DE4325337A1 - Meßmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßma­ schine, insbesondere vom Portaltyp.

Es ist bekannt, daß Meßmaschinen vom Portaltyp eine Basis mit einer waagrechten Bezugsebene enthalten, auf der ein zu messender Körper befestigt werden kann, weiter ein Portal, das auf der Basis entlang einer ersten waagrechten Achse (X) beweglich ist und einen Querbalken trägt, der sich entlang einer zweiten, zur ersten Achse (X) senkrechten Achse (Y) erstreckt, einen Wagen, der auf dem Querbalken entlang der Y-Achse beweglich ist, und einen vom Wagen getragenen Meßkopf, der bezüglich des Wagens entlang einer dritten senkrechten Achse (Z) beweglich ist. Der Kopf trägt einen Punktsensor an seinem unteren freien Ende.

Ganz allgemein wird der Wagen während der Gleitbewe­ gung auf dem Querbalken von pneumatischen Lagerkissen getra­ gen, die mit entsprechenden auf dem Querbalken ausgebildeten Gleitflächen für die Lagerkissen zusammenwirken. Die Anordnung der Gleitflächen und Lagerkissen ist so gewählt, daß der Wagen entlang der Y-Achse mit möglichst geringer Reibung gleiten kann, aber daß jede andere translatorische Bewegung (entlang der X- und Z-Achsen) und jede Drehbewegung (um irgendeine der drei Achsen X, Y und Z) vermieden wird.

In bekannten Meßmaschinen befinden sich die Gleitflä­ chen auf den Querbalken an Stellen, die eine Hauptgleitebene für den Wagen parallel zur Y-Z Ebene oder zur X-Y Ebene defi­ nieren. Außerdem sind die Gleitflächen hinreichend weit von­ einander entfernt in dieser Ebene, um die Torsionssteifigkeit um die Y-Achse zu optimieren. Daher haben der Querbalken und der Wagen im allgemeinen Querschnitte, die in Richtungen par­ allel zur Z-Achse oder zur X-Achse länglich sind. Die Gleit­ flächen können senkrecht zur X-Achse und zur Z-Achse oder noch besser auf einem schwalbenschwanzförmigen Führungsorgan ausge­ bildet sein.

Diese bekannten Anordnungen führen zu gewissen Proble­ men:

Erstens ist die Torsionssteifigkeit um die X-Achse im allgemeinen unbefriedigend, wenn der Querschnitt des Wagens in Z-Richtung länglich ist. Diese Steifheit soll jedoch ausrei­ chend hoch sein (wie im Fall der Steifheit gegenüber Drehungen um die Y-Achse), da der Abstand der Punktsonde vom Schwerpunkt des Wagens die Drehbewegungen umso mehr verstärkt, je weiter der Meßkopf vorsteht, so daß dadurch Meßfehler induziert wer­ den.

Ein weiteres, mit der länglichen Form in Z-Richtung verbundenes Problem ist die größere Empfindlichkeit gegen thermische Gradienten, die unter normalen Bedingungen haupt­ sächlich in vertikaler Richtung von Bedeutung sind. Unter­ schiedliche Zonen des Wagens unterliegen so unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen, die Meßfehler hervorrufen oder zu­ mindest kompensiert werden müssen bei der anschließenden Aus­ wertung der erfaßten Meßwerte.

In bekannten Lösungen, in denen der Querbalken und der Wagen längliche Querschnitte in Richtung der X-Achse besitzen, werden diese Probleme verringert, aber andere Probleme treten dann auf.

Insbesondere verringert sich die Steifheit des Quer­ balkens etwas in der Y-Z Ebene und führt zu den bekannten Nachteilen. Außerdem ist die Ausladung des Wagens in X-Rich­ tung erheblich, einschließlich des Teils des Wagens, der den Meßkopf aufnimmt und führt und daher über die Querausdehnung des Querbalkens nach außen vorsteht. Abgesehen von diesen Nachteilen des Raumaufwands führt diese Anordnung zu einer sehr ungünstigen Massenverteilung aus der Sicht der Trägheits­ verhältnisse: ein großes Trägheitsmoment führt zu Trägheits­ kräften erheblicher Größe, insbesondere in Hinblick auf hohe Beschleunigungswerte, denen der Wagen im Betrieb unterworfen ist.

