DE4345093A1 - Meßeinrichtung - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von mechanischen Teilen mit nicht lediglich geringen Genauigkeitsanforderungen kann es erforderlich sein, zwischen verschiedenen an dem Werkstück vorzunehmenden Bearbeitungsschritten Messungen vorzuneh­ men, die Aufschluß über die erzielte Bearbeitungsgenau­ igkeit geben. Insbesondere wenn die Zielsetzung in einer sehr hohen Genauigkeit liegt, sind häufig sehr viele Einzelmessungen oder sogar die punktweise Vermessung von ganzen Oberflächenbereichen des Werkstücks erforderlich. Je höher jedoch der bei der Herstellung erforderliche Meßaufwand ist, desto mehr Zeit wird für die Messungen benötigt.

Aus der Praxis ist ein digitales Höhenmeßgerät mit einem elektronischen Meßkopf bekannt, der an einem ortsfesten Ständer höhenverschiebbar gelagert ist und der eine Meß- und Anzeigeeinrichtung zur Bestimmung und Ausgabe der Höhenverschiebung des Tastkopfes in Bezug auf den Ständer aufweist. Der Meßkopf ist mit einer Halterung für einen Taststift starr gekoppelt. Der an der Halterung befestigte und endseitig mit einer Tastkugel versehene Taststift ist in Bezug auf den Tastkopf um zwei zueinander rechtwinklig stehende Schwenkachsen schwenkbar gehalten und in ent­ sprechenden Schwenkstellungen arretierbar.

Obwohl der Taststift in unterschiedliche Raumrichtungen schwenkbar ist, wird doch in jedem Fall die Höhenverschie­ bung des Tastkopfes und damit die gleiche auf das Meßgerät bezogene Koordinate gemessen.

Darüber hinaus ist aus der Literatur (CNC-Koordinatenmeß­ technik; Hans Joachim Neumann, S. 239, Expert Verlag 1988) ein Koordinatenmeßgerät bekannt, bei dem an einem rückenartigen Portal ein Tastkopf in zwei Raumrichtungen translatorisch verschiebbar gelagert ist, wobei die Trans­ lationsbewegungen von einer Auswerteeinheit erfaßt werden. Der Tastkopf weist einen Taststift mit einer Tastkugel auf, der auf der Tastkopflängsachse liegt. Die Tastkopf­ längsachse liegt dabei parallel bzw. rechtwinklig zu den durch die Translationsrichtungen definierten Tastkopfkoor­ dinatenrichtungen. Der Taststift ist sowohl entlang der Tastkopflängsachse translatorisch verschiebbar als auch um zwei dazu rechtwinklig stehende Achsen schwenkbar gela­ gert. Die von einer mit der Tastkugel in Berührung stehen­ den Werkstückoberfläche verursachten Auslenkungen des Taststiftes werden von induktiven Wegaufnehmern erfaßt und als elektrische Signale an die Auswerteeinheit geleitet. Das Werkstück ist auf einem unterhalb des Tastkopfes angeordneten Drehtisch gespannt.

Mit dieser Meßeinrichtung kann ein ausgewählter Punkt der Werkstückoberfläche, der einen Tastpunkt bildet, mit einem einzigen Taststift lediglich aus einer vorbestimmten Raumrichtung angetastet werden. Soll ein Tastpunkt aus einer anderen, weiteren Raumrichtung angetastet werden, ist ein Taststiftwechsel erforderlich.

Außerdem ist aus der US-PS 4 621 434 ein 3D-Meßkopf be­ kannt, der Bewegungen einer über Federparallelogramme an ihm befestigten Basisplatte in drei zueinander orthogona­ len Raumrichtungen in elektrische Signale umsetzt. Auf der Basisplatte ist ein Würfel mit insgesamt fünf mit Tastku­ geln versehenen Taststiften befestigt. Die Taststifte sind dabei sternförmig zueinander angeordnet und stehen unter­ einander jeweils in einem Winkel von 90°.

Zur Antastung von Tastpunkten aus unterschiedlichen Raum­ richtungen ist es erforderlich, den Tastkopf entsprechend umzupositionieren, wodurch Abschnitte des Meßvolumens für das Verschieben des Tastkopfes benötigt werden. Das nutz­ bare Meßvolumen kann dadurch eingeschränkt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrich­ tung zu schaffen, mit der eine Werkstückoberfläche mit einem einzigen Tastkopf ohne Meßvolumensverlust aus unter­ schiedlichen Raumrichtungen antastbar ist und die eine gute Genauigkeit aufweist.

Vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die schwenkbare Lagerung des Tastkopfes an dem Träger kann der Taststift in unterschiedliche Ausrichtun­ gen zu dem Werkstück gebracht werden. Wenn dabei alle Tastkopfkoordinatenrichtungen, d. h. alle Koordinatenrich­ tungen eines auf den Tastkopf bezogenen Koordinatensystems mit der Drehachse den gleichen schiefen Winkel einschlie­ ßend bewegen sich alle Tastkopfkoordinatenrichtungen bei einer Drehung des Tastkopfes auf der Mantelfläche eines Kegels, dessen Symmetrieachse mit der Drehachse identisch ist und zwar unabhängig davon, ob das Tastkopfkoordinaten­ system ein schiefwinkliges Koordinatensystem oder ein Or­ thogonalsystem ist. Bei einer Drehung um einen Winkel von 120° haben die Tastkopfkoordinaten gerade zyklisch ihre Plätze getauscht. Der für wenigstens eine Tastkopfkoor­ dinatenrichtung ein Signal abgebende Tastkopf kann somit das Werkstück in mehreren auf das Koordinatenmeßgerät bezogenen Koordinatenrichtungen vermessen.

Infolge der Anordnung der Drehachse auf der Raumdiagonalen eines durch die Tastkopfkoordinatenrichtungen festgelegten gedachten Würfels schneidet die Längsachse des Tastkopfes in jeder beliebigen Drehstellung die Drehachse. Wird dieser Schnittpunkt zum Tastpunkt gewählt, bleibt dieser bei einer Drehung des Tastkopfes um seine Drehachse unver­ ändert. Diese Bedingung kann auf einfache Weise erfüllt werden, wenn der bei der Messung in einer Koordinatenrich­ tung durch das Werkstück aus dem Schnittpunkt heraus verschobene Tastpunkt durch eine Translationsbewegung des Tastkopfes vor dem Verschwenken des Tastkopfes auf den Schnittpunkt zwischen Drehachse und Längsachse gebracht wird. Somit kann durch das Verschwenken des Tastkopfes selbst mit Tastköpfen, die lediglich eine Koordinaten­ richtung messen, eine echte 3D-Abtastung eines Werkstückes vorgenommen werden.

Jedoch kann es bei einer Abtastung einer Werkstückober­ fläche unter Umständen auch genügen, wenn der Tastpunkt im wesentlichen auf dem Schnittpunkt zwischen der Längsachse und der Drehachse liegt. Auch dann bleibt die als Tast­ element beispielsweise verwendete Tastkugel beim Drehen des Tastkopfes stehen, so daß das Meßvolumen des Koor­ dinatenmeßgerätes nicht eingeschränkt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die Drehachse außerdem auf der Raumdiagonalen eines gedachten Würfels, der von auf das Koordinatenmeßgerät bezogenen Koordinaten­ richtungen festgelegt ist. Dies ist der Fall, wenn sowohl das Tastkopfkoordinatensystem als auch das auf das Koor­ dinatenmeßgerät bezogene Koordinatensystem Orthogonalsy­ steme sind. Es existieren dann genau drei Drehstellungen, in denen die Tastkopfkoordinatenrichtungen mit Koordina­ tenrichtungen des auf das Koordinatenmeßgerät bezogenen Koordinatensystems übereinstimmen. Damit ist zumindest in diesen Drehstellungen die Zuordnung der von dem Tastkopf gemessenen Werte zu Gerätekoordinaten besonders einfach.

Der zwischen der Drehachse und den Tastkopfkoordinaten­ richtungen eingeschlossene schiefe Winkel ist gleich dem Arcustangens von Wurzel aus Zwei, wenn das Tastkopfkoor­ dinatensystem ein Orthogonalsystem ist. Das gleiche gilt für die zwischen der Drehachse und den Gerätekoordinaten eingeschlossenen Winkel.

