachgeschalteten Rechner beschreibt die DE-OS 35 14 309.6. Dieser leistungsfähige Meßtaster erfordert für die Großserienfertigung einen relativ hohen Aufwand mit entsprechenden Kosten.

Ziel der Erfindung ist daher ein leistungsfähiger Meßtaster, der einen einfachen Aufbau, geringe Teilezahl, gute Montierbarkeit und entspre­ chend niedrige Herstellkosten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebene Lösung erfüllt.

Kernstück des 3-Koordinaten-Meßtasters ist eine Kugel 1, durch die der Taststift 2 gleitend geführt wird; Fig. 1. Die Kugel 1 ist im Gehäuse­ boden 3 schwenkbar gelagert. Der Gehäuseboden 3 ist aus Montagegründen zweigeteilt. Am oberen Ende des Taststiftes 2 ist ein Träger, hier als dreifingriger Halter 4 ausgebildet, befestigt, der die Wegaufnehmer 7 trägt. Der Halter 4 ist gegen Verdrehen um die Hochachse mit einem Stift 5 gesichert, der in einer am Gehäuse 6 angebrachten Führung 10 läuft. Eine Schraubendruckfeder 8 sorgt dafür, daß der Halter 4 in die Nullposition zu­ rückgeführt wird. Drei Schraubenzugfedern 9 stellen sicher, daß die Meß­ tastspitze 11 nach Auslenkungen in x- und/oder y-Richtung wieder in die Nullposition zurückgestellt wird. Die Meßsignale der Wegaufnehmer werden, wie in der DE-OS 35 14 309 beschrieben, dem Rechner 12 zugeführt, der die Koordinaten der Meßtastspitzenauslenkung ermittelt und ausgibt. Da jede Ausgangslage der Meßtastspitze 11 im Rechner als Nullposition definiert werden kann, kann auf spezielle Anschläge des Halters 4 verzichtet werden. Die Wegaufnehmer 7 können für hochgenaue Messungen in ihrem oberen Lager 14 spielfrei gelagert werden, weil dieses eine definierte Drehrichtung hat. Die untere Lagerung muß Kippbewegungen um die x- und um die y-Achse aufneh­ men können. Deshalb werden die Wegaufnehmer 7 am unteren Ende in Spitzen gelagert und über federnde Elemente vorgespannt. Bei der Verwendung von Schraubenzugfedern 9 empfiehlt es sich, zur Vermeidung von Biegemomenten die Elemente 7 und 9 mit Bügeln 18 fluchtend anzuordnen. Durch diese Art der Lagerung wird auch die Schrägstellung der Ferritkerne oder Tauchspulen vermieden. Das Gehäuse 6 des 3-Koordinaten-Meßtasters verfügt über eine Auf­ hängung 13 zur definierten spielfreien Montage an einer Meßanordnung.

Für die Lagerung der Kugel 1 sind, je nach Genauigkeitsanspruch, verschie­ dene Ausführungen vorgesehen:

Fig. 1 zeigt eine Gleitschalenausführung. Bei höheren Genauigkeitsanfor­ derungen ist eine Lagerung in sechs Punkten zweckmäßig, davon drei gehäuse­ seitig fest und drei Gegenlagerpunkte mit elastischer Anpressung. Ist be­ sondere Leichtläufigkeit gefordert, dann sind zwei Schrägschulterrollenlager zweckmäßig.

Das Maß L hat Einfluß auf die Meßgenauigkeit in x-, y- und z-Richtung: Bei sehr schlank ausgelegtem Gehäuse wird die Meßgenauigkeit in z-Richtung höher als in x- und y-Richtung sein. Bei entsprechender Wahl von L kann eine gleichgroße Meßgenauigkeit in allen drei Raumachsen erzielt werden.

