DE4328533A1 - Meßmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßmaschine zur Vermessung eines dreidimensionalen, auf einem Meß­ tisch positionierten Werkstücks, mit einem Meßkopf und einem in drei Raumrichtungen auf Führungen ver­ schiebbaren Meßschlitten.

Meßmaschinen werden beispielsweise in der Quali­ tätssicherung oder im industriellen Fertigungspro­ zeß eingesetzt, um die Abmessungen von Werkstücken präzise in drei Dimensionen zu bestimmen. Bekannte, gebräuchliche Meßmaschinen sind mit einem horizon­ tal orientierten Meßtisch, auf dem das Werkstück fixiert ist und einem portalartigen Gestell aufge­ baut, an dem ein der Abtastung des Werkstücks die­ nender, in den drei Raumrichtungen verschiebbarer Meßkopf an Führungen befestigt ist.

Bei den konventionellen Meßmaschinen ist als nach­ teilig anzusehen, daß aufgrund des portalartigen Gestells ein Beschicken und Entnehmen des Werk­ stücks nur in seitlicher Richtung möglich und ins­ besondere seine Oberseite während einer Vermessung nur schwer beleucht- und einsehbar ist. Da die Füh­ rungen und die der Meßwertentnahme dienenden Able­ seeinrichtungen in unmittelbarer Nähe zum Werkstück angeordnet sind, ist eine Verschmutzung und/oder Beschädigung ihrer empfindlichen Oberflächen, bei­ spielsweise beim Beschicken oder Vermessen öliger Werkstücken begünstigt. Weiterhin ist der portalar­ tige Aufbau relativ leicht zu Schwingungen anregbar und bedingt einen relativ hohen Raumbedarf.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, eine Meßmaschine so zu gestalten, daß eine Verschmutzung und/oder Beschä­ digung der Führungen und der Ableseeinrichtungen erschwert sowie die Schwingungsempfindlichkeit und der Raumbedarf reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Führungen unterhalb des Meßtischs angeord­ net sind und daß der Meßkopf durch einen Meßarm mit dem Meßschlitten verbunden ist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, den Meßschlitten unterhalb des Meßtischs anzuordnen und über einen Meßarm mit dem oberhalb des Meßtischs positionierten Meßkopf zu verbinden. Die Lagerung, der Antrieb des Meßschlittens und die Meßwertable­ sung erfolgen zweckmäßigerweise durch ebenfalls un­ terhalb des Meßtischs positionierte Vorrichtungen. Das Werkstück wird, wie bei bekannten Meßmaschinen, auf dem Meßtisch fixiert und durch mit dem Meßkopf verbundene Meßkugeln abgetastet, dabei wird der Meßschlitten durch den Antrieb längs seiner Führun­ gen verschoben und seine Position zur Meßwertauf­ nahme abgelesen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen vornehmlich darin, daß ein Verschmutzen und eine Beschädigung der Führungen sowie der Ableseeinrichtungen beim Werkstückwechsel aufgrund der durch den Meßtisch bedingten räumlichen Separation vom Werkstück nicht zu befürchten ist. Lediglich der nunmehr freiste­ hende, leicht erreichbare Meßkopf ist möglicher­ weise einer unschwer entfernbaren Verunreinigung ausgesetzt, die jedoch keinen Einfluß auf das Me­ ßergebnis hat. Das Fehlen des portalartigen Aufbaus hat neben einer zusätzlichen, vertikalen Beschickungs­ möglichkeit eine verbesserte Einsehbarkeit und eine Erleichterung der Beleuchtung des Werkstücks sowie einen reduzierten Raumbedarf zum Ergebnis. Da die durch die Schwerkraft bedingte Durchbiegung des Meßarms stets konstant ist, ist im Gegensatz zu konventionellen Meßmaschinen keine Kompensation et­ waiger Verformungen erforderlich.

Die Positionierung der Führungen ist im Rahmen der Erfindung beliebig. Bevorzugt ist jedoch, an der Unterseite des Meßtischs zwei parallel verlaufende, horizontale Y-Führungen zu befestigen, je einen Y- Schlitten verschiebbar darauf zu montieren und beide Y-Schlitten durch eine orthogonal zur Y-Füh­ rung orientierte X-Führung zu verbinden. Die X-Füh­ rung dient der Befestigung eines verschiebbaren X- Schlittens, der eine vertikal nach unten verlau­ fende Z-Führung trägt, auf der der Meßschlitten verschiebbar angebracht ist. Eine Bewegung der X- und Y-Schlitten hat eine Verschiebung des Meßkopfs in der horizontalen Ebene zur Folge, während der Meßschlitten den Meßkopf vertikal antreibt. Der Vorteil besteht darin, daß die Führungen direkt am Meßtisch befestigt sind, so daß die Meßgenauigkeit nicht, wie im Stande der Technik, durch Verformun­ gen des portalartigen Gestells begrenzt ist. Der kompakte Aufbau bedingt weiterhin eine weitgehende Schwingungsfreiheit der Meßmaschine.

