DE4107269A1 - Verfahren und messvorrichtung zur ermittlung von flaechennormalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Flächennormalen an einem auf einer Mehrkoordinaten-Meßma­ schine zu messenden Werkstück, wobei ein Meßtaster mit einem Oberflächenpunkt, dessen Koordinaten ermittelt wer­ den, in Berührung gebracht wird. Ferner betrifft die Er­ findung eine vorteilhafte Meßvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Werkstücke von komplexer Geometrie, insbesondere auch mit gewölbten Oberflächen, können auf Mehrkoordinaten-Meßma­ schinen gemessen werden. Üblicherweise wird dabei ein kartesisches Koordinatensystem mit den drei Raumachsen x, y, z zugrundegelegt. Als Beispiel für ein zu messendes Werkstück sei eine Fahrzeug-Rohkarosse genannt.

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der Flächennormalen an Werkstücken ergibt sich aus der lückenlosen Darstellung geometrischer Informationen bei der Verarbeitung geome­ trischer Daten. Ist beispielsweise eine Transformation von Geometrien entsprechend der Flächenorientierung er­ forderlich, so stellt die Flächennormale eine Basisinfor­ mation zu dieser Transformation dar. Oftmals werden auch zur Beschreibung von Blechteilen die geometrischen Daten, d. h. die Koordinaten einer Vielzahl von Oberflächenpunk­ ten lediglich auf einer Seite des Bleches ermittelt. Soll nun unter Berücksichtigung der Blechstärke die Geometrie auf der anderen Blechseite beschrieben werden, so wird zu dieser Transformation die Flächennormale in den jeweili­ gen Oberflächenpunkten herangezogen.

Ein bekanntes Verfahren zur Ermittlung der Flächennorma­ len basiert auf der meßtechnischen Erfassung von mehreren Punkten in unmittelbarer Nähe des zu untersuchenden Ober­ flächenpunktes. Mit diesen zusätzlich ermittelten Nach­ barpunkten werden Vektoren aufgespannt, deren Kreuzpro­ dukt eine Flächennormale ergibt. Insbesondere werden drei Nachbarpunkte zum jeweiligen Oberflächenpunkt ermittelt, wobei diese Nachbarpunkte eine Ebene definieren, deren Flächennormale mit der Flächennormalen des zu untersu­ chenden Oberflächenpunktes im wesentlichen übereinstimmt. Die Genauigkeit dieses Verfahrens wird jedoch durch die örtliche Krümmung im Bereich des zu untersuchenden Ober­ flächenpunktes beeinflußt. Insbesondere bei stark ge­ krümmten Flächen kann es dabei zu erheblichen Abweichun­ gen zwischen der tatsächlichen Flächennormalen eines Oberflächenpunktes und der auf die oben beschriebene Weise rechnerisch ermittelten Flächennormalen kommen. Da darüber hinaus das beschriebene Verfahren äußerst zeit­ aufwendig ist - schließlich müssen für jeden zu ver­ messenden Oberflächenpunkt mehrere Nachbarpunkte ermit­ telt werden - hat sich die Erfindung die Aufgabe ge­ stellt, ein demgegenüber vereinfachtes Verfahren zur Er­ mittlung von Flächennormalen aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die bei der Berührung des Meßtasters mit dem jeweiligen Oberflächen­ punkt auftretenden Reaktionskraft-Komponenten in den je­ weiligen Koordinatenrichtungen ermittelt und in Relation zum Absolutbetrag der Reaktionskraft gesetzt werden, wo­ raus sich die koordinatenbezogenen Komponenten der Flä­ chennormalen ergeben. Aus den jeweiligen Kräfteverhält­ nissen der bei der Berührung des Meßtasters mit dem Ober­ flächenpunkt auftretenden Reaktionskräfte lassen sich so­ mit einfach die Komponenten des Flächennormalen-Vektors bestimmen. Anspruch 2 beschreibt, wann vorteilhafterweise die Messung ausgelöst und das Anfahren des Meßtasters in Richtung des zu vermessenden Oberflächenpunktes beendet wird. Anspruch 3 hingegen gibt an, wie die Reaktions­ kraftkomponenten in den jeweiligen Koordinatenrichtungen ermittelt werden können. An Mehrkoordinaten-Meßmaschinen ist es bereits bekannt, den Meßtaster über eine Pendel­ stütze momentenfrei aufzuhängen und über diese Pendel­ stütze den Absolutbetrag der Reaktionskraft zu ermitteln. Die koordinatenbezogenen Reaktionskraft-Komponenten kön­ nen nun einfach gemessen werden, wenn die Pendelstütze des Meßtasters mit in Koordinatenrichtung orientierten Kraft-Meßaufnehmern versehen ist. Üblicherweise kommen hierfür Dehnungsmeßstreifen zum Einsatz.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist eine Prin­ zipskizze beigefügt, die das Meßverfahren der Einfachheit halber in einer zweidimensionalen Darstellung zeigt.

