DE4001981C2 - Koordinatenmeßgerät - Google Patents

Description

Die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten wird in erster Linie durch die Qualität der Führungen bestimmt, über die der am Meßarm befestigte Tastkopf im Meßvolumen des Gerätes ver­ fahren werden kann. Zur Meßunsicherheit trägt weiter die Repro­ duzierbarkeit der Lagerung des Tastkopfes, d. h. dessen Antast­ unsicherheit bei. Bei hochwertigen Koordinatenmeßgeräten liegt die Meßunsicherheit im Bereich weniger Mikrometer.

Es ist auch bekannt, daß die dynamischen Prozesse beim Be­ schleunigen und Verfahren des Tastkopfes Schwingungen im mechanischen Aufbau des Gerätes auslösen können, die sowohl die Meßunsicherheit vergrößern und im extremen Falle sogar die Funktion des Tastkopfes soweit beeinträchtigen, daß keine Meßwerte mehr übernommen werden können.

Zur Vermeidung dieses Problemes wurden bisher zwei lege ge­ gangen:
Zum einen wurde durch eine entsprechende Formgebung der beweg­ lichen Teile des Meßgerätes versucht, Eigenschwingungen im Gerät möglichst zu unterdrücken. Außerdem wurde das gesamte Maschinenbett auf Schwingungsdämpfer gesetzt, von denen die während der Anfahr- und Abbremsvorgänge erzeugten Reaktions­ kräfte abgefangen werden.

Es hat sich nun aber herausgestellt, daß trotz dieser Maßnahmen insbesondere in dem bezogen auf seinen Durchmesser relativ langen Meßarm, an dem der Tastkopf des Gerätes befestigt ist, noch Eigenschwingungen auftreten. Insbesondere wurde gefunden, daß bei einer bzw. wenigen Frequenzen Resonanzen mit relativ hoher Amplitude auftreten können, die im Bereich des Tastkopfes betragsmäßig so groß ist, daß sie einen nennenswerten Beitrag zur Meßunsicherheit des Gerätes leistet. Dieser Fehlereinfluß wurde bisher nicht erkannt oder nicht ausreichend berücksichtigt.

Man könnte nun daran denken, durch eine andere Formgebung in Verbindung mit anderen Materialien für den Meßarm dessen störende Resonanzfrequenzen zu beseitigen. Dies ist jedoch nur mit einem relativ großen Aufwand möglich. Außerdem eignet sich diese Maßnahme nicht zur Nachrüstung von bereits fertigen Geräten.

Das europäische Patent EP 0 123 835 B1 zeigt ein handbedientes Koordinatenmeßgerät, bei dem der Taststift dadurch bewegt wird, indem ein winkelstückförmiger Meßarm entsprechend verbogen wird. Um Schwingungen des Meßarmes zu verhindern, befindet sich im inneren des Meßarms ein zähflüssiges Schmierfett, welches sich zwischen den zu bewegenden Teilen befindet und hierdurch eine schwingungsartige Bewegung verhindert.

Die US 4,635,892 zeigt ein Dämpfungssystem für Körper, wie beispielsweise Gebäude. Hierin wird das Signal eines Sensors, der die Bewegung des Gebäudes mißt, auf einen Aktuator rückgekoppelt, der gegenphasig zur Schwingung eine entsprechende Masse bewegt.

Das US-Patent US 4,282,938 zeigt eine Motorsäge mit einem Schwingungsdämpfungssystem. In einer der Ausführungsformen des Schwingungsdämpfungssystems ist ein Massekörper federnd an einer Blattfeder aufgehängt, wobei die Schwingung des Massekörpers durch Wirbelströme gedämpft wird, die durch zwei seitlich des Massekörpers abgebrachte Permanentmagneten im Massekörper induziert werden.