Der Meßarm besteht zweckmäßigerweise aus dem leich­ ten, stabilen Material Kohlefaserkunststoff und wird aus Stabilitäts- und Gewichtsgründen vorzugs­ weise als ein hohles Spritz- oder Preßteil herge­ stellt.

Zur Meßwerterfassung dienen mindestens drei auf dem Meßschlitten angeordnete Sensoren, die den Abstand zu einer Referenzebene in je einer Raumrichtung be­ stimmen. Beim Abtasten des Werkstücks erfassen die Sensoren die durch den Meßarm übertragene Position des Meßkopfes bzw. einer mit ihm verbundenen Meßku­ gel; die Ausgangssignale der Sensoren werden bei­ spielsweise durch eine rechnergestützte Auswer­ tungseinrichtung aufgenommen und gespeichert.

Die Referenzebenen sind zweckmäßigerweise derart orientiert, daß ihre Oberflächennormalen parallel zur X-, Y- und Z-Führung verlaufen. Der Vorteil be­ steht darin, daß sich nur jeweils ein Meßwert än­ dert, falls eine Verschiebung längs einer der Füh­ rungen erfolgt. Die Auswertung der Meßwerte beim Abtasten des Werkstücks ist somit besonders ein­ fach.

Als Sensoren sind bekannte, äußerst präzise arbei­ tende Laser- und/oder Michelson-Interferometer empfohlen.

Zur Vergrößerung der Stabilität der Referenzebenen (und der Präzision der Meßmaschine) ist bevorzugt, sie wannenförmig miteinander zu verbinden. Die Re­ ferenzebenen stützen sich gegeneinander ab, auf­ grund der resultierenden Meßwertverfälschungen als nachteilig anzusehende Verformungen sind unterbun­ den.

Falls sie als Reflektor eines optischen Sensors eingesetzt wird, ist eine relativ preisaufwendige Beschichtung der gesamten Referenzebene erforder­ lich. Weiterhin ist als nachteilig anzusehen, daß bei einer Beschädigung ein Austausch der gesamten Referenzebene notwendig ist. Daher ist empfohlen, daß die Sensoren den Abstand zu Reflektorflächen bestimmen, die relativ zu den Referenzebenen redu­ zierte Abmessungen aufweisen. Die Oberflächennor­ male je einer Reflektorfläche ist parallel zur Achse einer der X-, Y- und Z-Führungen orientiert. Die Reflektorflächen sind parallel zu ihrer Ober­ fläche verschiebbar vorzugsweise auf einem auf Füh­ rungen angeordneten Schlitten montiert. Beim Abta­ sten des Werkstücks wird die Reflektorfläche syn­ chron zum Meßschlitten verschoben, d. h. um jeweils gleiche Wegstrecken bewegt. Der Vorteil besteht ne­ ben dem Fortfallen der Beschichtung der Referenze­ bene darin, daß ein Austausch einer verschmutzten, beschädigten oder nach einer längeren Meßzeit ein­ gebrannten Reflektorfläche leicht und preiswert möglich ist.

Zur weiteren Verbesserung der Präzision ist empfoh­ len, je ein Luftlager zwischen der Halterung einer Reflektorfläche und einer benachbarten, zur Reflek­ torfläche parallelen Referenzebene anzuordnen. Die Sensoren bestimmen nunmehr die Entfernung zur ge­ genüber der Führung der Reflektorfläche präziseren Referenzebene. Das vorteilhafte Ergebnis sind ge­ nauere Meßwerte, da sich eventuelle Unebenheiten der Referenzebene durch die relativ große Auflage­ fläche herausmitteln und somit nicht in das Meßer­ gebnis eingehen. Die Reflektorflächen sind rei­ bungs- und lagerspielarm verschiebbar.

