DE4238139C2 - Koordinatenmeßgerät - Google Patents
KoordinatenmeßgerätInfo
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Description
Koordinatenmeßgeräte gibt es heute in verschiedenen
Bauformen und Automatisierungsstufen. Neben den CNC-
gesteuerten Geräten, die automatisch gesteuert komplexe
Meßprogramme an den verschiedensten Werkstücken abarbeiten,
sind auch sogenannte manuelle, d. h. nicht oder nur zum Teil
motorisierte Koordinatenmeßgeräte in Gebrauch. Bei diesen
Geräten führt die Bedienperson den Taster mit der Hand an
die zu vermessenden Stellen des Werkstücks.
Obwohl die letztgenannten Geräte meist luftgelagert sind
und die zu führenden beweglichen Massen durch entsprechende
konstruktive Auslegung soweit als möglich minimiert sind,
muß doch die Bedienperson zur Beschleunigung und
Verzögerung der Meßschlitten der Maschine noch teils
erhebliche Kräfte aufbringen, um die Massenträgheit zu
überwinden. Wenn diese Kräfte in der Nähe des Tasters
eingeleitet werden, haben sie eine Deformation des
Maschinenkoordinatensystems und damit oft große Meßfehler
zur Folge. Setzt man beispielsweise zum Zwecke der
Formprüfung in solche handgeführten Koordinatenmeßgeräte
starre Taster ein und fährt damit bei laufender
Meßpunktübernahme kontinuierlich an einem Geometrieelement,
d. h. einer Fläche oder einer Bohrungsinnenwand entlang, so
können auf diese Weise zwar sehr schnell, ohne großen
Aufwand und sehr elegant sehr viele Meßpunkte (z. B. tausend
Punkte in einer Bohrung von 50 mm Durchmesser in zwei bis
drei Sekunden) aufgenommen werden. Es treten jedoch
aufgrund der oben geschilderten Reaktionskräfte abhängig
vom Geschick des Bedieners und der Steifheit des Tasters
Meßfehler zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Man hat versucht, diese Fehler dadurch zu beseitigen, daß
die Maschine möglichst nicht am Meßarm (Pinole) geführt
wird, sondern an dem sie tragenden Querschlitten. Dann muß
jedoch die Pinole entweder motorisiert werden, oder mit
beiden Händen bedient werden. Gleiches gilt für den Ersatz
des starren Tasters durch einen elektronischen Taster mit
dem Ziel, die auf das Werkstück ausgeübten Meßkräfte klein
zu halten. Dies bedeutet außerdem einen erheblichen
Mehraufwand und gestattet nur die Aufnahme von
Einzelpunkten.
Das an sich sehr elegante Verfahren der Erfassung der
Werkstückgeometrie durch Abscannen mit einem starten Taster
wird auf handgeführten Koordinatenmeßgeräten deshalb heute
nur beim Messen von ebenen Kurven mit weniger hohen
Genauigkeitsansprüchen eingesetzt.
In der GB-PS 14 98 009 ist ein Koordinatenmeßgerät
beschrieben, dessen Taster über hintereinandergeschaltete
Drehachsen in mehreren Raumrichtungen beweglich gelagert
ist. Mit dem bekannten Gerät ist es jedoch relativ
schwierig und mit Aufwand verbunden, wenn Geometrieelemente
wie z. B. Bohrungen, Flächen abgescannt werden sollen, deren
Symmetrieachse winklig zu den beiden beabstandeten
vertikalen Drehachsen des Gerätes liegt.