Ein weiterer Nachteil bekannter Anordnungen, die alle nach oben zeigende, waagrechte Gleitflächen besitzen, besteht in der Ansammlung von Staub und Schmutz im allgemeinen auf­ grund der Schwerkraft, so daß diese Flächen häufige Wartung erfordern.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßma­ schine anzugeben, die die oben erwähnten Nachteile bekannter Meßmaschinen nicht aufweist.

Dieses Ziel wird durch die im Anspruch 1 definierte Meßmaschine gelöst.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegen­ den Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Aufriß einer Meßmaschine gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Meßmaschine gemäß Fig. 1 im vergrößerten Maßstab.

Fig. 3 stellt ein Schnittbild entlang der Linie III-III in Fig. 2 dar.

Fig. 4 zeigt ein Schnittbild entsprechend dem in Fig. 3 mit einer erfindungsgemäßen Variante.

In Fig. 1 ist eine Meßmaschine 1 dargestellt, die im wesentlichen eine flache Basis 2 mit einer waagrechten Bezugs­ ebene 2′ parallel zu einem Paar horizontaler Achsen X und Y eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems X, Y, Z zur Aufnahme eines zu messenden Gegenstands (nicht darge­ stellt), ein bezüglich der Basis 2 entlang der X-Achse ver­ schiebbares Portal 3 mit einem Paar von Pfosten 4 und einem Querbalken 6, der sich parallel zur Y-Achse (senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1) erstreckt, einen Wagen 7, der vom Querbalken 6 des Portals 3 getragen wird und auf ihm entlang der Y-Achse beweglich ist, und einen Kopf 8 enthält, der vom Wagen 7 getragen wird und gegenüber diesem entlang der Z-Achse beweglich ist. Eine Punktsonde 9 ist im Betrieb am unteren Ende des Kopfs 8 angebracht.

Der Wagen 7 besitzt üblicherweise einen Handgriff 10 an der Vorderseite (aus Gründen der Vereinfachung in den Fig. 2 und 3 nicht gezeigt), der so erfaßt werden kann, daß die Bewegung des Portals 3 entlang der X-Achse und des Wagens 7 entlang der Y-Achse von Hand bewirkt werden kann. Der Wagen 7 besitzt ferner Mittel, die ebenfalls nicht dargestellt sind, da sie bekannt sind, um eine Drehbewegung des Handgriffs 10 in eine translatorische Bewegung des Kopfs 8 entlang der Z-Achse umzuwandeln.

Die Pfosten 4 des Portals 3 werden auf der Basis 2 durch Führungsmittel geführt, die allgemein mit 11 bezeichnet sind und eine Gleitbewegung des Portals entlang der X-Achse ermöglichen, aber jede translatorische und Drehbewegung in anderer Richtung verhindern.

Wie in den Fig. 2 und 3 zu sehen ist, besteht der Querbalken 6 aus einer extrudierten Aluminiumlegierung mit einem konstanten länglichen Querschnitt, der um 45° zur Ebene 2′ geneigt ist. Insbesondere definiert ein oberer Stirnbereich des Querbalkens 6 eine integrierte schwalbenschwanzförmige Führungsschiene 14 eines Querschnitts in Form eines gleich­ schenkligen Trapezes, wobei die längere Basis nach vorne und oben zeigt und in einer Ebene π liegt, die mit der Bezugsebene 2′ vor der Maschine 1 konvergiert und einen Dieder eines Win­ kels α von 45° mit dieser Ebene einschließt. Die Führungs­ schiene 14 hat zwei Gleitflächen 15, 16 entlang einer oberen und unteren, nach vorne gerichteten Kante der Führungsschiene, die ihrerseits die längere Basis des Trapezes im Querschnitt definiert und so in der oben definierten Ebene π liegt, die die Hauptgleitebene des Wagens 7 bildet. Die Führungsschiene 14 enthält weiter zwei zusätzlich Gleitflächen 17 und 18 auf entsprechenden Seiten der Führungsschiene, die ihrerseits die geneigten Seiten des trapezförmigen Querschnitts bilden. Die Gleitfläche 17 liegt in einer rückwärtigen vertikalen Ebene der Führungsschiene 14 in der Nähe der Gleitfläche 15, während die Gleitfläche 18 in einer unteren horizontalen Ebene der Führungsschiene 14 in der Nähe der Gleitfläche 16 liegt.