Wenn der Tastkopf in einer ersten Drehstellung mit der Längsachse mit einer ersten auf das Koordinatenmeßgerät bezogenen Koordinatenrichtung übereinstimmt, in einer zweiten Drehstellung mit einer zweiten Koordinatenrichtung und in einer dritten Drehstellung mit einer dritten Koor­ dinatenrichtung übereinstimmt, sind alle Koordinatenrich­ tungen Koordinatenmeßgerätes und somit des Werkstücks jeweils bezogen auf die Längsachse des Tastkopfes ausmeß­ bar. Mit anderen Worten liegt dann die Längsachse des Tastkopfes in jeder der ausgewählten Drehstellung jeweils auf einer Kante des gedachten, von den Gerätekoordinaten aufgespannten Würfels. Beispielsweise liegt die Längsachse des Tastkopfes in der ersten Drehstellung bezogen auf das Werkstück in Radiusrichtung, in der zweiten Drehstellung in Umfangsrichtung und in der dritten Drehstellung in der Achsrichtung des Werkstücks. Der Tastkopf ist damit bei­ spielsweise zum Ausmessen von Zahnradern geeignet, an denen Planflächen, Rundheit und Zahnflanken zu vermessen sind und deren Werkstückkoordinatensystem mit dem Geräte­ koordinatensystem im wesentlichen in Übereinstimmung gebracht worden ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Taststift auf der Längsachse des Tastkopfes angeordnet ist. Die dann mit Werkstückkoordinaten ebenfalls überein­ stimmenden, mit Tastkopfkoordinatenrichtungen Identischen Auslenkrichtungen des Taststifts liegen in diesem Fall so, daß ein ungehindertes Vermessen des betreffenden Werk­ stückes ohne Wechseln des Taststiftes möglich ist.

Obwohl es prinzipiell ausreichend wäre, wenn der Tastkopf lediglich bei einer Auslenkung des Taststiftes in einer Tastkopfkoordinatenrichtung ein Signal abgibt, ist es vor­ teilhaft, wenn der Tastkopf bei einer Auslenkung des Tast­ stiftes in - wenigstens zwei Tastkopfkoordinatenrichtungen ein der jeweiligen Auslenkung entsprechendes Signal lie­ fert. Bei Bedarf kann der Tastkopf auch derart ausgelegt werden, daß er bei einer Auslenkung des Taststiftes in drei Tastkopfkoordinatenrichtungen ein Signal liefert. Der mit einem geraden Taststift versehene Tastkopf kann dabei derart ausgebildet werden, daß der Taststift um zwei Achsen schwenkbar gelagert ist, die jeweils zu der Läng­ serstreckung des Taststiftes rechtwinklig stehen. Wenn diese jeweils im wesentlichen mit einer Tastkopfkoordina­ tenrichtung übereinstimmen, ist eine einfache Zuordnung zwischen den gemessenen Auslenkungen und den Tastkopfkoor­ dinaten möglich.

Zusätzlich kann der Taststift in der Tastkopfkoordinaten­ richtung, längs derer er angeordnet ist, d. h. entlang der Längsachse translatorisch verschiebbar sein. Jedoch kann diese Bewegung auch blockiert sein, weil in Folge der Schwenkbarkeit des Tastkopfes eine echte 3D-Abtastung bereits mit einem Tastkopf möglich ist, der lediglich ein oder zwei Koordinaten mißt.

Wenn die von dem Tastkopf abgegebenen Signale elektrische Signale sind, können die Meßergebnisse direkt in einer zu einem Koordinatenmeßgerät gehörigen Auswerteeinheit ver­ arbeitet werden.

Die Dreh- oder Schwenkbewegung des Tastkopfes um die Dreh­ achse kann mittels einer Schwenkeinrichtung herbeigeführt werden. Diese übernimmt nicht nur eine präzise Lagerung, sondern gestattet es auch, die drei Drehstellungen, in denen die Achsen des Tastkopfkoordinatensystems mit den Achsen des Gerätekoordinatensystems übereinstimmen, genau einzustellen und zu blockieren. Obgleich es auch möglich ist, die Schwenkeinrichtung von Hand zu betätigen, ist es vorteilhaft, wenn diese elektrisch angetrieben ist.

Um alle gewünschten Punkte der Werkstückoberfläche an­ tasten zu können, kann der Träger an einem Koordinatenmeß­ gerät in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen beweglich gelagert sein. Somit kann der von der Längsachse und der Drehachse definierte Tastpunkt über die Werkstückober­ fläche geführt werden, so daß deren Kontur erfaßbar ist. Dabei ist auch die Schwenkbewegung des Tastkopfes von der Verarbeitungseinheit steuerbar.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Koordinatenmeßgerät mit einem schwenkbar gelagerten Tastkopf in einer schematisierten Perspektivdarstellung,

Fig. 2a den um eine Drehachse schwenkbaren Tastkopf des Koordinatenmeßgerätes nach Fig. 1 beim Vermessen eines lediglich schematisch angedeuteten Werk­ stückes in einer ersten Stellung in Perspektiv­ darstellung,

Fig. 2b den Tastkopf nach Fig. 2a beim Vermessen des lediglich schematisch angedeuteten Werkstückes in einer zweiten Stellung in Perspektivdarstel­ lung,

