DE4402061C1 - Feststehendes Portal für Präzisions-Koordinatenmeßgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein feststehendes Portal für Präzisions-Koordinatenmeßgeräte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Portale umrahmen mit ihrem Grundbett, den Stützen und der Traverse ein Rechteck, wobei die Traverse zunächst einen Schlitten, dieser eine Pinole und diese den Meßkopf trägt. Herkömmlich werden die Bestandteile so ausgelegt und miteinander verbunden, daß alle Seitenlängen und alle Winkel dieses Rechteckes je einzeln festgelegt werden. Dies bedingt, daß alle Anschlüsse zwischen Grundbett, Stützen und Traverse flächig ausgebildet sind, und diese Flächen hochgenau winklig zueinander ausgerichtet sein müssen. Da das Rechteck durch vier Seiten und vier Winkel bestimmt ist, bedingen die mit allem Aufwand nicht ausschaltbaren Abweichungen bei der Montage, daß an den Verbindungsstellen Justierhilfen als Verbindungselemente eingesetzt werden müssen. Eine derartige Bauweise erfordert einen hohen Aufwand bei der Anfertigung der Teile und der Montage der Teile zum Portal, um hierdurch die Grundlage für eine genaue Ausmessung eines auf dem Grundbett angeordneten Werkstückes mit Hilfe des Meßkopfes zu gewährleisten.

Die Koordinatenmeßgeräte unterliegen grundsätzlich thermischen, statischen und dynamischen Einflüssen, so daß es bei den zum Stand der Technik gehörenden Portalen bei der Messung zu Störungen durch Verspannungen und Deformationen kommt. Wegen der steifen Verbindung der Bestandteile übertragen sich diese Störungen stets auf alle Bestandteile der Konstruktion, einschließlich des Meßkopfes, so daß die Vorausbestimmung sowie die Erfassung derartiger Störungen im Meßbetrieb außerordentlich erschwert wird.

Gemäß der DE-OS 39 20 718 A1 ist ein Portal bekannt geworden, das zwar mit erheblich geringerem Aufwand hergestellt werden kann und dessen Gewicht wesentlich reduziert ist, so daß auch der Transportaufwand verringert wird und die Aufstellmöglichkeiten erweitert werden, und dessen Verhalten bei auftretenden Störungen durch thermische, statische und dynamische Beeinflussung wesentlich einfacher erfaßt und beschrieben werden kann. Bei diesem Portal sind die aufgrund der genannten Einflüsse auftretenden Störungen dadurch reduziert, daß drei der vier Verbindungen zwischen Grundbett sowie erster und zweiter Stütze und Traverse drehbeweglich ausgeführt sind.

Diese zum Stand der Technik gehörende Portal- Konstruktion weist zwar eine ausreichende Quer- und Längssteifigkeit auf, auftretende Verspannungen lassen sich aber meßtechnisch nur schwer erfassen.

Eine ähnliche Anordnung ist in der EP 0 523 023 A1 offenbart. In dieser Druckschrift ist eine Koordinatenmeßmaschine angegeben, bei der eine oder mehrere vertikale Stützen vorgesehen sind und ein oder mehrere horizontale Balken, wobei der oder die Balken eine Stange mit einem Meßkopf, einem Werkzeug oder dergleichen tragen. Bei dieser Ausführung ist wenigstens eine Stütze fest mit einem Grundelement verbunden, so daß diese Verbindung biegesteif ist und die Stütze sich nicht um ihre longitudinale Achse drehen kann. Die restlichen Verbindungen sind gelenkig ausgebildet.

Bei dieser Ausführung besteht infolge der Aufteilung der Funktion auf die rechte beziehungsweise linke Stütze eine starke Asymmetrie, die sich nachteilig auf die thermischen Eigenschaften auswirkt.

Darüber hinaus ist die Quersteifigkeit des beschriebenen Portals nicht sehr hoch, so daß ein Sensor vorgesehen ist, der die auftretenden Verformungen mißt, um eine rechnerische Kompensation durchzuführen.

Gemäß der US-PS 5,257,461 ist ein Portal offenbart, das ringförmig geschlossen ist. Die Steifigkeit in Y- Richtung ist jedoch dadurch begrenzt, daß die Masse dieses Aufbaus begrenzt werden muß, da das Portal ein bewegtes Teil darstellt.