Gemessen wird ein Oberflächenpunkt 1 eines Werkstückes 2, wobei neben dessen Koordinaten x, y (im dreidimensionalen Fall: x, y, z) auch dessen Flächennormale N ermittelt werden soll. Dies soll in einem einzigen Meßvorgang er­ folgen. Zum Einsatz kommt hierzu eine Mehrkoordinaten- Meßmaschine, von der lediglich der Meßtaster 3 sowie die den Meßtaster 3 über eine Strebe 4 tragende Pendelstütze 5 dargestellt ist. An dieser Pendelstütze 5 ist der Meß­ taster 3 momentenfrei aufgehängt.

Die Pendelstütze 5 ist mit nicht gezeigten Kraft-Meßauf­ nehmern, so beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, versehen, die in der Lage sind, die beim Auftreffen des Meßtasters 3 auf dem Oberflächenpunkt 1 auftretende Reaktionskraft F_A in den jeweiligen Koordinatenrichtungen zu ermitteln. Gemessen werden somit die Reaktionskraft-Komponenten F_x F_y, und im dreidimensionalen Fall zusätzlich F_z. Setzt man nun die einzelnen Reaktionskraft-Komponenten F_x, F_v in Bezug zum Absolutbetrag der Reaktionskraft F_A, so er­ geben sich hieraus die Komponenten der Flächennormalen:

Somit ist es möglich, durch einmaliges Anfahren des Meß­ tasters 3 an den Oberflächenpunkt 1 nicht nur dessen Ko­ ordinaten, sondern zugleich auch den zugehörigen Flächen­ normalen-Vektor N mit den Komponenten n_x, n_y, n_z zu be­ stimmen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch geringen Zeitaufwand und insbesondere bei stark gekrümmten Flächen durch hohe Genauigkeit aus.

Zum Auslösen des Meßvorganges werden beim Anfahren des Meßtasters 3 bevorzugt die einzelnen Reaktionskraft-Kom­ ponenten laufend erfaßt. Überschreitet eine dieser Kompo­ nenten oder deren quadrierter Wert einen vorgegebenen Schwellwert, so wird die Messung ausgelöst und die Bewe­ gung des Meßtasters gestoppt. Die Quadratierung der ein­ zelnen Reaktionskraft-Komponenten hat dabei den Vorteil, daß auch das Quadrat des Absolutbetrages der Reaktions­ kraft F_A herangezogen werden kann, das sich andererseits durch Aufsummieren der einzelnen quadrierten Reaktions­ kraft-Komponenten ergibt.

Neben den bereits erläuterten Vorteilen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, nämlich der hohen Meßgeschwindigkeit sowie der gesteigerten Genauigkeit insbesondere bei stark gekrümmten Flächen, ist dieses Verfahren vorteilhafter­ weise an sämtlichen Mehrkoordinaten-Meßmaschinen durch­ führbar. Neben den modernen CNC-Meßmaschinen können somit auch Meßmaschinen mit manueller Meßtaster-Betätigung zum Einsatz kommen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ermittlung von Flächennormalen (N) an einem auf einer Mehrkoordinaten-Meßmaschine zu mes­ senden Werkstück (2), wobei ein Meßtaster (3) mit einem Oberflächenpunkt (1), dessen Koordinaten er­ mittelt werden, in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Berührung auftretenden Reaktionskraft-Komponenten (F_x, F_y, F_z) in den jeweiligen Koordinatenrichtungen ermittelt und in Relation zum Absolutbetrag der Reaktionskraft (F_A) gesetzt werden, woraus sich die koordinatenbe­ zogenen Komponenten (n_x, n_y, n_z) der Flächennormalen (N) ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßauslösung er­ folgt, sobald eine Reaktionskraft-Komponente oder deren quadrierter Wert einen vorgegebenen Schwell­ wert überschreitet.

3. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch an der Pendelstütze (5) des Meßtasters (3) vorgesehene, in Koordinatenrichtung orientierte Kraft-Meßaufnehmer.