Fig. 2c den Tastkopf nach Fig. 2a beim Vermessen des lediglich schematisch angedeuteten Werkstückes in einer dritten Stellung in Perspektivdarstel­ lung,

Fig. 3a die Lage der Schwenkachse des Tastkopfes nach Fig. 2a in Bezug auf ein Tastkopfkoordinatensy­ stem und ein Gerätekoordinatensystem,

Fig. 3b die Lage der Schwenkachse des Tastkopfes nach Fig. 2b in Bezug auf das Tastkopfkoordinatensy­ stem und das Gerätekoordinatensystem, und

Fig. 3c die Lage der Schwenkachse des Tastkopfes nach Fig. 2c in Bezug auf das Tastkopfkoordinatensy­ stem und das Gerätekoordinatensystem.

In der Fig. 1 ist ein Koordinatenmeßgerät 1 dargestellt, das einen Unterbau 2 aufweist, auf dem ein um eine Dreh­ tischachse drehbarer Drehtisch 3 sowie ein Ständer 4 für einen Tastkopf 5 angeordnet sind.

Der auf dem ruhenden und steif ausgebildeten Unterbau 2 angeordnete Drehtisch 3 dient der Aufnahme von in Fig. 1 zu vermessenden Werkstücken, die auf dem Drehtisch 3 aufzuspannen sind. Der Drehtisch 3 ist mit einer von dem Unterbau 2 aufgenommenen Antriebseinrichtung verbunden, mit deren Hilfe der Drehtisch 3 um eine vertikale Dreh­ achse drehbar ist. Die Antriebseinrichtung gestattet dabei ein definiertes Drehen des Drehtisches 3 und zwar kon­ tinuierlich oder in Winkelschritten, die so gering sind, daß auch am Umfange der größtmöglichen zu spannenden Werk­ stücke die vorgesehene räumliche Auflösung erreicht wird.

Auf dem Unterbau 2 ist der Ständer 4 in einem entsprechen­ den Bett längs einer mit Y bezeichneten horizontalen Achse verschiebbar gelagert, wobei die Position des Ständers 4 von einer Meßeinrichtung erfaßt und an eine Auswerteein­ richtung weitergegeben wird.

An einer dem Werkstück zugewandten Seite 7 des ansonsten im wesentlichen prismatisch ausgebildeten Ständers 4 ist eine Linearführung 8 zur Lagerung eines Schlittens 9 vorgesehen. Der Schlitten 9 ist durch die Linearführung 8 längs einer vertikalen, mit Z bezeichneten Achse (Z-Achse) längsverschieblich gelagert. Die Z-Achse stimmt dabei mit der Drehtischachse überein. Eine nicht weiter dargestellte Antriebseinrichtung sowie eine Längenmeßeinrichtung geben die Daten über die aktuelle Position des Schlittens 9 an die Auswerteeinheit.

An dem Schlitten 9 ist ein starrer Arm oder Ausleger 11 befestigt, der in Richtung auf das Werkstück zu vorsteht und über eine nicht weiter dargestellte Antriebseinrich­ tung und eine Linearführung längs einer dritten, mit R bezeichneten Achse (R-Achse) verschoben werden kann, die rechtwinklig zu der Y- und der Z-Achse liegt. Der Ausleger 11 liegt dabei mit seiner Längserstreckung im wesentlichen waagerecht und zwar sowohl zu der Z-Achse als auch zu der R-Achse orthogonal. Der Ausleger 11 beherbergt eine Dreh­ einrichtung, deren Abtrieb mit einem sich unmittelbar an den Ausleger 11 anschließenden Träger 12 verbunden ist und die den Träger 12 um eine Drehachse 13 schwenken kann. Die genaue Lage dieser Drehachse 13 in Bezug auf die übrigen an dem Werkstück und der Meßmaschine vorgesehenen Koor­ dinatenrichtungen ist an späterer Stelle erläutert.

Der Trager 12 ist an seiner dem Werkstück zugewandten Stirnseite mit einem Tastkopf 14 fest verbunden. Der Tastkopf 14 weist einen Taststift 15 auf, der an seiner Spitze als Tastelement eine Tastkugel 16 trägt. Der Tast­ stift 15 ist dabei auf einer in Fig. 1 vertikal liegenden und mit der Z-Achse übereinstimmenden Längsachse W des Tastkopfs 14 angeordnet. Über die Tastkugel 16 steht der Tastkopf mit einem rotationssymmetrischen Werkstück 17 in Berührung.

