DE4126337C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Vermessen von Werk­ stücken, insbesondere zur Qualitätskontrolle, - mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Solche Anlagen auch als Meßmaschinen bezeichnet. Die Werk­ stücke bilden die Meßobjekte. Da die Vermessung nach Maßgabe der Koordinaten eines mathematischen Systems, z. B. nach den drei zueinander senkrechten räumlichen Koordinaten, erfolgt spricht man auch von Koordinatenmeßmaschinen. Sie arbeiten mit einem Abstandssensor oder mit mehreren Abstandssensoren.

Bei der Anlage der eingangs beschriebenen Gattung (CH-Zeitschrift: Technica 15/16/1987, Seiten 9 bis 16) ist ein konstruktiv aufwendiges Sechsachsen-Knickarm-System vorgesehen, welches stationär angeordnet ist. Mit der insoweit bekannten Anlage kann nur die Außenkontur eines Werkstückes vermessen werden.

Bei einer anderen bekannten Anlage (DE-A 35 11 611) wird ein berührungslos arbeitender Abstandssensor längs der Werkstückkontur geführt, wobei die Ausrichtung des Abstandssensors während des Meßvorganges mit Hilfe eines Sensorprozessors und mit Hilfe eines Abtastprozessors bestimmt wird. Auch mit dieser Anlage ist nur die Vermessung der Außenkontur eines Werkstückes möglich.

Im übrigen sind Laser-Triangulationstaster an Dreh-Schwenkeinrichtungen bekannt (VDI-Z Special, Messen und Überwachen, Mai 1990, Seiten 18 bis 26).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine Vermessung von Profilen mit Außen- und Innenkontur ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit der Anlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst. - Die erfindungsgemäße Anlage umfaßt lediglich eine Linear- und zwei Rotationsachsen und hat damit einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau, der bei vorgegebener Meßfläche eine sehr kleine Bauweise der Anlage ermöglicht. Im übrigen wird zunächst die Umfahrungsbewegung des Abstandssensors um das zu vermessende Werkstück festgelegt. Dabei ist die Position des Werkstückes in der Meßebene weitgehend beliebig. Sie wird erfaßt und dem Rechner mitgeteilt. Der Rechner berücksichtigt die Position des Werkstückes, so daß zwischen der Fahrkurve und der anschließenden Meßkurve oder der Reihe der Meßpunkte die entsprechende Korrelation besteht.

Die beschriebenen Maßnahmen führen zu einer in der Meßebene liegenden ebenen Meßkurve. Die Meßebene kann zu einem Meßraum erweitert werden, wenn vorzugsweise das Fußgelenk des Lenkers zusätzlich um die gerade Verstellschiene schwenkbar sowie dieser Schwenkbewegung ein weiterer Stellmotor zugeordnet ist und wobei dadurch das Werkstück an Meßpunkten oberhalb oder unterhalb der Meßebene vermeßbar ist. Die Stellmotoren können als Schrittmotoren ausgeführt sein. Die Abstandssensoren sind vorzugsweise als Sensor einer Triangulationsmeßeinrichtung ausgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 mit den Teilfiguren a), b), c) und d) das Schema einer erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1, Teilfiguren a), mit Stellmotoren und Rechner in schematischer Darstel­ lung,

Fig. 3 mit den Teilfiguren a), b) und c), eine Erläuterung von Maßnahmen zur Ermittlung der Fahrkurve,

Fig. 4 mit den Teilfiguren a) und b) eine Erläuterung der Maßnahmen bei einer sogenannten optischen Kollision,

Fig. 5 in der Draufsicht eine zu messende Kontur mit Fahrkurve, Meßpunkten und Meßstrahlen.