In der DE 37 17 459 A1 ist ein handgeführtes
Koordinatenmessgerät gezeigt, dessen Taster an einer
Ständermechanik geführt ist. Die Ständermechanik weist
einen vertikal ausgerichteten Ständer auf, an dem in
vertikaler Richtung ein Schlitten verfahrbar ist. Der
Schlitten wiederum lagert einen horizontal ausgerichteten
Messarm beweglich in horizontaler Richtung, wobei am Ende
des Messarms der Taster befestigt ist. Die Ständermechanik
ist auf der Messtischoberfläche beweglich gelagert, wobei
die Position der Ständermechanik über einen oder mehrere
Gelenkarme bestimmt wird. Aus der Winkelstellung und/oder
der Auszuglänge des Gelenkarms bzw. der Gelenkarme wird die
horizontale Position errechnet.
In der DE 33 10 345 A1 ist in einer ersten Ausführungsform
ein handgeführtes Koordinatenmessgerät beschrieben, dessen
Taster über eine Vielzahl von hintereinanderliegenden
Gelenkarmen beweglich gelagert ist. Die Drehachsen der
Gelenkarme sind in unterschiedlichen Richtungen
ausgerichtet, sodass der Taster unterschiedlich
ausgerichtet werden kann. Das Werkstück wird von einer
zangenartigen Halterung gehalten.
In einer zweiten Ausführungsform der DE 33 10 345 A1 ist
ein handgeführtes Koordinatenmessgerät gezeigt, bei dem der
Taster an einer Mechanik in vertikaler Richtung
verschieblich gelagert ist. Die Mechanik ist auf einer
Messtischoberfläche beweglich gelagert, wobei die Position
der Mechanik aus den Winkelstellungen eines
Parallelogrammgestänges bestimmt wird.
Die DE 39 14 489 A1 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit
einem auf einem Messtisch verschieblich gelagerten Ständer,
an dem vertikal verschieblich ein Taster gelagert ist. Die
Position des Ständers wird aus der gemessenen Entfernung
und/oder der Winkelstellung gegenüber wenigstens einem am
Rande des Messtisches aufgebauten Referenzpunkt bestimmt.
Die US 4,807,152 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einem
Drehtisch und einer Ständermechanik, mit einem vertikalen
Ständer, der einen Schlitten in vertikaler Richtung
verschieblich lagert.
Der Schlitten wiederum lagert einen horizontalen Messarm in
horizontaler Richtung verschieblich, wobei am Ende des
Messarms eine Sensorik befestigt ist. Die Sensorik weist
einen Taster auf, dessen Längsachse in einem Winkel von 45°
zu einer Drehachse eines Drehgelenkes steht und so mit dem
Drehgelenk verbunden ist, dass sich der Taster durch
Drehung um das Drehgelenk in eine vertikale Ausrichtung und
eine horizontale Ausrichtung schwenken lässt, wobei sich
die Spitze des Tasters unabhängig von der Drehstellung
immer im selben Punkt befindet.
Die US 4,731,934 zeigt ein Koordinatenmeßgerät mit einem
Drehtisch, dessen Werkstückauflage auf drei Auflagepunkten
lagert, wobei die Höhe zweier dieser Auflagepunkte
höhenverstellbar ist, um ein zu vermessendes Werkstück zur
Drehtischachse zentrieren zu können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Koordinatenmeßgerät zu schaffen, das es gestattet, in der
Betriebsart handgeführtes Abscannen mit starren Tastern
eine Meßgenauigkeit von wenigen µm ohne besondere
Anforderung an die Bedienperson zu erreichen. Das Gerät
sollte außerdem einfach aufgebaut und leicht zu bedienen
und für das Messen von unterschiedlich ausgerichteten
Geometrieelementen geeignet sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Koordinatenmeßgerät mit den in
Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Mit dem neuen Koordinatenmeßgerät können sehr schnell hohe
Meßpunktzahlen mit guter Genauigkeit erfaßt werden. Die
Ausrichtung der Symmetrieachsen der Geometrieelemente zur
Tasterachse erfolgt rasch und einfach mit Hilfe des dreh-
und kippbaren Werkstücktisches des Gerätes. Dieser weist
zweckmäßig mit dem Taster antastbare Zentrierelemente auf,
so daß die Lage des Werkstücks nach jeder Neuorientierung
ohne weitere bzw. zusätzliche Meßmittel allein mit Hilfe
des Tasters des Koordinatenmeßgerätes bestimmt werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht des neuen
Koordinatenmeßgerätes;
Fig. 2 zeigt das Koordinatenmeßgerät aus Fig. 1 in der
Ansicht von vorne;
Fig. 3 zeigt das Koordinatenmeßgerät nach Fig. 1 in der
Aufsicht.
