DE4312579A1 - Meßmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßmaschine zum Vermessen dreidimensionaler Gegenstände mit einem Meßkopf, einer Meßkugel und einer Pinole.

Meßmaschinen werden verwendet, um im industriellen Fertigungsprozeß oder zur Qualitätssicherung Werk­ stücke hinsichtlich ihrer Abmessungen in drei Di­ mensionen zu überprüfen. Bekannt und gebräuchlich sind insbesondere Ausführungen, die das Werkstück mit einer an einem Meßkopf angebrachten Meßkugel abtasten. Der Meßkopf ist mit einer in drei Raum­ richtungen verschiebbaren Pinole starr verbunden, an der ein Ablesen der Meßwerte über inkrementale Weggeber, z. B. über Glasmaßstäbe erfolgt.

Der Nachteil der bekannten Meßmaschinen besteht darin, daß ihre Genauigkeit durch mechanische Tole­ ranzen in der Lagerung der Pinole begrenzt ist, da die Meßwerte in allen drei Raumrichtungen ver­ fälscht sind, falls die Pinole verkantet ist. Als weitere Fehlerursache können sich Ableseungenauig­ keiten addieren.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Präzision einer Meßmaschine zu ver­ größern und Ablesefehler zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens sechs Sensoren an Pinole und/oder Meßkopf angebracht sind, die den Abstand zu einer Referenzfläche bestimmen, und daß eine Auswertungs­ vorrichtung aus dem Ausgangssignal der Sensoren die räumlichen Koordinaten und die Orientierung der Pinole und/oder des Meßkopfes bestimmt und die Po­ sition der Meßkugel ermittelt.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, die durch Lagerspiel und andere Einflüsse bedingten Ab­ weichungen der Orientierung der Pinole von ihrer Soll-Lage durch den Einsatz von sechs Sensoren bei der Datenauswertung mathematisch auszugleichen, um die genaue Position des Meßkopfs bzw. einer mit diesem starr verbundenen Meßkugel zu ermitteln. Um die Lage eines starren Körpers im dreidimensionalen Raum anzugeben, sind sechs Koordinaten erforder­ lich, von denen drei die räumliche Lage und drei die verschiedenen Winkel, d. h. die Orientierung an­ geben, so daß im Ergebnis sechs Sensoren benötigt werden. Die Winkel werden zwischen einer Achse des Körpers und drei relativ zueinander senkrecht ste­ henden Achsen gemessen. Für die Lagebestimmung in jeder Raumrichtung wird dabei mindestens je ein Sensor eingesetzt, während drei Sensoren die Winkel bestimmen. Dazu können Sensoren beispielsweise auf einer starren Platte angeordnet sein und jeweils Entfernungen in derselben Richtung messen, so daß durch Auswertung die Neigungswinkel der Platte er­ mittelbar werden. Da die Sensoren Referenzpunkte zur Bestimmung der Lage im Raum benötigen, finden Referenzflächen Verwendung. Zur Meßdatenausgabe ist eine Auswertungsvorrichtung vorhanden, deren Auf­ gabe ist, aus dem Ausgangssignal der sechs Sensoren die genaue Position des Meßkopfs bzw. der mit die­ sem starr verbundenen Meßkugel zu berechnen. Dieses ist nach einfachen geometrischen Berechnungsvor­ schriften möglich und bedarf keiner näheren Erläu­ terung.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Meßgenauigkeit wesentlich vergrößert ist, da die durch das Lagerspiel und andere Einflüsse bedingten Abweichungen der Orientierung der Pinole von ihrer Soll-Orientierung in der Messung berücksichtigt sind. Nur Verformungen der Pinole oder Ungenauig­ keiten der Referenzebenen und der Meßkugel sowie Meßfehler der Sensoren reduzieren die Genauigkeit des Meßergebnisses.

Da das zu prüfende Werkstück gewöhnlich in drei Di­ mensionen abgetastet wird, ist es zweckmäßig, die Pinole auf einem zweidimensional, z. B. in der XY- Ebene, auf Schienen geführt beweglichen Meßschlit­ ten anzubringen. So kann das Werkstück in der XY- Ebene abgerastert werden, während die Pinole in der dazu senkrechten Z-Richtung bzw. allgemein in der dritten Raumrichtung gegenüber dem Meßschlitten ebenfalls verschiebbar ist, um die Meßkugel in der dritten Dimension zu bewegen und das Werkstück ab­ zutasten. Sollte der Meßschlitten Lagerspiel auf­ weisen und die Pinole schräg stehen, wird dieses durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren und die Auswertevorrichtung berücksichtigt und hat keinen Einfluß auf das Meßergebnis.

