DE4313458C2 - 3-D-Koordinaten-Meßmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 3-D-Koordinaten-Meßma­ schine mit einem Meßtisch, einem darüber angeordne­ ten Gestell, das oberhalb des Meßtisches einen rechteckförmigen Rahmen bildet, und einer Pinole, an deren äußerem Ende sich ein Meßkopf befindet, die in der X-Y-Ebene parallel zum Meßtisch mit ei­ nem Antriebskreuz, das über vier Kreuzschlitten in Führungen horizontal beweglich ist, mit Antrieben verschiebbar angebracht und in der dazu senkrechten Z-Richtung verstellbar ist, wobei die Position des Meßkopfes mittels Maßstäben bestimmbar ist.

Meßmaschinen in Brücken-, Portal- oder Auslegearm­ konstruktionen entsprechen dem üblichen Aufbau und sind deshalb allgemein bekannt. Hierbei sind für eine Meßachse die Meßeinrichtungen am Umfang des Maschinentisches anbracht. Der Antrieb im Bereich des Randes des Tisches bedeutet, daß die zur Bewe­ gung mit Hilfe des Antriebes aufgebrachte Kraft au­ ßerhalb des Schwerpunktes angreift und zur Entste­ hung von Drehmomenten Anlaß gibt, die ihrerseits zu Durchbiegungen, Schwingungen und anderen Verstel­ lungen und Veränderungen Anlaß geben. Das Ergebnis sind Ungenauigkeiten und Verschlechterungen der Meßresultate.

Aus der DE 38 26 783 C1 ist eine Vorrichtung be­ kannt, bei der ein Gestell oberhalb des Meßtisches einen rechteckigen Rahmen bildet, in dem ein kreuz­ förmiges Antriebs- und Meßsystem in horizontaler Richtung verschiebbar ist. An ihm ist die in Z-Ko­ ordinate arbeitende Pinole angebracht, an deren äu­ ßerem Ende der Meßkopf befestigt ist und die senk­ recht zur horizontalen Ebene verläuft. Hierbei wer­ den die Verschiebungswege mittels parallel zu den Führungsbahnen angeordneten Maßstäben erfaßt. Auch hier wird versucht, einzelne Komponenten der 3-D- Meßmaschine in ihrem Schwerpunkt anzutreiben, um Meßungenauigkeiten zu vermeiden.

Ferner beschreiben die Druckschriften US 49 10 446 und US 50 12 587 3D-Koordinaten-Meßmaschinen, bei denen der Antrieb des Meßkopfes sowie die Bestim­ mung seiner Position an voneinander getrennten Füh­ rungen erfolgt, damit Verformungen des Antriebssy­ stems keine Meßfehler zur Folge haben. Um eine Ein­ schränkung der Bewegbarkeit des Meßkopfes zu ver­ meiden, ist es jedoch bei beiden Vorrichtungen er­ forderlich, die Führungen von Antriebs- und Meßsy­ stem gegeneinander versetzt oder zum Meßkopfasym­ metrisch anzuordnen, so daß der Antrieb außerhalb des Schwerpunktes erfolgt. Erhöhte Verformungen während des Meßvorgangs sind die nachteilige Folge, die im Fall der US 49 10 446 durch eine aufwendige Kompensation ausgeglichen wird.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei­ terentwicklung derartiger 3-D-Koordinaten-Meßma­ schinen dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß eine präzise Messung durch weitestgehenden Ausschluß von in der Maschinen entstehenden Kräften oder doch zumindest der Übertragung auf die Meßeinheit sichergestellt ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merk­ male.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist in mehrerer Hinsicht in entscheidender Weise gegenüber dem Stande der Technik verbessert:

Zunächst wird ein Gestell, das sich im Sinne eines über den Maschinentisch erstreckender Teil des ge­ samten Maschinenrahmens definiert, aus auf vier quadratisch oder rechteckförmig Pfeilern angeordne­ ter horizontaler Führungen erzeugt.

Die Antriebsebene wird durch ein Kreuz gebildet, dessen einzelne Arme über insgesamt vier Schlitten in einer in der Horizontalen verlaufenden und die X-, Y-Koordinate darstellenden Ebene bewegt und verschoben werden. Im Zentrum des Antriebskreuzes ist die die Z-Richtung erfassende Pinole befestigt, die in der Mitte des Führungskreuzes geführt ist.