Der Taststift 15 ist um zwei horizontal liegende Achsen schwenkbar gelagert, wobei die jeweilige Auslenkung des Tastkopfes in ein elektrisches Signal umgesetzt und an die Auswerteeinheit geleitet wird. Die nicht dargestellte Auswerteeinheit ist mit einer Tastatur als Bedieneinrich­ tung verbunden.

In den Fig. 2a bis c sind drei ausgewählte Stellungen des Tastkopfes 14 dargestellt, die er durch eine Drehung um seine Drehachse 13 einnehmen kann. Dabei ist die Lage der Drehachse 13 sowohl in Bezug auf das Werkstück 17 als auch in Bezug auf den Tastkopf 14 aus den Fig. 3a bis 3c er­ sichtlich. In diesen sind die geometrischen Beziehungen zwischen einem auf das Koordinatenmeßgerät 1 bezogenen RYZ-Koordinatensystem und einem auf den Tastkopf 14 bezo­ genen Tastkopfkoordinatensystem UVW sowie die Lage der Drehachse 13 abstrakt dargestellt.

Die Drehachse 13 ist auf der Raumdiagonalen eines von dem Tastkopfkoordinatensystem UVW aufgespannten gedachten Würfels 20 angeordnet. Bezogen auf den in den Fig. 2a bis 2c dargestellten Tastkopf 14 ist das Tastkopfkoordina­ tensystem UVW derart ausgerichtet, daß die Längsachse W des Tastkopfes 14 zugleich eine Koordinatenrichtung W des Tastkopfkoordinatensystems UVW ist. Die Drehachse 13 schließt mit der Längsachse W einen Winkel ein, dessen Größe gleich dem Arcustangens von Wurzel aus zwei ist. Der Schnittpunkt zwischen der Drehachse 13 und der Längsachse W ist zugleich mit einem Tastpunkt 21 im wesentlichen identisch, der die Berührungsstelle zwischen dem Werkstück 17 und der Tastkugel 16 markiert.

Die weiteren, voneinander unabhängige Auslenkrichtungen des Taststiftes 15 markierenden Tastkopfkoordinatenrich­ tungen U, V schließen mit der Drehachse 13 ebenfalls einen Winkel von Arcustangens aus Wurzel aus zwei ein. Dabei ist die Tastkopfkoordinatenrichtung U in einer ersten Stellung des Tastkopfes 14 vertikal orientiert, wie die Fig. 2a und 3a zeigen. In diesem Fall liegt die Tastkopfkoordinaten­ richtung V horizontal.

Wie insbesondere aus Fig. 3a ersichtlich ist, liegt die Drehachse 13 zugleich auf einer Raumdiagonalen eines gedachten Würfels 21, der von den Gerätekoordinaten R, Y, Z aufgespannt ist. Die Kanten des gedachten Würfels 21 stimmen dabei mit den Kanten des gedachten Würfels 20 in ihrer jeweiligen Richtung überein, so daß die Tastkopf­ koordinatenrichtung U mit der Gerätekoordinatenrichtung Z, die Tastkopfkoordinatenrichtung V mit der Gerätekoordina­ tenrichtung R und die der Längsachse entsprechende Tast­ kopfkoordinatenrichtung W mit der Gerätekoordinatenrich­ tung Y übereinstimmen.

In dieser ersten Stellung des Tastkopfes 14 wird der Taststift 15 in der U- und der V-Tastkopfkoordinatenrich­ tung ausgelenkt, womit die so erhaltenen Signale die R- und die Z-Koordinatenrichtungen der an dem Werkstück 17 angetasteten Punkte repräsentieren.

Eine Drehung des Tastkopfes 14 um seine Drehachse 13 mit einem Winkel von 120° bringt eine zyklische Vertauschung der miteinander übereinstimmenden Tastkopf- und Geräte­ koordinatenrichtungen mit sich. Wie nämlich aus den Fig. 2b und 3b hervorgeht, stimmen zwar wiederum die von den Tastkopfkoordinatenrichtungen U, V, W gebildeten bestim­ menden Kanten des Würfels 20 mit den bestimmenden Kanten R, Y, Z des Würfels 21 in ihrer jeweiligen Richtung über­ ein, jedoch entspricht nun die Tastkopfkoordinatenrichtung U der Gerätekoordinatenrichtung R, die Tastkopfkoordina­ tenrichtung V der Gerätekoordinatenrichtung Y und die Längsachse W des Tastkopfes 14 der Gerätekoordinatenrich­ tung Z.