Das US-Patent US 3,690,414 zeigt eine Dämpfungsvorrichtung für eine Fräsmaschine, bei der mehrere unterschiedliche Massekörper über einen Spannstab aufeinander gepreßt werden, wobei die Massekörper jeweils über einen Ring aus zähelastischem Material aufeinander gelagert sind.

Das US-Patent US 2,960,189 zeigt gleichfalls eine Fräsmaschine mit einer Dämpfungsvorrichtung. Auch hierin werden in einem zu dämpfenden Ausleger mehrere Massekörper so verspannt, daß sie gegeneinander gepreßt werden, wobei sich zwischen den Massekörpern Reiblatten befinden, so daß die Massekörper bei einer Bewegung quer zur Spannrichtung von den Reibplatten gebremst und hierdurch in ihrer Schwingung gedämpft werden.

Zur Dämpfung der Schwingung in einem Koordinatenmeßgerät wurde in der Patentschrift DD 140 079 vorgeschlagen, an den schwingenden Teilen zum Verfahren des Tasters eines Koordinatenmeßgerätes einen Massekörper vorzusehen, der in allen drei Koordinatenrichtungen federnd gelagert ist. Zusätzlich befindet sich der Massekörper in einer Flüssigkeit, die die Schwingungen des Körpers dämpft. In der Druckschrift wird angeregt, die Dimensionierung der zur Lagerung des Körpers vorgesehenen Federn entsprechend so auszuführen, daß die Schwingungen in den einzelnen Koordinatenrichtungen optimal gedämpft werden können.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung für den Meßarm von Koordinatenmeßgeräten eine mit wenig Aufwand auch nachrüstbare Einrichtung vorzusehen, von der die Schwingungsamplitude des Meßarms im Bereich der Tastsysteme betragsgemäßig reduziert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnamen wird die Schwingungsamplitude des Meßarms im Bereich des Tastkopfes an einem Koordinatenmeßgerät soweit verringert, daß die im Zuge des Antastvorganges ermittelten Meßwerte mit geringerer Streuung gewonnen werden können. Außerdem kann der Antastvorgang schneller durchgeführt werden, da die von den Antrieben induzierten Vibrationen im Bereich des Tastkopfes rascher abklingen, so daß keine langen Stillstandszeiten abgewartet werden müssen, bis der Meßwert übernommen wird.

Die für die Aufhängung der Zusatzmasse vorgesehenen Elemente dienen gleichzeitig zur Führung der Zusatzmasse. Denn da hierfür Federelemente wie Federdrähte bzw. Federstäbe oder Federbleche eingesetzt werden, ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau und außerdem ist die Führung der Zusatzmasse reibungsfrei gelöst, so daß die gewünschte Dämpfung unabhängig von der Führung der Zusatzmasse eingestellt werden kann. Zu diesem Zwecke sind vorteilhaft Dämpfungseinrichtungen in Form zweier oder mehrerer, über eine viskose Flüssigkeit aneinanderreibender Platten vorgesehen oder beispielsweise eine Wirbelstrombremse. In beiden Fällen kann der gewünschte Betrag der Dämpfung durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen den Platten bzw. zwischen Magnet und metallischer Gegenfläche leicht eingestellt werden. Es ist jedoch auch möglich die Einrichtung zur Dämpfung der Bewegung der Zusatzmasse als Reibbremse auszubilden oder einen elastischen Kunststoff vorzusehen, der die bewegliche Zusatzmasse mit dem relativ dazu feststehenden Meßarm verbindet.

Eine besonders wirksame Form der Schwingungsdämpfung erhält man, wenn anstelle oder zusätzlich zu dem passiven auf Reibung basierenden Dämpfer ein aktives System gewählt wird mit einem Schwingungssensor und einem Antrieb für die bewegliche Zusatzmasse. Dann kann über einen geeigneten Regler der Antrieb so gesteuert werden, daß die Schwingung möglichst schnell abklingt.