Dadurch ist die Steifigkeit nicht so groß wie bei einem statischen Grundbett wie auch bei einer statischen Traverse. Insbesondere ist die Torsionssteifigkeit bei Drehbelastungen um die Hochachse nicht sehr hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Grundbett der Maschine mit der Traverse in noch steiferer Weise zu verbinden, ohne daß eine Verspannung zwischen diesen Teilen auftritt, die die mit hoher Präzision hergestellte Einzelgeometrie des Grundbettes und der Traverse beeinträchtigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß jetzt als Stützen für die Traverse zwei relativ breite Bleche vorgesehen sind, ist die Steifigkeit gegen an der Traverse angreifende Kräfte in Richtung des Grundbettes, nachfolgend als X-Richtung bezeichnet, sehr groß, desgleichen die Steifigkeit gegen an die Traverse angreifende Momente um die Richtung vom Grundbett zur Traverse, nachfolgend als Z-Richtung bezeichnet. Lediglich in der Querrichtung zum Grundbett, nachfolgend als Y- Richtung bezeichnet, ist die Traverse gegenüber dem Grundbett nachgiebig.

Die Biegesteifigkeit in der Y-Richtung ist bei der Erfindung dadurch wesentlich erhöht, daß wenigstens längs eines Bleches zwischen Grundbett und Traverse zusätzlich wenigstens eine Verstärkung vorgesehen ist, welche mit dem Grundbett und der Traverse biegesteif verbunden ist, und daß die wenigstens eine Verstärkung aus zwei Teilen besteht, deren freie Enden durch ein zweifach tailliertes Schubglied miteinander verbunden sind.

Solche Verstärkungen können in sich biegesteife T- Träger, Doppel-T-Träger, aber auch Hohlprofilkörper sein, welche mit dem Grundbett sowie mit den Enden der Traverse gemeinsam mit den Blechen fest verbunden sind, ansonsten aber neben den Blechen freiliegend angeordnet sind. Diese Verstärkungen definieren die Biegesteifigkeit des Portales in der Y-Richtung.

Dadurch, daß die wenigstens eine Verstärkung zweiteilig ausgebildet ist und die freien Enden der Teile durch ein zweifach tailliertes Schubglied miteinander verbunden sind (Fig. 3b), wird die Steifigkeit gegenüber Kräften in der Y-Richtung vervierfacht gegenüber einer nur einteiligen Verstärkung (Fig. 3a). Dabei kommt in beiden Fällen der gleiche Querschnitt für die Verstärkung und mithin das gleiche Material zum Einsatz.

Ein Vorteil der vorgeschlagenen Bauart liegt darin, daß die korrekte Winkelausrichtung der Traverse zum Grundbett allein durch die Bleche definiert ist. Die Verstärkung legt lediglich die Position der Traverse in der Y-Richtung fest, hat aber auf die Winkel X-Y und X-Z keinen Einfluß. Eine Veränderung der Winkellage durch thermischen Einfluß ist daher eindeutig zu bestimmen, wenn man die Temperaturverteilung in den Blechen durch entsprechend angebrachte Sensoren erfaßt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die doppelt taillierten Schubglieder so ausgebildet und angeordnet, daß sie leicht entfernbar oder zumindest lösbar oder lockerbar zwischen den Verstärkungsteilen angeordnet sind, so daß bei Teilung der Bleche und gegebenenfalls Vorsehen weiterer Scharniere zwischen den sich übergreifenden Teilen der Bleche bei koaxialer Ausrichtung der Scharniere der Bleche und der Achse der Schubglieder das Portal an dieser Stelle abgeknickt werden kann, so daß das Portal beispielsweise zum Transport ein geringes Volumen einnehmen kann. Bei Wiederaufrichtung des Portales wird die Ausgangssteifigkeit erreicht.

Das Wesentliche der Erfindung wird darin gesehen, daß durch die Verwendung der Bleche als Stützen für das Portal mit ihren zweigeteilten Verstärkungen und den vorgesehenen zweifach taillierten Schubgliedern eine Übertragung nennenswerter Biegemomente um die Z- und X-Richtung und damit auf deren Anschlußstellen an Traverse und Grundbett nicht möglich ist, und daß die Biegesteifigkeit in der Y- Richtung bei geringem Materialeinsatz möglichst groß ist.

Die optimale Biegesteifigkeit der Verstärkung ergibt sich, wenn beide Teile der Verstärkung gleiche Längen aufweisen.