Der Tastpunkt 22 liegt auch hier wieder auf der Drehachse 13 und zwar bei dem Schnittpunkt zwischen der Längsachse W und der Drehachse 13. Auch in dieser, in den genannten Figuren dargestellten Drehstellung kann aus den von dem Tastkopf 14 abgegebenen Tastkopfkoordinatensignalen, die eine Auslenkung des Taststiftes 15 in der Tastkopfkoor­ dinatenrichtung U oder V repräsentieren, direkt auf die Lage des Tastpunktes 22 in dem Gerätekoordinatensystem RYZ geschlossen werden.

In der dritten, in Fig. 2c dargestellten Stellung des Tastkopfes 14 sind die in Fig. 3c dargestellten Beziehun­ gen zwischen dem Tastkopfkoordinatensystem UVW und dem Gerätekoordinatensystem RYZ anzutreffen. Die dritte Dreh­ stellung unterscheidet sich von der zweiten durch eine weitere Drehung um die Drehachse 13 mit einem Winkel von 120°. Wiederum stimmen die von den Koordinatensystemen definierten gedachten Würfel 20, 21 mit ihren Kantenrich­ tungen überein. Jedoch liegt in dieser Drehstellung die Tastkopfkoordinatenrichtung U in der Gerätekoordinaten­ richtung Y, die Tastkopfkoordinatenrichtung V in der Gerätekoordinatenrichtung Z und die Längsachse W des Tast­ kopfes 14 in der Gerätekoordinatenrichtung R, die die Radiusrichtung für das in Zylinderkoordinaten zu erfassen­ de rotationssymmetrische Werkstück 17 bildet.

Der Tastpunkt 22 liegt nach wie vor auf dem Schnittpunkt zwischen der Längsachse W und der Drehachse 13, der zu­ gleich den gemeinsamen Eckpunkt der gedachten Würfel 20, 21 bildet.

Das insoweit beschriebene Koordinatenmeßgerät 1 arbeitet bei dem Ausmessen des Werkstückes 17 wie folgt:
Das zu vermessende Werkstück 17 ist im Beispiel ein schrägverzahntes Stirnrad 17, das mit einer Planseite auf den Drehtisch 3 aufgelegt und auf diesem mit einer Spann­ einrichtung gegen Verrutschen gesichert ist. Das Zahnrad 17 weist dabei in den Fig. 2a bis 2c nicht weiter darge­ stellte Zähne, eine Zylinderfläche sowie eine kreisring­ förmige Planfläche auf, die der Planseite gegenüberliegt.

Zur Vermessung der Höhe eines Zahns oder der Rundheit der Zylinderfläche wird der Tastkopf 14 bspw. zuerst in seine in Fig. 2a dargestellte Drehstellung gebracht, in der seine Längsachse W waagerecht liegt und mit der Geräte­ koordinatenrichtung Y übereinstimmt. Nunmehr werden der Ständer 4 und der Schlitten 9 soweit an das Werkstück herangefahren, daß die Tastkugel 16 das Zahnrad 17 in einem Tastpunkt 22 berührt. Soll nun die Kopf- oder Zahn­ höhe vermessen werden, wird der Tastpunkt 22 auf einen an dem Kopfkreis liegenden Punkt des Zahns gelegt. Die Aus­ lenkung in der Tastkopfkoordinatenrichtung V entspricht dabei einer Ortsveränderung des Tastpunktes 22 in der Radiusrichtung R. Durch translatorisches Verfahren des Tastkopfes 14 in Z-Richtung kann der Zahn gescannt werden. Bei schrägverzahnten Zahnrädern wird der translatorischen Bewegung des Tastkopfes eine Drehbewegung des Drehtisches 3 überlagert, deren Verhältnis zueinander durch den Schrä­ gungswinkel bestimmt ist.

Außerdem ist es in dieser Stellung des Tastkopfes 14 möglich, die Rundheit von der an dem Werkstück 17 vor­ gesehenen Zylinderfläche auszumessen. Der Tastpunkt 22 wird dazu auf die Zylinderfläche gelegt, wobei das Werk­ stück mittels des Drehtisches gedreht wird.

Zur Ausführung einer Geradheitsmessung wird der Tastkopf 14 in seine in der Fig. 2b dargestellte Drehstellung geschwenkt. Eine translatorische Bewegung des Tastkopfes 14 durch ein Verfahren des Trägers 4 oder des Schlittens 9 ist dabei nicht erforderlich. Der Tastpunkt 22 bleibt zumindest dann erhalten, wenn er bei der vorigen Dreh­ stellung auf dem Schnittpunkt zwischen der Längsachse W und der Drehachse 13 gelegen hat.