Das in den Figuren dargestellte Koordinatenmeßgerät besitzt
einen Grundkörper (1) von in der Aufsicht etwa
gabelförmiger Gestalt, auf den eine vertikale Säule (2)
aufgesetzt ist. Die Säule (2) ist nach Art eines
Höhenmeßgerätes aufgebaut und besitzt eine Spindel (3), die
über einen Motor (27) und ein Getriebe (28) einen in der
Säule (2) vertikal verschieblichen Träger (4) antreibt. Zur
Messung der vertikalen Position des Trägers (4) sind in der
Säule (3) ein Inkrementalmaßstab (13) und ein
photoelektrischer Lesekopf (14) am Träger (4) vorgesehen.
Der Träger (4) besitzt in der Seitenansicht U-förmige
Gestalt. Die beiden Schenkel des "U" enthalten Lager für
eine vertikale Achse (6), über die ein erstes Hebelteil (5)
in der Waagerechten verschwenkt werden kann. Die
Schwenkbewegung wird mit einem auf die Achse gesetzten
Teilkreis (16) und einem photoelektrischen Gebersystem (15)
erfaßt. Am Ende des Hebelteils (5) ist über eine zweite,
zur vertikalen Achse (6) parallele Achse (8) ein zweites
Hebelteil (7) ebenfalls drehbar gelagert. Zur Erfassung der
Drehbewegung dieser zweiten Drehachse (8) dient ein
Teilkreis (18) in Verbindung mit einem Lesekopf (17). Die
beiden Drehachsen (6) und (8) sind zu einander beabstandet
und etwa vertikal ausgerichtet.
Das zweite Hebelteil (7) ist in Form eines
Federparallelogramms (9a, 9b) ausgebildet, an dessen
vorderen Ende der Träger (10) für einen starren Taststift
(11) angelenkt ist. Mit diesem Federparallelogramm (9a/9b)
ist der Taster (11) in der Vertikalen beweglich. Aus
Gründen der besseren Übersicht sind die
Gewichtsausgleichssysteme, von denen das
Federparallelogramm (9a, 9b) in waagerechter Ausrichtung
gehalten wird, hier ebensowenig dargestellt wie zusätzliche
Mittel, mit denen das Federparallelogramm in z. B. seiner
Mittellage geklemmt werden kann. Natürlich kann an dieser
Stelle statt eines Federparallelogramms auch eine andere
Art von Linearführung eingesetzt werden.
Die beweglichen Teile (5, 7 und 10) bestehen aus z. B.
kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) und besitzen deshalb
eine sehr geringe Masse bei hoher Stabilität des Aufbaues
bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegen thermische
Effekte.
Die Auslenkung des Tasters (11) in der Vertikalen wird von
einem in der Figur vereinfacht dargestellten
photoelektrischen Meßsystem bestehend aus Maßstab (23) und
Lesekopf (24) erfaßt. Es kann an dieser Stelle jedoch auch
ohne weiteres z. B. ein Induktivtaster eingesetzt werden.
Das Ausgangssignal dieses Meßsystems (23/24) dient unter
anderem zur Ansteuerung des Motors (27) für den
Vertikalantrieb des Trägers (4). Das Meßsystem (23/24) ist
zu diesem Zweck mit der Elektronikeinheit (25) des
Koordinatenmeßgerätes verbunden, der außerdem die Signale
der beiden Winkelmeßsysteme (15/16) und (17/18) sowie das
Signal des die Vertikalverschiebung des Trägers (4)
messenden inkrementalen Meßsystems (13/14) zugeführt sind.