Vergleichsweise beträgt die Steifigkeit in der Y- Richtung bei Verwendung eines einzigen durchbiegbaren Trägers, der an seinem unteren Ende momentensteif am Grundbett und mit seinem oberen Ende in der zum Stand der Technik gehörenden Weise gelenkig angebracht ist, nur ein Viertel der Steifigkeit bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ausbildung.

Erkauft wird dieser beträchtliche Zugewinn an Quersteifigkeit durch die Einleitung eines Momentes um die X-Achse bei Querbelastung in Y-Richtung an den Anschlußstellen der Verstärkungen an Grundbett und Traverse. Diese Belastung ist aber nicht statisch. Sie tritt also nur bei dynamischer Belastung, zum Beispiel bei Beschleunigung des auf der Traverse angebrachten Schlittens in der Y-Richtung auf. Außerdem sind Traverse und Grundbett aus anderen Gründen ohnehin auf hohe eigene Biegesteifigkeit dimensioniert und können daher durch diese dynamischen Biegekräfte nicht nennenswert verformt werden.

Die Steifigkeit der Stützen in der Y-Richtung läßt sich verdoppeln, wenn eine entsprechende Verstärkung des Bleches auf der gegenüberliegenden Seite des Grundbettes angebracht wird. Bei Anbringung einer solchen zweiten Verstärkung ist zu beachten, daß keine statischen Biegemomente um die X-Achse in Traverse und Grundbett durch Verspannung des zweiten Bleches mit Verstärkung gegen das erste Blech mit Verstärkung eingebracht werden. Dies läßt sich in der Y-Achse durch Vorsehen je eines Schubgliedes für jede Verstärkung eines Bleches erreichen. Die Schubglieder müssen dann zueinander einstellbar sein.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trägeranordnung sind

• a) hohe Steifigkeit in Y-Richtung bei kleinem Materialaufwand,
• b) eindeutige Belastungsverhältnisse für Grundbett und Traverse, da die Anordnung statisch momentenfrei ist,
• c) keine hohen Anforderungen an die Lage der Flansche zur Befestigung der Stützen am Grundbett und Traverse, da Geometriefehler durch Nachgiebigkeit des Schubgliedes aufgefangen werden,
• d) sehr niedrige Herstellungskosten, da billige Standardprofile, zum Beispiel Hohl- oder Doppel-T- Trägerprofile als Verstärkung verwendbar sind.

Die Kombination der verwendeten Stützbleche und ihrer mindestens einen Verstärkung bietet aber mehr als nur die Summe der obengenannten Vorteile, denn nur die Bleche definieren die rechtwinklige Lage der Traverse zum Grundbett. Die Verstärkungen tragen hierzu nicht bei.

Daher ist die räumliche Lage der Traverse zum Grundbett bei Temperaturveränderungen an die Temperaturen der Bleche gekoppelt. Diese sind leicht zu bestimmen, und die Winkel damit bei veränderbaren Temperaturverhältnissen leicht zu berechnen.

Die Anordnung kann völlig symmetrisch zur X-Z-Ebene ausgeführt werden. Dies ist für das Verhalten bei schnellen Temperaturveränderungen günstig, da Winkelveränderungen infolge unterschiedlicher Massenverteilungen und daher unterschiedlicher thermischer Zeitkonstanten minimiert werden.

Darüber hinaus erlaubt die vorgenannte Anordnung, mit geringem Aufwand für Transportzwecke die gesamte Traversen- Schlittenanordnung um die Achse der Schubglieder, also parallel zur Y-Achse zu klappen und damit die Transporthöhe zu reduzieren. Hierzu sind lediglich folgende Maßnahmen erforderlich:

Die Bleche werden jeweils in eine obere und untere Hälfte geteilt, die sich um einen ausreichenden Betrag überlappen, so daß nach Aufrichtung der Traverse eine flächige Schraubverbindung möglich wird.

Die obere und untere Hälfte sind in einem Gelenk verkoppelt, dessen Achse sich mit der Achse der Schubglieder deckt.

Um beim Wiederaufrichten der Traverse diese wieder in die ursprüngliche Lage zu bringen, ist an mindestens einer Seite an den Blechteilen ein fester Anschlag vorgesehen, der die Winkellage der oberen und unteren Bleche bei ihrer Verbindung wieder herstellt.