Zur Ausführung einer Zahnmessung an dem Zahnrad 17. bei dem eine Zahnflanke zu vermessen ist, wird der Tastkopf 14 nochmals um 120° um die Drehachse 13 gedreht, so daß er in seine in Fig. 2c dargestellte Stellung kommt. Durch eine Translationsbewegung des Tastkopfes 14 infolge einer Linearverschiebung des Schlittens 9 kann der Zahn in Z- Richtung abgetastet werden. Entsprechend dem Schrägungs­ winkel wird der Translationsbewegung noch eine Drehbewe­ gung des Drehtisches 3 um seine zu der Z-Achse parallel liegende Drehachse überlagert.

Weitere Zähne werden vermessen, indem der Tastkopf 14 mit seinem Taststift 15 und seiner Tastkugel 16 zunächst soweit verschoben wird, daß er nicht mehr mit dem Werk­ stück 17 in Eingriff steht. Danach wird der Drehtisch 3 soweit weitergedreht, bis die nunmehr zu vermessenden Oberflächenpunkte des Zahnrades 17 an einer für den Tast­ kopf 14 zugänglichen Stellen positioniert sind. Die Ver­ messung des Zahnrades 17 erfolgt dann, wie vorstehend be­ schrieben, wobei der Tastkopf 14 durch eine Drehung um die Drehachse 13 jeweils in die entsprechende für die konkrete Messung erforderliche Position gebracht wird.

Um sicherzustellen, daß der Tastpunkt 22 bei einer Ver­ drehung des Tastkopfes 14 um die Drehachse 13 im Rahmen der Meßgenauigkeit exakt erhalten bleibt, ist der Schnitt­ punkt zwischen der Längsachse W und der Drehachse 13 in die Mitte der als Tastelement dienenden Tastkugel 16 gelegt. Das Antasten des Tastpunktes erfolgt durch eine translatorische Zustellbewegung des Tastkopfes 14 soweit, bis durch eine Auslenkung des Taststiftes 15 aus seiner Ruhelage der durch die Berührung zwischen der Werkstück- und der Kugeloberfläche gebildete Tastpunkt den Schnitt­ punkt der Längsachse W mit der Drehachse 13 erreicht hat. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Mittelpunkt der Tastku­ gel 16 bei in Ruhestellung befindlichem Taststift. Wird der Tastkopf 14 nun in seine nächste Drehstellung gedreht, ändert sich zwar die Auslenkung des Taststiftes 15 in Bezug auf den Tastkopf 14, jedoch bleibt der an dem Werk­ stück 17 angetastete Tastpunkt 22 erhalten. Dies ist sichergestellt, weil er auf der Drehachse 13 liegt.

Durch die Drehung das Tastkopfes 14 um seine Drehachse 13 ist das Koordinatenmeßgerät 1 für unterschiedliche Meßauf­ gaben an einem oder mehreren Werkstücken verwendbar, wobei infolge der Beibehaltung des Tastpunktes auch beim Drehen des Tastkopfes kein Meßvolumen verloren geht. Es ist nämlich in jeder Drehstellung des Tastkopfes der gesamte, durch den maximalen translatorischen Verfahrweg begrenzte Meßweg ausnutzbar.

In einer vereinfachten Ausführungsform des Koordinatenmeß­ gerätes 1 ist der Tastkopf 14 lediglich in zwei Drehstel­ lungen verschwenkbar. Wenn der Taststift 15 in zwei Tast­ kopfkoordinatenrichtungen auslenkbar ist, kann auch schon mit dem lediglich in zwei Richtungen verschwenkbaren Tastkopf eine echte 3D-Abtastung erreicht werden.

Claims (28)