Die in der Fig. 1 mit ihren Teilfiguren dargestellte Anlage dient zum Vermessen von Werkstücken, insbesondere zur ver­ messenden Qualitätskontrolle im Zuge der Fertigung oder nach der Fertigung der Werkstücke. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören zunächst ein Lenker 1 mit Lenkerfuß 2 und Lenkerkopf 3, eine gerade Verstellschiene 4 und ein berührungsloser Abstandssensor 5 mit vorgegebenem Längenmeßbereich, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Insoweit bildet der Abstandssensor 5 gleichsam einen optischen Lenker. Insoweit wird zunächst auf die Teilfiguren a), b) und c) verwiesen. Man erkennt, daß die vorstehend beschriebenen Bauteile in einer Meßebene F angeordnet sind. Die Meßebene F würde von einem in eine Werkstückaufnahme eingesetzten Werkstück W geschnitten. Die Schnittkurve definiert die zu messende Kontur 6. Insoweit wird auf die Teilfigur d) verwiesen. Diese macht gleichzeitig deutlich, daß der Lenkerfuß 2 zusätzlich um die Verstellschiene 4 schwenkbar ist.

Im folgenden werden zunächst die Teilfiguren a), b) und c) betrachtet. Man erkennt, daß der Lenkerfuß 2 mit einem Fußgelenk 7 mit zur Meßebene F orthogonaler Gelenkachse für eine entsprechende durch Doppelpfeile angedeutete Lenker­ schwenkbewegung an die Verstellschiene 4 angeschlossen und das Fußgelenk 7 auf der Verstellschiene 4 linear verstellbar ist. Man erkennt fernerhin, daß der Lenkerkopf 3 mit einem Kopfgelenk 8 versehen ist. Auch dieses besitzt eine zur Meßebene F orthogonale Gelenkachse. An dieses Kopfgelenk 8 ist der Abstandssensor 5 für eine entsprechende Sensor­ schwenkbewegung angeschlossen, die in der Teilfigur a) durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Teilfigur b) in der Fig. 1 zeigt die Stellung der beschriebenen Bauteile bei der Vermessung eines Punktes als gleichsam kleinstem Profil. Die Teilfigur c) zeigt insoweit die größtmögliche Meßfläche MF. Jeder Punkt dieser Meßfläche MF kann erreicht werden.

Die Fig. 2 zeigt den Gegenstand nach Fig. 1, Teilfigur a) mit weiteren Einzelheiten. Man erkennt, daß das Fußgelenk 7 einen Stellmotor 9 für die Lenkerschwenkbewegung sowie einen Stellmotor 10 für die lineare Verstellbewegung aufweist. Man erkennt fernerhin den Stellmotor 11 des Kopfgelenkes 8 für die Sensorschwenkbewegung.

In der Fig. 2 erkennt man fernerhin, daß den Stellmotoren 9, 10, 11 und dem Abstandssensor 5 ein Rechner 12 zugeordnet ist. Durch strichpunktierte Linien wurde angedeutet, daß der Rechner 12 mit den Stellmotoren 9, 10, 11 bzw. den Abstands­ sensor 5 auf geeignete Weise verkabelt ist. In dem Rechner 12 sind die schon definierte Modellkontur 13, eine Meßkurve oder eine Schar von Meßpunkten 14 auf der Modellkontur 13 vorgebbar. Nach Maßgabe dieser eingegebenen Größen bildet der Rechner 12 die Normalen auf der Meßkurve bzw. den Meßpunkten 14. Die Endpunkte 15 der Normalen werden nach dem vorgegebenen Längenmeßbereich des Abstandssensors 5 ver­ bunden. Auf diese Weise wird die Fahrkurve 16 für das Kopfgelenk 8 mit dem Abstandssensor 5 festgelegt. Dazu wird auf die Fig. 3 mit ihren Teilfiguren a), b) und c) verwiesen. Der Rechner 12 steuert die Stellmotoren 9, 10, 11 so, daß der Abstandssensor 5 mit seiner Schwenkachse sich mit bestimmter Bewegungsrichtung längs der Fahrkurve 16 bewegt. Die Bewegungsrichtung wurde durch Pfeile angedeutet, und zwar auch in der Fig. 5. Die auf die Meßpunkte 14 bezogenen Meßwerte des Abstandssensors 5 sind dem Rechner 12 zuführbar. Der Rechner 12 ermittelt unter Berücksichtigung der Stellwerte der Stellmotoren 9, 10, 11 die Meßwerte längs der Meßkurve oder an den Meßpunkten 14 und zeichnet diese auf.