Der Wagen 7 besitzt einen Grundkörper 19, der zur Hauptgleitebene π hin weist, und einen länglichen Querschnitt in einer Richtung parallel zu dieser Ebene. Ein rohrförmiger Körper 20 steht aus der Vorderseite des Grundkörpers 19 vor und ist mit seiner Achse senkrecht angeordnet, um den Kopf 8 in üblicher Weise zu führen.

Aus dem Grundkörper 19 des Wagens 7 steht weiter ein unteres gekröpftes Bauteil 24 vor, das um die untere Kante der Führungsschiene 14 herumläuft und der Gleitfläche 18 der Füh­ rungsschiene gegenübersteht.

Der Wagen 7 wird gleitend von der Führungsschiene 14 über eine Mehrzahl von pneumatischen Lagerkissen getragen, die mit den oben erwähnten Gleitflächen zusammenwirken.

Insbesondere ist ein erstes Lagerkissen 25 in einer oberen zentralen Zone des Grundkörpers 19 des Wagens 7 durch einen in Axialrichtung justierbaren Schraubstift 26 befestigt, dessen eines Ende 27 einen kugelförmigen Anschlag für das Lagerkissen definiert. Das Lagerkissen 25 kann auf der Gleit­ fläche 15 gleiten.

Zwei Lagerkissen 28 sind in ähnlicher Weise wie oben für das Lagerkissen 25 beschrieben (aber mit axialer Fixie­ rung) in unteren Seitenzonen des Grundkörpers 19 des Wagens 7 befestigt, derart, daß sie soweit wie möglich voneinander in einer Richtung parallel zur Y-Achse entfernt sind. Die Lager­ kissen 28 wirken mit der Gleitfläche 16 der Führungsschiene 14 zusammen.

Zwei weitere Lagerkissen 29 sind am unteren gekröpften Bauteil 24 des Wagens 7 soweit wie möglich in Richtung der Y-Achse voneinander entfernt befestigt und wirken mit der unteren Gleitfläche 18 der Führungsschiene 14 zusammen.

Schließlich ist ein Lagerkissen 30, das mit der Gleit­ fläche 17 zusammenwirkt, über elastische Mittel mit dem Wagen 7 verbunden. Diese Mittel müssen eine geeignete begrenzte Steifheit haben, um alle geometrischen Unregelmäßigkeiten der Gleitflächen auszugleichen. Insbesondere bestehen die elasti­ schen Mittel aus einer Blattfeder 35, die mit einem Ende 36 starr in der oberen zentralen Zone des Grundkörpers 19 des Wagens 7 befestigt ist, während ihr anderes Ende 37 mit dem Lagerkissen 30 über einen axial justierbaren Stift 38 verbun­ den ist, der dem Stift 26 völlig gleicht.

Die Lagerkissen 25, 28, 29 und 30 sind an einen be­ kannten und daher nicht dargestellten Pneumatikkreis ange­ schlossen, der Druckluft liefert.

Die Maschine 1 kann auch automatische Antriebsmittel für das Portal 3, den Wagen 7 und den Kopf 8 enthalten, die bekannt sind und nicht beschrieben werden, zumal sie nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind. Diese Mittel bilden üblicherweise die Schnittstelle mit einer externen Steuerung- und Verarbeitungseinheit, die Meßzyklen ablaufen lassen kann einschließlich einer vorgegebenen Abfolge von Bewegungen der Punktsonde 9, die automatisch ablaufen kann.