Das Absenken und Aufrichten der Traverse kann mittels Hallenkran oder zwischen Grundbett und Traverse bzw. oberen Stützteilen anzubringender Zugvorrichtungen erfolgen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Portales;

Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1;

Fig. 2a einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 2;

Fig. 3a und 3b Skizzen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung;

Fig. 4 die Seitenansicht der Fig. 1 in eingeklapptem Zustand des Portales;

Fig. 5 eine Einzelheit der Fig. 1 in geänderter Ausführung;

Fig. 6 eine geänderte Ausbildung;

Fig. 7 die Draufsicht auf die Fig. 6 in Richtung des Pfeiles VII.

Gemäß Fig. 1 sind an einem Grundbett (1) sowie an einer Traverse (2) zwei Bleche (30 und 31) vorgesehen, welche die Traverse (2) tragen. Das Portal (2) trägt einen in Richtung seiner Achse A-A, das heißt in Y-Richtung, verschiebbaren Schlitten (5), der die Pinole (34) trägt. Der Meßkopf (32) wird von der Pinole (34) getragen und ist in Richtung der Bleche (30 und 31), das heißt in Z- Richtung, mit Hilfe der Pinole (34) verschiebbar. Die Taster des Meßkopfes (32) sind mit (33) bezeichnet.

Auf dem Grundbett (1) wird das auszumessende Werkstück (35) angeordnet. Das Werkstück (35) ist mit Hilfe eines Tisches (36) auf dem Grundbett (1) in der X-Richtung verschiebbar.

Die Bleche (30 und 31) weisen in der X-Richtung eine Breite auf, daß sie in dieser Richtung als vollkommen biegesteif angesehen werden können. Sie sind hierzu von der Traverse (2) zum Grundbett (1) hin erweitert.

Die Stärke der Bleche (30 und 31) ist derart bemessen, daß die Bleche (30 und 31) allein die Traverse (2) mit Schlitten (5), Pinole (34) und Meßkopf (32) tragen können. Die Bleche (30 und 31) verhindern damit, daß sich die Traverse (2) bei Belastung beispielsweise durch Verschieben des Meßkopfes (32) in der X- und Z-Richtung in der X- Richtung auswandert. Auch bei Temperatureinflüssen wird auf die Bleche (30 und 31) kein Drehmoment um die Z-Achse ausgeübt.

Damit können sich die Bleche (30 und 31) bei Belastung nur in der Y-Richtung durchbiegen, beispielsweise wie in Fig. 3a für das Blech (30) dargestellt, wenn die Traverse (2) bei Belastung in Richtung des Pfeiles (F) auswandert. Um diese Auswanderung in Richtung des Pfeiles (F) in Grenzen zu halten, sind neben den Blechen (30 und 31) Verstärkungen (40 und 41) vorgesehen, welche ebenso wie die Bleche (30 und 31) mit Schrauben (42 und 43) mit dem Grundbett (1) und der Traverse (2) verbunden sind.

In Fig. 3a ist der Fall dargestellt, daß die Verstärkung (40) aus einem Stück besteht. Man erkennt, daß sich bei Auswanderung der Traverse (2) in Richtung des Pfeiles (F) das Blech (30) S-förmig durchbiegt, da es sowohl mit dem Grundbett (1) als auch mit der Traverse (2) fest verbunden ist. Die Verstärkung (40) folgt dieser Durchbiegung nicht, wenn sie gemäß dem Stand der Technik mit der Traverse (2) gelenkig verbunden ist. Das heißt, sie trachtet danach, die in Fig. 3a dargestellte gekrümmte Lage einzunehmen.

Um hier zu besseren Ergebnissen zu kommen, ist die Verstärkung (40) gemäß Fig. 3b aus zwei Teilen (4a und 4b) gebildet. Die Enden (6 und 7) der Teile (4a und 4b) sind fest mit dem Grundbett (1) und der Traverse (2) verbunden. Die längs der Achse B-B sich gegenüberliegenden Enden (8 und 9) der Teile (4a und 4b) tragen einseitige Verlängerungen (10 und 11), zwischen denen ein doppelt tailliertes Schubglied (12) angeordnet ist. Das Schubglied (12) ist gemäß Fig. 2a bolzenförmig ausgebildet und fest mit den Verlängerungen (10 und 11) der Teile (4a und 4b) der Verstärkung (40) verbunden. Das Schubglied (12) ist doppelt tailliert in Form von zwei Einkerbungen (15 und 16). Durch dieses Schubglied (12) wird erreicht, daß sich sowohl das Blech (30) als auch die aus den Teilen (4a, 4b und 12) gebildete Verstärkung (40) gemäß Fig. 3b S-förmig durchbiegen kann, ohne daß die Verstärkung (40) in ihrer Längsachse Kräfte oder um irgendeine Achse Drehmomente übertragen kann. Hierdurch wird die Auslenkung s der Traverse (2) mit Bezug auf das Grundbett (1) (Fig. 3a) bei gleicher ausgeübter Kraft in Richtung des Pfeiles F auf ein Viertel gesenkt, so daß der Auswanderungsweg nur noch s′ = s/4 beträgt (Fig. 3b).