1. Meßeinrichtung (1) zur Vermessung eines Werkstückes (17)
mit einem Tastkopf (14), der über einen Träger (11) an einem definiert im Raum gehaltenen Ausleger (12) um eine Drehachse (13) in wenigstens zwei Drehstel­ lungen schwenkbar gelagert ist,
mit einem an dem Tastkopf vorgesehenen Taststift (15), der in wenigstens einer Tastkopfkoordinaten­ richtung (U) auslenkbar ist,
mit einer Wandlereinrichtung, die eine Auslenkung des Taststiftes (15) in der wenigstens einen Tastkopf­ koordinatenrichtung (U) eines auf den Tastkopf bezo­ genen Tastkopfkoordinatensystems (UVW) in ein Signal umsetzt,
wobei die Drehachse (13) derart angeordnet ist, daß alle Tastkopfkoordinatenrichtungen (U, V. W) des Tastkopfkoordinatensystems (UVW) mit der Drehachse (13) einen gleichen, von Null verschiedenen, nicht rechtwinkligen Winkel einschließen.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehachse (13) auf der Raumdiagonalen eines durch die Tastkopfkoordinatenrichtungen (U, V, W) festgelegten, gedachten Würfels (20) angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehachse auf der Raumdiagonalen eines gedachten Würfels (21) liegt, der von auf die Meß­ einrichtung (1) bezogenen Koordinatenrichtungen (R, Y, Z) festgelegt ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeich­ net, daß der von Null verschiedene, nicht rechtwink­ lige Winkel gleich dem Arcustangens aus Wurzel aus Zwei ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der schwenkbar gelagerte Tastkopf (14) in drei gegeneinander um jeweils 120° um die Drehachse (13) verdrehten Drehstellungen schwenkbar ist, in denen die Koordinatenrichtungen (R, Y, Z) der Meß­ einrichtung (1) mit den Tastkopfkoordinatenrichtungen (U, V, W) übereinstimmen.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) in einer ersten Drehstel­ lung mit einer mit der Tastkopfkoordinatenrichtung (W) übereinstimmenden Längsachse (W) mit einer ersten auf die Meßeinrichtung (1) bezogenen Koordinatenrich­ tung (Y) übereinstimmt.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) in einer zweiten Drehstel­ lung mit der Längsachse (W) mit einer zweiten auf die Meßeinrichtung (1) bezogenen Koordinatenrichtung (Z) übereinstimmt.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) in einer dritten Drehstel­ lung mit seiner Längsachse (W) mit einer dritten auf die Meßeinrichtung (1) bezogenen Koordinatenrichtung (R) übereinstimmt.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) ein Tastelement (16) aufweist, mit dem das Werkstück (17) in einem Tast­ punkt (22) antastbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastpunkt (22) durch den Schnittpunkt der Längsachse (W) mit der Drehachse (13) bestimmt ist.

11. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) bei einer Auslenkung des Taststiftes (15) in wenigstens zwei Tastkopfkoordina­ tenrichtungen (U, V) ein der jeweiligen Auslenkung entsprechendes Signal liefert.

12. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) bei einer Auslenkung des Taststiftes (15) in wenigstens drei Tastkopfkoordina­ tenrichtungen (U, V, W) ein der jeweiligen Auslenkung entsprechendes Signal liefert.

13. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) des Tastkopfes (14) auf einer mit der Koordinatenrichtung (W) des Tastkopfes (14) übereinstimmenden Längsachse (W) angeordnet ist.

14. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) ungekröpft ist.

15. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Tastelement (16) eine Tastkugel (16) ist.

16. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) des Tastkopfes (14) um zwei Achsen (U, V) schwenkbar gelagert ist, die je­ weils zu der Längsachse (W) rechtwinklig stehen.

17. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) des Tastkopfes (14) um zwei Achsen schwenkbar gelagert ist, die jeweils im wesentlichen mit einer Tastkopfkoordinatenrichtung (U, V) übereinstimmen.

18. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) in der Tastkopfkoordina­ tenrichtung (W), längs derer er angeordnet ist, translatorisch verschiebbar gelagert ist.

19. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Taststift (15) in der Tastkopfkoordina­ tenrichtung (W), längs derer er angeordnet ist, blockiert ist.

20. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die von dem Tastkopf (14) abgegebenen Signa­ le elektrische Signale sind.

21. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (14) zum Verschwenken um die Drehachse (13) an einer Schwenkeinrichtung befestigt ist.

22. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkeinrichtung in drei gegeneinander um 120° verdrehten Drehstellungen blockierbar ist.

23. Meßeinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß die drei Drehstellungen die Stellungen sind, in denen die Gerätekoordinatenrichtungen (R, Y, Z) mit den Tastkopfkoordinatenrichtungen (U, V, W) über­ einstimmen.

24. Meßeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwenkeinrichtung elektrisch gesteuert ist.

25. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (12) an einem Koordinatenmeßgerät (1) in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen (Z, R) beweglich gelagert ist.

26. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Koordinaten des Trägers (12) von einer an dem Koordinatenmeßgerät (1) vorgesehenen Verarbei­ tungseinrichtung erfaßt und mit den von dem Tastkopf (14) gelieferten Signalen verknüpft werden.

27. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (12) über eine Antriebseinrich­ tung elektrisch angetrieben ist.

28. Meßeinrichtung nach Anspruch 23, 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkeinrichtung und die Antriebseinrichtung von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert sind.