Im einzelnen bestehen bezüglich der Anordnung der Sensoren im Rahmen der Erfindung verschiedene Mög­ lichkeiten. So verwendet eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform, die sich durch Einfachheit und Präzision auszeichnet, direkt an der Pinole angebrachte Sen­ soren, um weitere Montageelemente einzusparen und mögliche Meßungenauigkeiten durch Verformungen die­ ser Montageelemente zu vermeiden.

Eine vorteilhafte Meßmaschine verwendet eine an der Pinole fixierte, in der XY-, d. h. in der horizonta­ len Ebene angeordnete Dreieckplatte. Auf ihr sind sechs Sensoren angeordnet, von denen sich drei an den Ecken des Dreiecks befinden und ihre jeweilige Position in Z-Richtung bestimmen. Aus den Meßsigna­ len der drei Sensoren wird der Abstand der Mitte der Dreieckplatte von der Referenzfläche (d. h. in Z-Richtung) und ihre Neigung gegenüber der X- und Y-Richtung errechnet. Die Lage der Mitte der Drei­ eckplatte in X- bzw. in Y-Richtung wird durch je einen weiteren Sensor gemessen, während der sechste Sensor ihren azimutalen Winkel in der XY-Ebene be­ stimmt. Dieser Winkel ist nicht von Bedeutung, falls die Meßkugel auf der Achse der Pinole ange­ ordnet ist, sollte dies, wie z. B. bei seitlich am Meßkopf angebrachten Meßkugeln, jedoch nicht der Fall sein, ist er notwendig, um aus der räumlichen Orientierung der Dreieckplatte die Position der Meßkugel und damit die genauen Abmessungen des Werkstücks zu berechnen. Die Referenzebenen der Sensoren verlaufen senkrecht zur X-, Y- bzw. Z- Richtung und sind zweckmäßigerweise miteinander in der Form einer Wanne verbunden, wodurch sich ihre Stabilität und die erreichbare Meßgenauigkeit ver­ größert.

Weiterhin bietet sich an, die Dreieckplatte am obe­ ren Ende der Pinole anzubringen, um die Meßanord­ nung räumlich vom Werkstück und vom Meßschlitten zu trennen, was die Erreichbarkeit des Werkstücks er­ leichtert und ein Verschmutzen oder gar Beschädigen der Sensoren und/oder der Reflektorflächen beim Werkstückwechsel verhindert.

Die Sensoren haben die Aufgabe, ein zum Abstand zwischen Sensor und Referenzebene proportionales elektrisches Signal zu liefern, das mit einem Ana­ log-Digitalwandler und einem Rechner weiterverar­ beitet wird. Es sind verschiedene Sensoren einsetz­ bar, von denen nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Licht- und Ultraschall-Sensoren gut geeignet sind, während sich nach optischen Prinzipien arbeitende Laser- oder Michelson-Interferometer durch beson­ ders große Genauigkeit auszeichnen. Weiterhin sind Magnet-Näherungsschalter, kapazitiv arbeitende Sen­ soren oder mit Piezo-Kristallen ausgestattete ein­ setzbar. Die Genauigkeit und ein ökonomischer Aspekt entscheiden über die am zweckmäßigsten anzu­ wendenden Sensoren.

Verwendet man optische Sensoren, wie Laser- oder Michelson-Interferometer, bietet sich zur Einspa­ rung von Lichtquellen und zur Vereinfachung der Meßmaschine eine Verbindung sämtlicher Sensoren über Lichtleiter mit einer gemeinsamen Lichtquelle an.

Eine weitere Erhöhung der Präzision der Meßmaschine läßt sich dadurch erreichen, daß eine Referenzflä­ che, insbesondere die für die Entfernungsmessung in Z-Richtung, mit einer Antriebseinheit verbunden ist, die sie nach den Seiten in der XY-Ebene ver­ schiebt. Dadurch mitteln sich eventuelle Unebenhei­ ten dieser Referenzebene heraus und die Meßgenauig­ keit ist vergrößert. Die Referenzfläche ist aus mit einer reflektierenden Schicht bedampftem Glas her­ gestellt, um ihre Masse klein und leicht verschieb­ bar zu machen. Die Verschiebung erfolgt langsam, um die Verformungskräfte gering zu halten. Selbstver­ ständlich sind die übrigen Referenzebenen zur Erhö­ hung der Präzision der Meßmaschine analog montier­ bar.