Um das Zentrum des Antriebskreuzes sind drei Motoren, die jeweils dem Antrieb in einer Koordinate dienen, so angeordnet, daß der Schwerpunkt im Zentrum erhalten bleibt. Demnach be­ tätigt einer der Motoren die Pinole in der Z-Rich­ tung, an deren äußeren Ende sich der Meßkopf befin­ det, der in bekannter Weise der Aufnahme des Meß­ wertes dient. Die anderen beiden Motoren dienen der Verschiebung des Führungskreuzes relativ zum Ge­ stell. Sie können auf dem Antriebskreuz unmittelbar oder am Rahmen angebracht sein, was zu einer Ge­ wichtsentlastung des Antriebskreuzes führt. Über den verbleibenden vierten Arm des Führungskreuzes werden beispielsweise die externen Versorgungslei­ tungen zugeführt. Für die Antriebsebene charakteri­ stisch ist, daß in ihr nur die Verstellung, nicht jedoch die Messung erfolgt.

Zu diesem Zweck befindet sich unterhalb der An­ triebsebene eine weitere Meßebene. Sie besteht ebenfalls aus einem Führungskreuz, das seitlich über vier Schlitten im Gestell geführt ist. Den Ar­ men des Führungskreuzes sind die Maßstäbe, z. B. Glasmaßstäbe, die Meßskala oder der Meßwertgeber zugeordnet. Das Führungskreuz ist mit der Antrieb­ sebene über vier Kugelfinger gekoppelt, die am An­ triebskreuz symmetrisch zur Mitte befestigt sind und etwa in vertikaler Richtung nach unten greifen und an ihrem äußeren Ende mit der beweglichen Kugel versehen sind, die ihrerseits in ebenfalls symme­ trisch zur Mitte angeordnete und nach oben offene Taschen eingreifen. Die Kugelfinger werden so ju­ stiert, daß sie entweder in Richtung auf das Zen­ trum zu oder nach außen anliegen. Der Kugelfinger bewirkt, daß Kräfte, Schwingungen, Durchbiegungen und andere zu Meßungenauigkeiten führende Deforma­ tionen auf die Führungsebene nicht übertragen wer­ den. Die Meßebene ist weitgehend frei von Kräften, da die Verstellung durch die Antriebsebene erfolgt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zielt in zwei Richtungen:
Zum einen soll durch Verlegung der Kraftangriffs­ punkte in den Schwerpunkt die Erzeugung von Momen­ ten unterbleiben. Gleichzeitig erfolgt die Messung über eine Führungsebene, die weitgehend von der mit den Kräften beaufschlagten und deshalb zu Schwin­ gungen, Deformationen und anderen nachteiligen Ein­ flüssen erzeugten Antriebsebene entkoppelt ist.

Zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit ist vorge­ sehen, das Führungskreuz in Luftlagern aufzunehmen, wohingegen der Antrieb in Kugellagern geführt sein kann.

Die Verschiebung der Pinole in Z-Richtung erfolgt gemäß oben geschilderter Zusammenhänge über einen Motor, der in der Antriebsebene angeordnet ist. Um auch die Pinole möglichst frei von Schwingungen, die von diesem Antrieb herrühren könnten, zu be­ treiben, ist eine Schwingungsentkoppelung vorgese­ hen.

Die Kugelfinger, deren Charakteristikum darin be­ steht, über eine bewegliche Kugel am Führungskreuz im Sinne einer Berührung anzugreifen, ist zur Über­ tragung von Kräften nur in der einen, durch die je­ weilige Richtung der Achse bestimmte Koordinate in der Lage. Um die Übertragung von Rotationsschwin­ gungen um die Achse der Pinole zusätzlich zu ver­ meiden, ist es von Vorteil, wenn die Taschen auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt der des Füh­ rungskreuzes ist und die Taschen Sektoren hiervon beschreiben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem folgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsge­ mäßen 3-D-Koordinaten-Meßgerätes

Fig. 2 die Antriebsebene und

Fig. 3 die Meßebene jeweils in Draufsicht.