Bei kleinen x-, y- und z-Meßbereichen können anstelle der induktiven Weg­ aufnehmer vorteilhaft drei mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) 15 bestückte Meß­ bügel 16 eingesetzt werden; (Fig. 2). Die DMS sind dabei am stark abge­ dünnten Bügelquerschnitt appliziert, so daß die Wegauslenkung an den Meß­ spitzen praktisch ausschließlich dort in elastische Verformung (meßbare Dehnung) umgesetzt wird. Die Meßbügel haben eine kleine Masse, eine durch Vorspannung spielfreie Spitzenlagerung, eine vergleichsweise kleine Bauhöhe, eine hinreichend gute Linearität und sie sind recht preisgünstig. Zur Meß­ werterfassung sind - im Gegensatz zu induktiven Aufnehmern - nicht unbedingt Trägerfrequenzmeßbrücken erforderlich. Fig. 2 zeigt eine Prinzipausführung mit DMS 15 und einer Scheibe 17 als Träger der Wegaufnehmer, sowie unter den Meßspitzen der Aufnehmer angeordnete Anschläge 19 zur Meßbereichsbegrenzung mit dazu konzentrisch angeordneten Rückstellfedern 9 und vorgespannter Ku­ gel 1.

Das Lagerspiel des Taststifts in der Kugel geht wesentlich in die Präzision der Aufspaltung der Bewegung der Meßtastspitze in die drei Wegkomponenten ein. Um es mit einfachen Mitteln, mit einem möglichst großen Kugeldurchmes­ ser, klein zu halten, wird am Ausführungsbeispiel Fig. 3 eine Modifikation der oben beschriebenen Konstruktion gezeigt, bei der die Kugel 1 mit größt­ möglichem Durchmesser oberhalb der Scheibe 17 geschützt im Gehäuse ange­ ordnet ist und den die Scheibe 17 durchdringenden Taststift 2 lagert. Die feste Lagerschale für die Kugel ist starr mit dem in der Abbildung oben liegenden Gehäusedeckel verbunden.

Das Prinzip, das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben wird, kann wegen der Genauigkeit der Führung auch für Zwecke der Qualitätssiche­ rung eingesetzt werden: In dieser Anwendung wird der Meßtastspitze, zweck­ mäßigerweise rechnergesteuert, ein x-, y- und z-aktives Bewegungsmuster aufgezwungen. Der Halter 4 ist zweckmäßig als Scheibe ausgebildet; diese trägt am äußeren Rand mit dem gleichen Abstand zur Mittellinie n Prüflinge. Da der Sollwertverlauf bekannt ist, können aus der Differenzbildung zu den Istwertverläufen sowohl Mittelwert und Streuung der Meßgenauigkeit der Prüflinge wie auch ein evtl. vorhandener systematischer Fehler nachgewie­ sen werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze in x-, y- und z-Richtung mit nachgeordneter Entkopplung und Auswertung der Meßsignale mittels Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Taststift (2) führende, im Gehäuse drehbar gelagerte Kugel (1) die Längs- und Schwenkbewegungen über einen Halter (4) auf die Wegaufneh­ mer (7) überträgt.

2. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) nach Auslen­ kung in der z-Achse durch ein Federelement zurückgestellt wird und daß nach Schwenkbewegungen der Kugel (1) eine horizontale Rückstellung des Halters (4) durch Federelemente (9) erfolgt.

3. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) gegen Ver­ drehen gegenüber dem Gehäuse (6) gesichert ist.

4. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für hochpräzise Messungen die zur Führung der Tastspitze verwendete Kugel (1) spielfrei vorge­ spannt ist.

5. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Meßbereichen Dehnungsmeßstreifen (15) als Meßwertgeber eingesetzt werden.

6. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Verschiebung einer Tastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) zur Erzie­ lung einer niedrigen Bauhöhe und zum erhöhten Schutz im Inneren des Ge­ häuses angeordnet ist.

7. Verwendung der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung für Zwecke der Qualitätssicherung oder Kalibrierung der Meßtaster, dadurch gekennzeich­ net, daß n Meßtaster im gleichen Abstand von der Hochachse (z) auf der Scheibe (17) appliziert werden und daß über die Meßtastspitze (11) eine definierte räumliche Prüfbewegung eingeleitet wird, so daß die bekannte Soll-Wertvorgabe mit n Ist-Werten vom Rechner (12) verglichen und auf Abweichungen untersucht werden kann.