Um seitens der Reflektorfläche einen zum Erzielen reproduzierbarer Meßergebnisse erforderlichen kon­ stanten Anpreßdruck auf das Luftlager zu erzielen, ist empfohlen, ein Gewicht und/oder eine Feder mit dem Schlitten sowie der Halterung der Reflektorflä­ che derart zu verbinden, daß sich die erforderliche Krafteinwirkung ergibt.

Schließlich ist empfohlen, die Sensoren und die Re­ flektorflächen in einer Unterdruck- oder Vakuumkam­ mer anzuordnen, so daß ein Eindringen störender, beispielsweise die Reflektorfläche beeinträchtigen­ der Partikel vermieden, die Stabilität der Sensoren verbessert und somit die Präzision der Meßergeb­ nisse vergrößert ist. Da eine nur die Meßanordnung umfassende Vakuumkammer problematisch realisierbar ist, wird zweckmäßigerweise die gesamte Meßmaschine in einem Rezipienten positioniert, der nach der Montage eines Werkstücks evakuiert wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher be­ schrieben wird. Sie zeigen in schematischer Dar­ stellung in

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungs­ gemäßen Meßmaschine;

Fig. 2 eine Ansicht der Referenzebenen und Reflektorflächen einer Meßmaschine;

Fig. 3 eine mit einem Gewicht versehene Re­ flektorfläche;

Fig. 4 eine mit Federn versehene Reflektor­ fläche.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßmaschine besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Meßtisch (1), einem Werkstück (3), einem Meßkopf (2) mit mehreren Meßkugeln (2′) zur Abtastung des Werk­ stücks (3), sowie einem in drei Raumrichtungen ver­ schiebbaren Meßschlitten (5). Der Meßkopf (2) ist durch einen Meßarm (4) mit dem Meßschlitten verbun­ den; der Meßarm (4) besteht aus Kohlefaserkunst­ stoffen und ist aus Gründen der Gewichtseinsparung hohl. Unterhalb des Meßtischs (1) sind zwei hori­ zontal verlaufende, parallele Y-Führungen (6, 6′) montiert, an denen je ein Y-Schlitten (7, 7′) ver­ schiebbar befestigt ist. Beide Y-Schlitten (7, 7′) sind durch eine horizontale, senkrecht zu den Y- Führungen (6, 6′) angeordnete X-Führung (8) verbun­ den, die der Montage eines verschiebbaren X-Schlit­ tens (9) dient. Eine vertikale Z-Führung (10) ist am X-Schlitten (9) fixiert und trägt den verschieb­ baren Meßschlitten (5). Ein Rahmen (11) verbindet den Meßtisch (1) mit dem Fundament.

In Fig. 2 ist eine optisch arbeitende Einrichtung zur Meßwerterfassung dargestellt, die mit drei Re­ ferenzebenen (12, 13, 14) aufgebaut ist, deren Oberflächennormale jeweils parallel zur Achse einer der Führungen (6, 8, 10) verläuft. Zur Datenerfas­ sung dienen in der Figur nicht erkennbare optische Sensoren wie Laser- und Michelson-Interferometer, die auf dem Meßschlitten (5) angeordnet sind und den Abstand zu Reflektorflächen (21, 22, 23) be­ stimmen, die jeweils parallel zur benachbarten Re­ ferenzebene (12, 13, 14) orientiert und in geringem Abstand parallel zu ihnen verschiebbar auf Schlit­ ten (18, 19, 20) angeordnet sind. Die exakte Posi­ tionierung der Schlitten (18, 19, 20) wird durch Führungen (15, 16, 17) sowie zwischen der Halterung der Reflektorflächen (21, 22, 23) und den Referen­ zebenen (12, 13, 14) angeordnete, in Fig. 2 nicht erkennbare Luftlager erreicht. Beim Abtasten des Werkstücks (3) werden der Meßschlitten (5) und die Reflektorflächen (21, 22, 23) um jeweils gleiche Wegstrecken verschoben. Zur Abstandsmessung in ver­ tikaler, d. h. in Z-Richtung werden drei im Abstand angeordnete Sensoren und Reflektorflächen (21) ein­ gesetzt, während in der horizontalen Y-Richtung zwei Sensoren und Reflektoren (22) und in der hori­ zontalen X-Richtung nur ein Sensor und eine Reflek­ torfläche (23) verwendet werden. Der Vorteil be­ steht darin, daß sich die Meßwerte der sechs Senso­ ren zur Berechnung der Position und der Orientie­ rung des Meßkopfs (2) eignen. Durch Lagerspiel be­ dingte Abweichungen der Orientierung des Meßkopfs (2) von ihrem Sollwert können erfaßt und bei der Auswertung der Meßergebnisse rechnerisch ausgegli­ chen werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Luftlager (24) gewähr­ leistet einen konstanten Abstand und eine reibungs- und spielarme Verschiebbarkeit der Reflektorfläche (23) relativ zur Referenzebene (14). Ein Gewicht (26) ist derart angeordnet, daß die in einem Käfig horizontal verschiebbare Halterung der Reflektor­ fläche (23) mit einem konstanten Druck gegen das Luftlager (24) gedrückt wird.