Auf einem Tisch (1) befindet sich das aus einem Rahmen (2) bestehende Gestell. In Seitenansicht er­ kennt man die durch die beiden übereinander ange­ ordneten Kreuze (3, 4) jeweils gebildeten Ebenen, nämlich die obere Antriebsebene (5) und die untere Meßebene (6). Das Antriebs- (3) und das Führungs­ kreuz (4) sind in der Horizontalen verschiebbar. In der Mitte des Antriebskreuzes (3) befestigt und im Führungskreuz (4) in Z-Richtung verschiebbar ge­ führt ist die Pinole (9). Sie weist an ihrem unte­ ren überstehenden Ende den Meßkopf (7) auf. Weiter ist eingezeichnet ein an der Antriebsebene (5) be­ festigter Kugelfinger (8), der in entsprechende Ta­ schen (11) des Führungskreuzes (4) der Meßebene (6) eingreift. Die Bewegung der Pinole (9) erfolgt über einen Antrieb (10), der vorzugsweise schwingungs­ entkoppelt mit der Pinole (9) derart in Verbindung steht, daß eine Bewegung in die Z-Richtung möglich ist. Weitere Antriebe (12, 13) sind für die X-, Y- Richtung vorgesehen.

Fig. 2 zeigt das im Rahmen (2) angeordnete An­ triebskreuz (3). Um den Mittelpunkt, in dem die Pinole (9) verläuft, befinden sich auf jedem Arm des Antriebskreuzes (3) jeweils ein Antrieb (10, 12, 13) angeordnet, wovon einer (12) in die X-Rich­ tung und der andere (13) in die Y-Richtung und der dritte Antrieb (10) die Pinole (9) in die Z-Rich­ tung bewegt. In der X- und Y- Ebene werden hierfür parallel zu den Armen des Antriebskreuzes (3) ver­ laufende Zugstangen (14) eingesetzt.

Fig. 3 zeigt das Führungskreuz (4) der Meßebene (6). Bei jedem Führungskreuz (4) sind Taschen (11), in die die in Fig. 1 gezeigten und am Arbeitskreuz (3) befestigten Kugelfinger (8) eingreifen, ausge­ spart. Die Pinole (9) ist im Mittelpunkt des Füh­ rungskreuzes (4) und über Kreuzschlitten innerhalb des Rahmens (2) geführt.

Im Ergebnis erhält man ein von Momenten, Schwingun­ gen, Biegekräfte u. dgl. weitgehend freien Meßkopf (7), der die Durchführung von 3-D-Meßungen höchster Präzision erlaubt.

Claims (6)

1. 3-D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem Meßtisch, einem darüber angeordneten Gestell, das oberhalb des Meßtisches einen rechteckförmigen Rahmen bil­ det, und einer Pinole, an deren äußerem Ende sich ein Meßkopf befindet, die in der X-Y-Ebene parallel zum Meßtisch mit einem Antriebskreuz, das über vier Kreuzschlitten in Führungen horizontal beweglich ist, mit Antrieben verschiebbar angebracht und in der dazu senkrechten Z-Richtung verstellbar ist, wobei die Position des Meßkopfes mittels Maßstäben bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - indem Gestell zwei übereinanderliegende Ebenen angeordnet sind (Antriebs- (5), Meßebene (6)),
• - in der oberen, der Antriebsebene (5), das Antriebs­ kreuz (3) angebracht ist, in dessen Mitte die Pinole (9) angeordnet ist sowie drei Antriebe (10, 12, 13), von denen einer (10) dem Antrieb der Pinole (9) in Z-Richtung und die beiden anderen (12, 13) der Ver­ schiebung in X- und Y-Richtung dienen, in der Weise angeordnet sind, daß der Schwerpunkt des Antriebs­ kreuzes in seinem Zentrum liegt, und die Versor­ gungsleitungen über einen Arm des Antriebskreuz es (3) zugeführt sind,
• - in der Meßebene (6) ein Führungskreuz (4) eben­ falls über vier Kreuzschlitten in ihnen zugeordne­ ten Führungen horizontal beweglich angeordnet ist, zwei Armen des Führungskreuzes (4) jeweils ein Maß­ stab zugeordnet ist
• - und symmetrisch zur Mitte des Führungskreuzes (4) vier Taschen (11) angeordnet sind, in die am An­ triebskreuz (3) starr befestigte Kugelfinger (8) entweder in Richtung auf das Zentrum zu oder von diesem weg an den Taschen (11) anliegend eingreifen, sowie die durch den Antrieb (10) in Z-Richtung gehaltene und mit einem Maßstab versehene Pinole (9) in Z-Richtung im Führungskreuz geführt ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebe (10, 12, 13) auf den Armen des Antriebskreuzes (3) angeordnet sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Führungskreuz (4) luftgelagert ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Antriebskreuz (3) ku­ gelgelagert ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pinole (9) von ihrem Antrieb (10) schwingungsentkoppelt ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Taschen (11) auf ei­ nem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt das Zentrum des Führungskreuzes (4) ist.