In der Fig. 1, Teilfigur d), erkennt man, daß das Fußgelenk 7 des Lenkers 1 zusätzlich um die gerade Verstellschiene 4 schwenkbar ist. Für diese Schwenkbewegung ist ein weiterer Stellmotor 17 vorgesehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Messungen nicht nur in der Meßebene F durchgeführt werden können, sondern gleichsam in einem Meßraum. Das Werkstück W wird an Meßpunkten oberhalb und unterhalb der Meßebene F vermeßbar.

Wie schon erläutert, kann eine sogenannte optische Kollision auftreten. Dazu wird auf die Fig. 4 mit den Teilfiguren a) und b) verwiesen. Man erkennt, daß der Rechner 12 bei optischen Kollisionen, wie sie bei Werkstücken W in Form von Profilen mit Außenkontur und Innenkontur auftreten, eine Fahrkurve 16 festlegt, die an von den Normalen in Grenzen abweichende Geraden 18 angeschlossen ist. Insoweit wird auch auf die Fig. 5 verwiesen.

Detailliertere Beschreibung

Zur hohen Meßwertauflösung besitzt der Abstandsensor 5 einen kleinen Meßbereich, beispielsweise von 5 mm, aufgelöst in Hundertstelmillimeter. Die Fahrkurve 16 wird wie folgt rechnerseitig mit einem automatisierten Algorithmus ge­ neriert, wobei die zu vermessende Kontur ein beliebiger Kurvenzug sein kann: Es wird die gewünschte Dichte der Meßpunkte 14 auf der Modellkontur 13 gewählt, wie es in der Fig. 3, Teilfigur a) angedeutet wurde. Beispielsweise wird ein Zug von Meßpunkten 14 festgelegt, die voneinander einen Abstand von einem Zehntelmillimeter aufweisen. Die Lage des zu vermessenden Werkstückes W wird in der Maschine auf der Werkstückaufnahme 19 gewählt. Die Position des zu vermessen­ den Werkstückes W und damit der zu vermessenden Kontur kann grundsätzlich beliebig sein, muß aber dem Rechner 12 mitge­ teilt werden. Der Rechner 12 bildet nun in jedem der gewählten Meßpunkte 14 die Normale zur Ortstangentialen, und zwar ausgehend von der übermittelten Modellkontur 13. Die Lage dieser Normalen entspricht der des Meßstrahls des Abstandssensors 5. Ihr Auftreffpunkt auf der Modellkontur 13 und damit mehr oder weniger übereinstimmend auch auf der zu vermessenden Kontur ist ein Meßpunkt 14. Der Endpunkt 15 ist die schon besprochene Gelenkachse am Kopfgelenk 8 des Lenkerkopfes 3. Der Rechner 12 verbindet nun alle Endpunkte 15 zu einem Kurvenzug und definiert damit die Fahrkurve 16, wie es in der Fig. 3, Teilfigur c) angedeutet worden ist. Diese Fahrkurve 16 kann auch ein Polygon sein. Die beschrie­ bene Normalenbedingung, die für die Lehre der Erfindung wesentlich ist, ist gegenüber taktilen Meßwertaufnahmen eine sehr einfache. Sie ist im übrigen eindeutig. Wird, wie nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung mit einer Trian­ gulationsmeßeinrichtung als Abstandssensor 5 gearbeitet, so ergibt sich ein weiterer großer Vorteil, weil der Strahl des Abstandssensors 5, beispielsweise und vorzugsweise ein Laserstrahl, an der Oberfläche des Werkstückes W, deren Meßkontur wie beschrieben definiert ist, sehr wirksam re­ flektiert wird. Stark schwankende Reflexionsgrade an ein und demselben Werkstück W ergeben keine Meßlücke, weil alle anderen Winkel neben dem Eingerichteten nach den Gesetzen der Reflexion ausscheiden.