Die im Meßarm auftretenden Resonanzen können, was die Richtung der Schwingung betrifft, bei unterschiedlichen Frequenzen liegen. Dies hängt von der Querschnittsgeometrie des Meßarmes ab. Es ist daher zweckmäßig, auch die Zusatzmasse in den beiden Richtungen quer zur Längsachse des Meßarmes beweglich aufzu­ hängen und die Steifigkeit der Aufhängung in Bezug auf diese beiden Raumrichtungen unterschiedlich zu wählen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß für die Aufhängung Feder­ stäbe gewählt werden, die einen rechteckigen Querschnitt be­ sitzen und deshalb in beiden Richtungen unterschiedlich steif sind. Des weiteren füllt die zusätzliche Feder eine Doppelfunktion aus, in dem sie einmal das Gewicht der Zusatzmasse kompensiert und zum anderen bezüglich der Vertikalen einen zusätzlichen, durch geeignete Auswahl der Feder bestimmbaren Beitrag zur Steifig­ keit der Aufhängung der Zusatzmasse liefet.

Für den Fall, daß im Meßarm Resonanzen bei mehreren ver­ schiedenen Frequenzen auftreten kann es weiterhin zweckmäßig sein eine entsprechende Anzahl von Zusatzmassen für die Dämpfung vorzusehen. Sie können dann durch eine geeignete Wahl ihrer Masse bzw. der Federkonstante ihrer Aufhängung auf die zu dämpfenden Resonanzfrequenzen abgestimmt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-7 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Koordinatenmeßgerätes in Ständerbauweise;

Fig. 2 zeigt den Meßarm (5) aus Fig. 1 mit dem daran befestigten Tastkopf (6) in vereinfachter Darstellung, teils im Schnitt, in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 ist eine Skizze, die das mechanische Ersatzmodell für zwei schwingende Massen zeigt;

Fig. 4 zeigt in nochmals vergrößerter Darstellung de­ tailliert eine konstruktive Ausführungsform der am vorderen Ende in einen Meßarm eingesetzten, ge­ dämpften Zusatzmasse;

Fig. 5 zeigt das vordere Ende des Meßarmes bei abge­ nommenem Tastkopf mit der dämpfenden Zusatzmasse im Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 und 7 sind Diagramme, in denen die Schwingungsamplitude des Meßarmes des Koordinatenmeßgerätes nach Fig. 1 ohne (Fig. 6) und mit (Fig. 7) der dämpfenden Zusatzmasse gemäß der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 8 ist eine vereinfachte Darstellung eines weiteren zu dem in Fig. 2 alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät in Ständerbau­ weise besitzt ein Führungsbett (1), auf dem der mit (2) be­ zeichnete Schlitten in X-Richtung beweglich gelagert ist. Der X-Schlitten (2) trägt die vertikale Säule (3) mit der Führung für den in Z-Richtung verschiebbaren Kreuzschieber (4) des Gerätes. Im Kreuzschieber (4) ist seinerseits der waagerecht entlang des mit (Y) bezeichneten Pfeiles verschiebbare Ausleger (5) geführt. Dieser Ausleger ist der Meßarm des Gerätes. An ihm ist über eine als Kollisionsschutz dienende, nachgiebige Halterung (6) am vorderen Ende der Tastkopf (7) des Gerätes befestigt.

Koordinatenmeßgeräte mit diesem Aufbau sind an sich bekannt.

Der Meßarm (5) besteht aus einem rechteckigen, hohlen Stahl­ profil, welches im wesentlichen zwei Resonanzfrequenzen be­ sitzt, unter denen es in den beiden Richtungen (Z) und (X) senkrecht zu seiner Längsachse (Y) schwingt. Die Eigen­ frequenzen der Schwingungen dieses Meßarms (5) liegen typisch bei foz = 22 Hz und bei fox = 11 Hz für die beiden Schwingungsrichtungen (Z) und (X).