Schließlich bietet sich an, die Ausgangssignale al­ ler Sensoren im Multiplexbetrieb von einem einzigen Auswertegerät in elektrische Signale umzuwandeln, so daß durch Vereinfachung des Aufbaus erhebliche finanzielle Vorteile erzielbar werden, ohne daß spürbare Einschränkungen der Meßgeschwindigkeit auftreten. Die vom Auswertegerät gelieferten elek­ trischen Signale werden zweckmäßigerweise mit einem elektronischen Rechner ausgewertet, der mit einem geeigneten Programm, das hier keiner näheren Be­ schreibung bedarf, die genaue Position des Meß­ kopfes und der Meßkugel berechnet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird.

Sie zeigt in schematischer Darstellung eine Seiten­ ansicht einer Meßmaschine.

Der mit mehreren Meßkugeln (11) ausgerüstete, starr mit der Pinole (2) verbundene Meßkopf (1) tastet das Werkstück (9) ab. Die Pinole (2), an deren obe­ ren Ende die Dreieckplatte (7) montiert ist, und der Meßkopf (1) sind gegenüber dem an Führungs­ schienen (6) in zwei Dimensionen geführt bewegli­ chen Meßschlitten (3) vertikal verschiebbar. Zur Abtastung des Werkstücks (9) ist die Pinole (2) in den drei Raumrichtungen mit elektromotorischen, von der Auswertungsvorrichtung gesteuerten Antrieben versehen. Die an den Ecken der Dreieckplatte (7) angebrachten Sensoren (5) bestimmen den Abstand zur horizontalen Referenzebene (4), die im gezeigten Beispiel der XY-Ebene entspricht. Aus ihren Aus­ gangssignalen wird die Lage des Meßkopfs (1) in Z- Richtung und die Neigung seiner Achse in X- und Y- Richtung berechnet. Die Ausgangssignale zweier wei­ terer Sensoren (5) geben die Lage des Meßkopfs (1) in X- und Y-Richtung an, während ein sechster Sen­ sor (5) den azimutalen Drehwinkel des Meßkopfs (1) in der XY-Ebene bestimmt. Die Kombination sämtli­ cher Meßdaten wird zur präzisen Ermittlung der Lage der Meßkugel (11) verwendet. Zur schwingungsfreien Lagerung ist die Meßmaschine auf einem Unterbau (10) montiert, wobei zweckmäßigerweise Dämpfungs­ elemente zwischen Fundament und Unterbau (10) ange­ bracht sind. Die Führungsschienen (6) für den Meß­ schlitten (3) sind am Rahmen (8) angebracht, der seinerseits auf dem Unterbau (10) ruht.

Claims (9)

1. Meßmaschine zum Vermessen dreidimensionaler Ge­ genstände mit einem Meßkopf, einer Meßkugel und ei­ ner Pinole, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens sechs Sensoren (5) an Pinole (2) und/oder Meßkopf (1) angebracht sind, die den Abstand zu einer Refe­ renzfläche (4) bestimmen, und daß eine Auswertungsvorrichtung aus dem Ausgangssi­ gnal der Sensoren (5) die räumlichen Koordinaten und die Orientierung der Pinole (2) und/oder des Meßkopfes (1) bestimmt und die Position der Meßku­ gel (11) ermittelt.

2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pinole (2) mit einem Meßschlitten (3) verbunden ist, der in zwei Richtungen auf Schienen (6) verschiebbar ist und daß die Pinole (2) in der dritten Koordinate relativ zum Meß­ schlitten (3) verschiebbar ist.

3. Meßmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren (5) an der Pinole (2) montiert sind.

4. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine in der XY-Ebene angeordnete Dreieckplatte (7) mit der Pinole (2) starr verbunden ist,
daß auf der Dreieckplatte (7) sechs Sensoren (5) angeordnet sind, von denen drei an je einer Ecke angebracht sind und ihre Position in Z-Richtung messen,
daß je ein Sensor (5) seine Position in X- und Y- Richtung mißt und
daß ein sechster Sensor (5) den azimutalen Winkel der Dreieckplatte (7) in der XY-Ebene bestimmt.

5. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dreieckplatte (7) am oberen Ende der Pinole (2) befestigt ist.

6. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (5) Ultra­ schallsensoren und/oder Laserinterferometer und/oder Michelson-Interferometer und/oder Magnet- Näherungsschalter und/oder kapazitive Sensoren und/oder Piezo-Kristalle und/oder optische, nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Sensoren sind.

7. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sensoren (5) über Lichtleiter mit einer gemeinsamen Quelle verbunden sind.

8. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in der XY-Ebene an­ geordnete Referenzfläche (4) bedampftes Glas ist und mit einer eine Verschiebung in der XY-Ebene be­ wirkenden Antriebseinheit verbunden ist.

9. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswertegerät das Ausgangssignal aller Sensoren (5) im Multiplexbe­ trieb auswertet.