In Fig. 4 ist eine mit einer Feder (27) versehene, ansonsten analog zur Luftlagerung in Fig. 3 aufge­ baute Befestigung der Reflektorfläche (23) darge­ stellt. Die Federn (27) sind einen Endes an dem am Schlitten (20) befestigten Lagerkäfig (28) ange­ bracht und wirken am anderen Ende über sphärische Druckpunkte auf die horizontal verschiebbare Halte­ rung der Reflektorfläche (23) ein. Der Lichtstrahl des Sensors (25) verläuft sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 horizontal, die Reflektorflächen (23) sind jedoch - im Falle der Fig. 3 nach einer Modifikation der Positionierung des Gewichts - un­ schwer zur Messung vertikaler Abstände verwendbar.

Im Ergebnis erhält man eine Meßmaschine, deren ge­ gen Verunreinigungen und Beschädigungen empfindli­ che Elemente geschützt und schwingungsarm angeord­ net sind und die aufgrund des Einsatzes luftgela­ gerter Reflektorflächen sehr präzise arbeitet.

Claims (11)

1. Meßmaschine zur Vermessung eines dreidimensiona­ len, auf einem Meßtisch positionierten Werkstücks, mit einem Meßkopf und einem in drei Raumrichtungen auf Führungen verschiebbaren Meßschlitten, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (6, 8, 10) unter­ halb des Meßtischs angeordnet sind und daß der Meß­ kopf (2) durch einen Meßarm (4) mit dem Meßschlit­ ten (5) verbunden ist.

2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Unterseite des Meßtischs (1) zwei parallele, horizontale Y-Führungen (6, 6′) im Abstand voneinander fixiert sind, daß auf den Y- Führungen (6, 6′) je ein Y-Schlitten (7, 7′) ver­ schiebbar angeordnet ist, daß die Y-Schlitten (7, 7′) durch eine horizontale, zur Y-Führung (7, 7′) orthogonale X-Führung (8) verbunden sind, an der ein X-Schlitten (9) verschiebbar befestigt ist und daß der Meßschlitten (5) verschiebbar auf einer vertikalen, mit dem X-Schlitten (9) verbundenen Z- Führung (10) montiert ist.

3. Meßmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßarm (4) aus Kohlefaser­ kunststoff und vorzugsweise hohl ist.

4. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Raumrichtung je ein auf dem Meßschlitten (5) angeordneter Sensor den Abstand zu einer Referenzebene (12, 13, 14) be­ stimmt.

5. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächennormale je einer Refe­ renzebene (12, 13, 14) parallel zur Achse der X- (8), Y- (6) und Z-Führung (10) orientiert ist.

6. Meßmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren Laser- und/oder Mi­ chelson-Interferometer sind.

7. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzebenen (12, 13, 14) wannenförmig verbunden sind.

8. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren den Abstand zwischen dem Meßschlitten (5) und Reflektorflächen (21, 22, 23) bestimmen, daß die Oberflächennormale je einer Reflektorfläche (21, 22, 23) parallel zur Achse der X- (8), Y- (6) und Z-Führung (10) orien­ tiert ist und daß jede Reflektorfläche (21, 22, 23) orthogonal zu ihrer Oberflächennormale synchron zum Meßschlitten (5) verschiebbar, vorzugsweise auf ei­ nem auf Führungen montierten Schlitten, angeordnet ist.

9. Meßmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Luftlager (24) zwischen einer Re­ flektorfläche (23) und der Halterung einer Referen­ zebene (14) mit gleicher Oberflächennormale ange­ ordnet ist.

10. Meßmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Gewicht (26) und/oder eine Feder (27) derart mit der Halterung der Reflektorfläche (23) verbunden ist, daß die Halterung eine Kraft­ einwirkung auf das Luftlager (24) ausübt.

11. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren und die Reflektorflächen (21, 22, 23) in einer Unterdruck- oder Vakuumkammer angeordnet sind.