In Fig. 6 ist der Betrag der Schwingungsamplitude der Resonanz in X-Richtung über die Frequenz dargestellt. Sie repräsentiert gleichfalls auch den Betrag der Meßunsicherheit, um den nämlich die Position des Tastkopfes (7) unbestimmt ist, wenn die Schwingung während eines Antastvorganges auftritt.

Gemäß der Erfindung sind nun folgende Abhilfemaßnahmen ergriffen:
In das vordere Ende des Meßarmes (5) direkt vor der Aufnahme (6), über die der Tastkopf (7) am Meßarm (5) befestigt ist, ist über Federstäbe (9a) und (9b) eine Zusatzmasse (8) an der mit (10) bezeichneten Zwischenwand im Meßarm (5) aufgehängt. Zwischen der Vorderseite der beweglichen Zusatzmasse (8) und der Innenfläche der Stirnseite des Meßarmes (5) verbleibt ein schmaler Spalt (11), der mit einer viskosen Flüssigkeit wie z. B. Silikonöl gefüllt ist, das dort aufgrund der Adhäsion haftet. Dies stellt die Dämpfung der Zusatzmasse dar.

Die Federkonstante der Federstäbe (9a) und (9b) und die Masse des daran aufgehängten Körpers (8) sind so gewählt, daß für das gekoppelte System bestehend aus Querarm (5) und daran beweglich aufgehängter Zusatzmasse (8) die Schwingungsamplitude über den gesamten Frequenzbereich möglichst stark gedämpft wird. Die notwendigen Werte können entweder experimentell bestimmt oder aus bekannten Formeln für die Schwingung gekoppelter Systeme berechnet werden. Hierzu geht man von dem in Fig. 2 darge­ stellten vereinfachten Ersatzmodell aus, in dem mit m₁ die Masse des schwingenden Querarmes (5) und mit m₂ die Masse des darin beweglich aufgehängten Körpers (8) bezeichnet sind. C₁ beschreibt die Elastizität des Querarmes und C₂ die Elastizität der Aufhängung der Zusatzmasse (8), d. h. die Federkonstante der beiden Federstäbe (9a) und (9b). b₁ beschreibt die Eigen­ dämpfung des Querarmes (5) und b₂ die Dämpfung, die sich über die Abmessungen des Flüssigkeitsspaltes und die Viskosität der Flüssigkeit (11) im Spalt zwischen der Zusatzmasse (8) und der Stirnseite des Querarmes (5) einstellen läßt. Zur Lösung dieses Problems können die in dem Buch "Technische Schwingungslehre" von 71. Knäbel, Teubner Studienskripten 1987, 4. Auflage auf Seite 199/200 angegebenen Formeln benutzt werden, in denen die Bewegungsgleichung für ein federgekoppeltes Zwei-Massensystem mit Dämpfung beschrieben ist.

Die konstruktive Lösung für die Aufhängung der Zusatzmasse im Querarm ist in den beiden Schnittzeichnungen nach Fig. 4 und 5 nochmals ausführlicher im Detail dargestellt. In diesen Figuren ist der im Querschnitt wie in Fig. 4 dargestellt rechteckige Meßarm mit (15) bezeichnet. Auf dessen Stirnseite ist ein in seiner Form auf den Querschnitt des Meßarmes abgestimmtes Gehäuse (22) aufgeschraubt, das die bewegliche Zusatzmasse für die Dämpfung enthält. Die vordere Abschlußplatte (22a) dieses Dämpfergehäuses besitzt Befestigungsbohrungen, an denen der in Fig. 1 mit (6) bezeichnete Kollisionsschutz für den Tastkopf (7) angesetzt werden kann.

Im Inneren des Gehäuses (22) ist die bewegliche Zusatzmasse mit Hilfe von vier Federstäben (19a-d) nach Art einer Parallelo­ grammführung gehalten. Die Zusatzmasse ist nach Art eines Sand­ wiches aus zwei Stahlplatten (13) und (14) und einem da­ zwischenliegenden Bleikern (18) aufgebaut.