Aus den Signalen der Meßsysteme (13-16, 23/24) bildet die
Elektronikeinheit (25) außerdem Positionskoordinaten für
die Meßachsen, die an den Rechner (26) des Geräts
übermittelt und dort in an sich bekannter Weise
weiterverarbeitet werden. Z. B. zur Berechnung der Position
der Tastkugel (12) im Werkstückkoordinatensystem.
Wird nun der Taster (11) manuell aus der Nullage des
Meßsystems (23/24) bewegt, so verschiebt der Motor (27) den
Träger (4) und damit die Aufhängung des Tasters (11)
solange gleichsinnig in der Höhe, bis das Meßsystem (23/24)
sich wieder in seiner Nullage befindet. Auf diese Weise
treten beim Bewegen des Tasters im Zuge der Scanbewegung
kaum Reaktionskräfte in z-Richtung auf. Reaktionskräfte in
der horizontalen Ebene x, y sind infolge der leichtgängigen
Gelenkanordnung und der äußerst geringen Masse der zu
bewegenden Teile (5-11) ebenfalls sehr gering.
Die beiden Schenkel des gabelförmigen Grundgestells (1) des
Gerätes enthalten die Lager (39a, 39b) für eine waagerechte
Kippachse (19), mittels der ein Träger (20) für den
Werkstücktisch des Gerätes gelagert ist. Die Aufspannplatte
(21) des Werkstücktisches ist außerdem um eine zur
waagerechten Kippachse (19) senkrechte Achse (29) im Träger
(20) drehbar gelagert. Mit dem so gebildeten Dreh-Kipptisch
läßt sich das darauf gespannte Werkstück (22) in
verschiedene Stellungen im Raum ausrichten und zwar so, daß
die verschiedenen durch Abscannen zu vermessenden
Geometrieelemente mit der Tasterachse fluchten. Um die
Ausrichtung des Werkstücks in alle möglichen Raumrichtungen
sicherzustellen, kann noch eine dritte Achse, eine
Schwenkachse vorgesehen sein, die senkrecht zu den Achsen
(19) und (29) ausgerichtet ist. Diese Schwenkachse kann
auch in eine Montageplatte integriert werden, auf der das
Werkstück außerhalb des Gerätes gespannt wird, und die dann
mit dem Werkstück auf dem Dreh-Kipp-Tisch fixiert wird.
Beispielsweise ist für das Abscannen der Bohrung (30) der
Werkstücktisch in die gestrichelt gezeichnete Stellung zu
kippen, in der die Symmetrieachse der Bohrung parallel zur
Taststiftlängsachse ausgerichtet ist. Die Bohrungsinnenwand
kann dann in einer waagerechten Ebene unter dauernder
Anlage der Tastkugel (12) an der Bohrungsinnenwand
abgefahren werden, ohne daß der Tasterschaft an die
Bohrungswand anstößt.
Der Dreh-Kipptisch (20/21) des Gerätes ist aus z. B.
Keramikformteilen aufgebaut, die eine hohe Stabilität und
Tragkraft bei geringer thermischer Empfindlichkeit
besitzen.
Die drehbare Aufspannplatte (21) des Werkstücktisch bildet
mit dem Unterteil (20) des Tisches geradlinige Kanten und
trägt außerdem an allen vier Stirnseiten V-förmige Nuten
(31). Diese Nuten können wie in Fig. 2a dargestellt zur
Bestimmung der Werkstücklage mit der Tastkugel (12) bzw.
(12a) mit kleinerem Durchmesser angetastet und abgefahren
werden.
Damit die Kipplage des Tisches (20) auch dann bestimmt
werden kann, wenn der Tisch um einen relativ großen Winkel
von bis zu 90° nach vorn gekippt ist, sind zusätzlich an
der Rückseite des Tisches (20) ein paar Nuten (32)
angebracht, die in der gekippten Tischstellung dann gut mit
dem Taster (11) erreichbar sind.