Wie bereits erwähnt kann bei der Genese der Fahrkurve 16 durch den Rechner 12 eine optische Kollision auftreten. Dann wird eine Abweichung von der Normalenbedingung zugelassen, wie es die Fig. 4 mit den Teilfiguren a) und b) erläutert. Der Rechner 12 führt die entsprechenden Maßnahmen aus. Er kann auch berücksichtigen, daß bei einer optischen Kollision an Kanten des Werkstückes W eine Strahlteilung auftritt, die bei der Auswertung der Messung eliminiert wird. Ein ausge­ führtes Beispiel zeigt die Fig. 5. Die algorithmischen Maßnahmen für die Auswertung der Messungen bedürfen hier nicht der Behandlung und können mit den Hilfsmitteln der modernen Rechner- und Robotertechnik sehr einfach verwirk­ licht werden.

Claims (4)

1. Anlage zum Vermessen von Werkstücken, insbesondere zur vermessenden Qualitätskontrolle - mit
einem Lenker mit Lenkerfuß und Lenkerkopf und,
einem berührungslosen Abstandssensor mit vorgegebenem Längenmeßbereich,
welche Bauteile in einer Meßebene angeordnet sind, die das zu messende, in eine Werkstückaufnahme eingesetzte Werkstück schneidet, wobei die Schnittkurve die zu vermessende Werkstückkontur definiert, wobei der Lenkerfuß mit einem Fußgelenk mit zur Meßebene orthogonaler Gelenkachse für eine entsprechende Lenkerschwenkbewegung an die Verstellschiene angeschlossen ist, wobei der Lenkerkopf mit einem Kopfgelenk mit zur Meßebene orthogonaler Gelenkachse versehen und an dieses Gelenk der Abstandssensor für eine entsprechende Sensorschwenkbewegung angeschlossen ist und wobei das Fußgelenk einen Stellmotor für die Lenkerschwenkbewegung aufweist und das Kopfgelenk mit einem Stellmotor für die Sensorschwenkbewegung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fußgelenk (7) auf einer geraden Verstellschiene (4) beweglich angeordnet ist und einen Stellmotor (10) für eine lineare Verstellbewegung aufweist, daß den Stellmotoren (9, 10, 11) für die Lenkerschwenkbewegung, die lineare Verstellbewegung sowie die Sensorschwenkbewegung und dem Abstandssensor (5) ein Rechner (12) zugeordnet ist, der in vorgewählten Meßpunkten (14) einer eingegebenen, die Werkstückkontur (6) angenähert beschriebenden Meßkurve (13) Richtungsvektoren ermittelt,
wobei die Meßpunkte (14) Anfangspunkte der Richtungsvektoren darstellen und die Richtungen der Richtungsvektoren den Normalen auf der Meßkurve in den jeweiligen Meßpunkten entsprechen und im Falle der Kollision einer Normalen mit der übrigen Meßkurve (13) ein in vorgegebenen Grenzen von der Normalen abweichende Richtung des Richtungsvektors festgelegt wird,
wobei Endpunkte der Richtungsvektoren nach dem vorgegebenen Längenmeßbereich des Abstandssensors (5) bestimmt werden und die Endpunkte Steuerpunkte einer Fahrkurve (16) für das Kopfgelenk (8) definieren,
daß mit dem Rechner (12) die Stellmotoren (9, 10, 11) für die Lenkerschwenkbewegung, die lineare Verstellbewegung und die Sensorschwenkbewegung so steuerbar sind, daß das Kopfgelenk (8) sich entlang der Fahrkurve (16) bewegt und die Ausrichtung des Abstandssensors (5) in den Ansteuerpunkten der Fahrkurve (16) jeweils den Richtungsvektoren entspricht und daß die auf die Meßpunkte (14) bezogenen Meßwerte des Abstandssensors (5) dem Rechner (12) zuführbar sind und der Rechner (12) unter Berücksichtigung der Stellwerte der Stellmotoren (9, 10, 11) die Meßwerte an den Meßpunkten (14) aufzeichnet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fußgelenk (7) des Lenkers (1) zusätzlich um die gerade Verstellschiene (4) schwenkbar sowie dieser Schwenkbewegung ein weiterer Stellmotor (17) zugeordnet ist und wobei dadurch das Werkstück (W) an Meßpunkten (14) oberhalb oder unterhalb der Meßebene vermeßbar ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren (9, 10, 11, 17) als Schrittmotoren ausgeführt sind.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren (5) als Sensoren einer Triangulationsmeßeinrichtung ausgeführt sind.