Die vier Federstäbe (19a-d) sind an ihren Enden jeweils in Klemmstücken (16a-d) und (17a-d) eingespannt, wobei die Klemmstücke (16a-d) an der dem Tastkopf zugewandten Seite der Zusatzmasse, also an der Stahlplatte (13) befestigt und die Klemmstücke (17a-d) bezogen auf das Gehäuse (22) auf der Außenseite der Platte (22b) aufgeschraubt sind. Die Federstäbe (19a-d) sind durch entsprechende Bohrungen hindurchgeführt, die in die Zusatzmasse eingebracht sind.

Das Gewicht der ca. drei Kilogramm schweren Zusatzmasse ist von einer Feder (27) aufgenommen, die an einer Einstellschraube (23) in einer Gewindebuchse (24) auf der Oberseite des Gehäuses (22) vorgesehen ist. Diese Feder (27) entlastet die Federstäbe (19a-d) und verhindert ein Durchhängen der Zusatzmasse.

Außerdem sind einander gegenüberliegend auf der Außenseite der Stahlplatte (14) sowie auf der Innenseite der Gehäusewand (22b) zwei Platten (28) und (29) befestigt und der zwischen den beiden Platten verbleibende Spalt (21) mit Silikonöl gefüllt. Die Dämpfungskonstante dieses Gebildes wird durch die Fläche, die Spaltbreite und die Viskosität des Silikonöls bestimmt.

Das Ausmaß der Dämpfung läßt sich über die Spaltbreite einstellen, indem die Federstäbe (19a-d) in den Klemmstücken (17a-d) beim Einbau verschoben werden.

Die Eigenfrequenz der aus den drei Teilen (13), (14) und (18) bestehenden Zusatzmasse, sollte, um optimale Dämpfungsresultate zu erzielen, individuell auf die Resonanzfrequenz des Meßarmes abgestimmt werden können. Dies kann einmal dadurch geschehen, daß zusätzliche Massekörper angehängt werden. Hierdurch ist jedoch nur eine gestufte Abstimmung zu erreichen. Eine stufenlose Feinabstimmung läßt sich dadurch erzielen, daß die Einspannlänge der Federstäbe (19a-d) verändert wird. Hierzu sind die Federstäbe (19a-d) mit ihren Enden in den Klemmstücken (16a-d) in Spannhülsen (30a-d) aus Messing aufgenommen, die kurz gegen die Bohrungen in den Klemmstücken (16) sind und darin verschoben werden können. Auf diese Weise läßt sich die Federsteifigkeit der Stäbe (19a-d) durch Ändern der wirksamen Federlänge anpassen.

Da wie eingangs bereits erwähnt die Resonanzfrequenzen des Meßarmes unter anderem wegen seines rechteckförmigen Querschnittes in den beiden Richtungen (X) und (Z) senkrecht zu seiner Längsachse (Y) unterschiedlich sind, sollte auch die Eigenfrequenz der Zusatzmasse in Bezug auf diese beiden Richtungen unterschiedlich eingestellt werden können. Über die Masse selbst kann dieses nicht geschehen. Es ist jedoch möglich, die Federsteifigkeit der Aufhängung in der Vertikalen unabhängig von der Federsteifigkeit in X-Richtung über die zusätzliche Feder (27) einzustellen.

Im Diagramm nach Fig. 7 ist nun die Amplitude der Schwingungen am Ende des Meßarmes mit der in Fig. 4 bzw. 5 beschriebenen, beweglichen Zusatzmasse von drei Kilogramm über die Frequenz dargestellt. Man sieht, daß in Vergleich zu Fig. 6 die Resonanzüberhöhung deutlich gedämpft ist und die Schwingungsamplitude etwa um den Faktor 5 niedriger liegt.

Mit den beschriebenen Maßnahmen ist es möglich, die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten nochmals zu verbessern.