Sollen auf dem in den Figuren dargestellten
Koordinatenmeßgeräten im manuellen Betrieb, d. h. mit dem
handgeführten starren Taster (11) Formprüfungen am
Werkstück (22) vorgenommen werden, so geht man
folgendermaßen vor:
Zuerst wird das Werkstück (22) hinsichtlich seiner zu vermessenden Geometrieelemente, in diesem Falle beispielsweise der zu vermessenden Bohrung (30), mit Hilfe des Dreh-Kipptisches so ausgerichtet, daß die Bohrungsachse in etwa parallel zur Tasterlängsachse ausgerichtet ist. Hierzu wird der Dreh-Kipptisch in die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Stellung gebracht und in dieser Stellung werden die Achsen (19) und (29) des Tisches mit Hilfe von nicht näher dargestellten Einrichtungen geklemmt.
Zuerst wird das Werkstück (22) hinsichtlich seiner zu vermessenden Geometrieelemente, in diesem Falle beispielsweise der zu vermessenden Bohrung (30), mit Hilfe des Dreh-Kipptisches so ausgerichtet, daß die Bohrungsachse in etwa parallel zur Tasterlängsachse ausgerichtet ist. Hierzu wird der Dreh-Kipptisch in die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Stellung gebracht und in dieser Stellung werden die Achsen (19) und (29) des Tisches mit Hilfe von nicht näher dargestellten Einrichtungen geklemmt.
Anschließend wird die Bohrung (30) abgescannt und hierbei
werden eine Vielzahl von Meßwerten der vorgenannten
Meßsysteme vom Rechner (26) für die Formprüfung
verarbeitet.
Sollen weitere Geometrieelemente an dem Werkstück in Bezug
auf die Bohrung (30) vermessen werden, welche in einer
anderen Ebene bzw. auf einer anderen Seite des Werkstücks
liegen, so wird anschließend die Raumlage des Dreh-
Kipptisches bestimmt, indem die Tastkugel (12) in den Nuten
an der Aufspannplatte (21) in mindestens zwei Richtungen
bzw. an mindestens zwei Seiten entlanggeführt wird. Der
Rechner (26) des Koordinatenmeßgerätes bestimmt hierbei aus
den beiden gemessenen Geraden die Raumlage der Platte (21)
und damit des Werkstücks (22).
Die Werkstücklage wird dann mit Hilfe des Dreh-Kipp-Tisches
so verändert, daß der Taster (11) senkrecht zur nächsten
Meßebene bzw. parallel zur nächsten Bohrungsachse steht.
Die veränderte Lage der Platte (21) wird dann, wie vorher
beschrieben erneut bestimmt. Damit ist der Anschluß der
Werkstückkoordinatensysteme in den unterschiedllich
gekippten bzw. gedrehten Stellungen gewährleistet, ohne daß
für die Reproduzierbarkeit bzw. Genauigkeit der Lagerung
der beiden Achsen (19) und (29) des Dreh-Kipptisches
Aufwand getrieben werden müßte und ohne daß zur Bestimmung
der Achslage zusätzliche Meßsysteme eingesetzt werden
müßten.
Danach werden die beschriebenen Meßvorgänge für
Geometrieelemente mit anderer Orientierung ihrer
Symmetrieachsen wiederholt.
Das vorstehend beschriebene Koordinatenmeßgerät ist für den
manuellen Betrieb konzipiert. Es ist jedoch ebenfalls
möglich, es ganz oder teilweise zu motorisieren, indem
beispielsweise auf die Achsen (6) und (8) Schneckengetriebe
gesetzt werden und statt des starren Tasters (11) ein
elektronischer Taster mit einem in mindestens zwei
Koordinten auslenkbaren Taststift verwendet wird.