Schließlich besitzt die Maschine nicht dargestellte Wandlermittel zur Erzeugung von Signalen, die die Koordinaten eines Punktes definieren, an dem die Punktsonde 9 auf den zu messenden Gegenstand auftrifft, wenn die Punktsonde im Augen­ blick des Auftreffens ein Auslösesignal erzeugt. Diese Signale werden in üblicher Weise gespeichert und verarbeitet, um die Koordinaten des Auftreffpunkts zu berechnen.

Der Betrieb der Maschine 1 ist an sich bekannt und braucht hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Unter Bezugnahme auf die Konfiguration des Querbalkens 6 und des Wagens 7 sind noch folgende Bemerkungen angebracht:

Die Anordnung der Gleitflächen 15, 16, 17 und 18 und der entsprechenden Lagerkissen 25, 28, 29 und 30 erlaubt Bewe­ gungen des Wagens 7 parallel zur Y-Achse, aber verhindert jegliche Bewegungen in Richtungen parallel zur X-Achse und zur Z-Achse sowie Drehbewegungen um eine der drei Achsen.

Die Steifheit gegen Drehungen um die X-Achse oder die Y-Achse ist daher optimal.

Insbesondere ist die Steifheit um die Y-Achse beson­ ders gut aufgrund des länglichen Querschnitts der Führungs­ schiene 14 in der Ebene π, die eine erhebliche Länge der He­ belarme der Lagerkissen ergibt, und aufgrund der Schwalben­ schwanzform der Führungsschiene selbst. Dieser längliche Quer­ schnitt führt jedoch aufgrund der geneigten Lage nicht zu einem übergroßen Raumaufwand in Richtungen parallel zur X- und zur Y-Achse. Die daraus resultierende kompakte Struktur des Wagens 7 verringert die Probleme, die mit Wärmegradienten und Trägheitsmomenten in Verbindung stehen.

Die Steifheit gegenüber Drehungen um die X-Achse er­ gibt sich im wesentlichen aufgrund der Lagerkissen 28 und der Lagerkissen 29, die soweit wie möglich voneinander in Y-Rich­ tung entfernt liegen. Da das Lagerkissen 30 auf eine Gleit­ fläche 17 senkrecht zur X-Achse einwirkt, liefert es keinen Beitrag zu dieser Steifheit. Die elastische Montage des Lager­ kissens 30, die wie oben erwähnt zur Kompensation geometri­ scher Unregelmäßigkeiten der Gleitflächen erforderlich ist, führt aus diesem Grund nicht zu einer Verringerung der Steif­ heit.

Die geneigte Anordnung der Führungsschiene 14 ermög­ licht eine hohe Steifheit gegenüber Durchbiegung, insbesondere in der Y-Z-Ebene, ohne den Raumaufwand in senkrechter Richtung nennenswert zu vergrößern.

Schließlich führt die geneigte Anordnung der Führungs­ schiene 14 dazu, daß keine der Gleitflächen waagrecht ist und zugleich nach oben zeigt. Die mit der Ansammlung von Schmutz auf diesen Flächen verbundenen Probleme werden somit vermie­ den.

Schließlich ist es klar, daß die Maschine 2 im Rahmen der vorliegenden Erfindung geändert werden kann.

Insbesondere zeigt Fig. 4 einen Querbalken 6′ mit einer Führungsschiene 14, die der gemäß Fig. 3 erläuterten Führungsschiene ähnelt und einen Versteifungsbereich 40 mit einer waagrechten unteren Wand 41 und einer senkrechten Rück­ wand 42 besitzt, die mit der Führungsschiene 14 in der Nähe der Gleitflächen 18 und 17 durch kurze Wandstücke 43, 44 senk­ recht zu den Wänden 41 bzw. 42 verbunden sind. Der Querbalken 6′ besitzt weiter innere Versteifungsrippen 45, die die Wände 41 und 42 mit der Führungsschiene 14 verbinden.