Es ist klar, daß die für den waagerechten Meßarm (Ausleger) eines Koordinatenmeßgerätes in Ständerbauweise beschriebene Lösung natürlich auch für Koordinatenmeßgeräte anderen Typs benutzt werden kann beispielsweise für die vertikale Pinole von Maschinen in Portalbauweise.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist die Einrichtung zur Dämpfung der Schwingung der dort mit (108) bezeichneten Zusatzmasse durch ein aktives System ergänzt.

Die Zusatzmasse (108) ist ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 über Federstäbe (109a) und (109b) beweglich an dem Trägerteil (110) des Meßarms aufgehängt. Eine Feder (107) dient zur Gewichtsentlastung der Zusatzmasse (108). Außerdem ist in den Spalt (111) zwischen der Vorderseite der Zusatzmasse (108) und der Stirnseite des Meßarms eine viskose Flüssigkeit für die passive Dämpfung eingefüllt.

Das aktive System besteht aus einem Linearantrieb in Form einer Tauchspule (113) am unteren Teil der Zusatzmasse (108) und einem im Gehäuse (112) für die Zusatzmasse angeordneten Schwingungssensor (114), der die zu dämpfende Schwingung des Meßarms erfaßt und ein dem Momentanwert der Schwingungs­ bewegung proportionales Signal abgibt.

Der Sensor (114) und der Antrieb (113) sind mit einem Regler (115) verbunden. Dieser Regler (115) betreibt den Antrieb (113) so, daß die Schwingung möglichst schnell abklingt, indem er die Zusatzmasse (108) phasenverschoben zu ihrer durch die Schwingungen hervorgerufenen Bewegung relativ zum Messarm beschleunigt. Aufgrund der durch das aktive System aufge­ brachten, zusätzlich von außen zugeführten Energie lassen sich die Schwingungen des Meßarms wirksamer und vor allem rascher unterdrücken als mit einem rein passiv auf Reibung basierenden System.

Claims (9)

1. Koordinatenmeßgerät mit einem Meßarm, an dem ein Tastkopf befestigt ist, wobei an dem Meßarm (5; 15) in der Nähe der Aufnahme (6) zur Befestigung des Tastkopfes (7) mindestens eine Zusatzmasse (8; 18) beweglich am Meßarm aufgehängt und eine Einrichtung (11; 21) zur Dämpfung der Bewegung der Zusatzmasse vorgesehen ist, und wobei für die Aufhängung der Zusatzmasse Elemente (9; 19) vorgesehen sind, die zur Führung der Zusatzmasse in beiden Richtungen (X, Z) quer zur Längsachse (Y) des Meßarms (5; 15) dienen, wobei die Elemente mehrere, parallel angeordnete Federdrähte bzw. Federstäbe (19a-d) oder Federbleche sind, sowie wenigstens eine zusätzliche Feder (27) vorgesehen ist, die das Gewicht der Zusatzmasse aufnimmt, um ein Durchhängen der Zusatzmasse zu verhindern.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Dämpfung der Bewegung aus zwei oder mehreren Platten (28, 29) besteht, zwischen denen sich eine viskose Flüssigkeit (21) befindet.

3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Platten (28, 29) einstellbar ist.

4. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Dämpfung der Bewegung eine Wirbelstrombremse oder eine Reibbremse ist.

5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Bewegung der Zusatzmasse ein elastischer Kunststoff vorgesehen ist.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zusatzmassen am Meßarm aufgehängt sind und die Massen oder die Federkonstante ihrer Aufhängung unterschiedlich sind.

7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit (Federkonstante) der Aufhängung der Zusatzmasse (8, 18) in Bezug auf die beiden Räumrichtungen (X, Z) unterschiedlich ist.

8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Dämpfung einen Schwingungssensor (114) und einen Antrieb (113) für die Zusatzmasse (108) enthält sowie eine Regeleinrichtung (115), die den Antrieb abhängig von den Signalen des Sensors betreibt.

9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (114) ein Linearantrieb, vorzugsweise ein Tauchspulenantrieb ist.