Auch können anstelle der Winkelmeßsysteme (15/16) und
(17/18) zur Messung der Position des Tasters in der
horizontalen Ebene stattdessen andere Meßsysteme eingesetzt
werden, beispielsweise solche, die die Position des Tasters
von mindestens zwei beabstandeten ortsfesten Stellungen aus
anmessen. Derartige Meßsysteme sind beispielsweise in der
US-PS 4 961 267 beschrieben.
Es ist weiterhin möglich, das Koordinatenmeßgerät nicht als
separates Einzelgerät auszuführen, sondern zur Messung
direkt im Fertigungsbereich an Werkzeugmaschinen anzubauen.
Claims (11)
1. Koordinatenmeßgerät, dessen Taster (11/12) über
hintereinander geschaltete, zueinander parallele
Drehachsen (6, 8) in mehreren Freiheitsgraden leicht
beweglich gelagert ist, wobei die Tasterlängsachse
etwa parallel zu den Drehachsen (6, 8) ausgerichtet
ist und wobei das Gerät einen Werkstücktisch (21)
besitzt, der mindestens um eine Achse (29) drehbar
und mindestens um eine Achse (19) kippbar ist.
2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der Taster
(11/12) über zwei zueinander parallele Drehachsen (6,
8) geführt ist, denen Einrichtungen (15-18) zur
Erfassung der Drehbewegung zugeordnet sind.
3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei Meßsysteme
vorgesehen sind, die die Position des Tasters von
mindestens zwei ortsfesten, beabstandeten Stellungen
aus anmessen.
4. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der Taster
(11/12) manuell in der Vertikalen auslenkbar ist und
die Drehachsen (6, 8) an einem motorisch
höhenverstellbaren Träger (4) befestigt sind.
5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 4 mit einer
Regeleinrichtung (25), die mit einer Einrichtung
(23/24) zur Erfassung der Tasterauslenkung und mit
einem Antrieb (27/28) verbunden ist, derart, daß die
manuelle Auslenkung des Tasters (11) durch motorisches
Verfahren des Trägers (4) rückgestellt wird.
6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der Taster
ein elektronischer Taster mit auslenkbarem Taststift
ist.
7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der
Werkstücktisch (21) mit dem Taster (11/12) antastbare
Zentrierelemente (Nuten 31, 32) aufweist.
8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die
beweglichen Teile (5, 7, 10) zumindest teilweise aus
kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder Invar
bestehen.
9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der
Werkstücktisch (20/21) aus Keramikformteilen aufgebaut
ist.
10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der Taster
ein starrer Taststift (11/12) ist, der über eine
Linearführung (9a, b) in der Vertikalen auslenkbar
ist.
11. Verfahren zur Koordinatenmessung an Werkstücken (22)
unter Verwendung eines handgeführten
Koordinatenmeßgerätes, dessen Taster (11/12) in eine
vorgegebene Raumrichtung ausgerichtet ist und das mit
einem dreh- bzw. kippbaren Werkstücktisch (20/21)
ausgerüstet ist, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
- a) Das Werkstück (22) wird hinsichtlich seiner zu vermessenden Geometrieelemente (30) mit Hilfe des Dreh-Kipptisches (20/21) so ausgerichtet, daß die Symmetrieachsen der Geometrieelemente parallel zur Tasterachse liegen,
- b) die Geometrieelemente (30) werden mit dem handgeführten Taster unter dauernder Tasteranlage am Werkstück abgefahren (gescannt).
- c) die Raumlage des Dreh-Kipptisches wird durch Antasten bzw. Abfahren von Zentrierelementen (31/32) am Dreh-Kipptisch mit dem Taster (11/12) des Koordinatenmeßgerätes bestimmt,
- d) Die Verfahrensschritte a-c werden für Geometrieelemente mit anderer Orientierung ihrer Symmetrieachsen, gegebenenfalls auch mehrfach, wiederholt.
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