Claims (12)

1. Meßmaschine (1)

• - mit einer Basis (2), deren obere waagrechte Bezugsebene (2′) parallel zu einer ersten und einer zweiten Achse (X, Y) eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems (X, Y, Z) verläuft,
• - mit einem Portal (3), das über der Basis (2) entlang der ersten Achse (X) verschiebbar ist und einen entlang der zwei­ ten Achse (Y) verlaufenden Querbalken (6) aufweist,
• - mit einem Wagen (7), der vom Querbalken (6) getragen wird und auf ihm entlang der zweiten Achse (Y) beweglich ist,
• - mit einem Meßkopf (8), der vom Wagen (7) getragen wird und gegenüber dem Wagen entlang der dritten Achse (Z) des Koor­ dinatensystems beweglich ist, wobei der Querbalken (6) eine Führungsschiene (14) für den Wagen (7) enthält und der Wagen mehrere Lagerkissen (25, 28, 29, 30) aufweist, die mit Gleitflächen (15, 16, 17, 18) der Führungsschiene (14) zusammenwirken,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß die Führungsschiene (14) eine Hauptgleitebene (π) für den Wagen (7) definiert, die einen spitzwinkligen Dieder des Winkels α mit der Bezugsebene (2′) bildet, wobei die Führungsschiene (14) und der Wagen (7) Quer­ schnitte besitzen, die in Richtungen parallel zur Hauptgleit­ ebene (π) länglich sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptgleitebene (π) mit der Bezugsebene (2′) in einer vorderen Zone der Maschine (1) konvergiert.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschiene (14) mindestens eine erste Gleitfläche (15) und eine zweite Gleitfläche (16) aufweist, die in der Hauptgleitebene (π) entlang einander entgegengesetzten oberen und unteren Kanten der Führungsschiene (14) angeordnet sind.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschiene (14) schwalbenschwanz­ förmig ausgebildet ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschiene (14) im Querschnitt die Form eines gleich­ schenkligen Trapezes besitzt, dessen längere Basis in der Hauptgleitebene liegen, wobei die ersten und zweiten Gleit­ fläche (15, 16) auf einer Seite der Führungsschiene (14) aus­ gebildet sind, die im Querschnitt die längere Basis bildet.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschiene eine dritte Gleitfläche (17) und eine vierte Gleitfläche (18) besitzt, die auf entsprechenden Seiten der Führungsschiene (14) ausgebildet sind und im Querschnitt die geneigten Seiten des Trapezes in der Nähe der ersten bzw. zweiten Gleitfläche (15, 16) bilden.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Gleitflächen (17, 18) senkrecht zur ersten Achse (X) bzw. zur dritten Achse (Z) verlaufen.

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptgleitebene (π) um 45° zur Bezugs­ ebene (2′) geneigt ist.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkissen (25, 28, 29, 30) pneumati­ sche Lagerkissen sind.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wagen (7) ein Lagerkissen (25), das mit der ersten Gleitfläche (15) zusammenwirkt und in zentraler Lage auf dem Wagen (7) angeordnet ist, ein Paar von Lagerkissen (28), die mit der zweiten Gleitfläche (16) zusammenwirken und an den Seiten des Wagens (7) soweit wie möglich entlang der zweiten Achse (Y) voneinander entfernt angeordnet sind, ein Lagerkissen (30), das mit der dritten Gleitfläche (17) zusam­ menwirkt und zentral auf dem Wagen (7) angeordnet ist, und ein Paar von Lagerkissen (29) aufweist, die mit der vierten Gleit­ fläche (18) zusammenwirken und an den Seiten des Wagens (7) soweit wie möglich entlang der zweite Achse (Y) voneinander entfernt angeordnet sind.

11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerkissen (30), das mit der dritten Gleitfläche (17) zusam­ menwirkt, auf dem Wagen (7) über elastische Haltemittel (35) befestigt ist.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Haltemittel eine Blattfeder (35) enthalten.