Wie aus der Fig. 6 zu erkennen ist, weist der Schubkörper (12) an seinen Enden Gewinde (12a) auf, welche durch Bohrungen (17, 18) der Verlängerungen (10, 11) der Teile (4a und 4b) der Verstärkung (40) greifen. Mittels Muttern (44, 45 und 46, 47) kann das Schubglied (12) fest mit den Teilen (4a und 4b) verbunden werden. Nach Lösen der Muttern (44, 45 und 46, 47) können die Teile (4a und 4b) der Verstärkung (40) um die Achse B-B gedreht werden. Damit diese Drehung durch das Blech (30) nicht behindert wird, besteht das Blech (30) entweder aus zwei Teilen oder, wie in Fig. 5 dargestellt, aus den Teilen (3a, 3b und 3c), derart, daß der Teil (3a) zwischen die Teile (3b und 3c) greift. Die Teile (3a, 3b und 3c) tragen ein Scharnier (20), derart, daß sie ebenfalls um die Achse B-B gegeneinander verdreht werden können. Das obere Ende (21) des Blechteiles (3a) ist über ein Zwischenstück (24) mit der Traverse verbunden. Die unteren Enden der Blechteile (3b und 3c) tragen zwischen sich ein Zwischenstück (23). Die Zwischenstücke (24 und 23) richten die Teile (3a und 3b) sowie gegebenenfalls den Teil (3c) zum Grundbett und zur Traverse aus.

Aufgrund dieser Ausbildung kann, wie in Fig. 4 dargestellt, die Traverse (2) für Transportzwecke um die Achse B-B in Richtung des Pfeiles (14) in die Lage (2′) gekippt werden. Nach Aufrichtung der Traverse (2) am Aufstellungsort können die Enden (13a und 13b) der Teile (3a und 3b, gegebenenfalls 3c), wie in Fig. 4 dargestellt, beispielsweise durch Bolzen (25) oder Schrauben miteinander verbunden werden, damit die Teile (3a, 3b und 3c) wieder als einstückiges Blech (30) angesehen werden können. Zur Erleichterung der Aufrichtung des Portales (2) in seine Arbeitsstellung trägt der Teil (3b und gegebenenfalls 3c) einen Anschlag (26).

Eine entsprechende Ausbildung ist für das Blech (31) vorgesehen. Auch dieses Blech (31) kann mit einer Verstärkung (41) zusammenarbeiten.

Die Zwischenstücke (24 und 23) sind nicht zwingend, da die Traverse (2) und das Grundbett (1) gleich in der richtigen Länge bzw. Breite hergestellt werden können. Auch die in Fig. 5 dargestellte gelenkige Ausbildung der Verbindung der Blechteile (3a und 3b und gegebenenfalls 3c) ist nicht zwingend. Es kann hier auch jede andere Drehverbindung vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1 Grundbett
2 Traverse
2′ gekippte Lage der Traverse
3a Teil des Bleches 30
3b Teil des Bleches 30
3c Teil des Bleches 30
4a Teil der Verstärkung 40
4b Teil der Verstärkung 40
5 Schlitten
6, 7 Enden der Teile 4a, 4b
8, 9 sich gegenüberliegende Enden der Teile 4a, 4b
10 Verlängerung
11 Verlängerung
12 Schubglied
12a Gewinde
13a, 13b Enden der Teile 3a, 3b
14 Pfeil
15, 16 Einkerbungen
17, 18 Bohrungen
20 Scharnier
21 oberes Ende des Blechteiles 3a
22 unteres Ende des Blechteiles 3b
23, 24 Zwischenstücke
25 Bolzen
26 Anschlag
30 Blech
31 Blech
32 Meßkopf
33 Taster
34 Pinole
35 Werkstück
36 Tisch
40 Verstärkung
41 Verstärkung
42 Schrauben
43 Schrauben
44, 45, 46, 47 Muttern
A-A Achse
B-B Achse
F Pfeil
s Auslenkung
s′ Auslenkung
X, Y, Z Bewegungsrichtungen.

Claims (9)

1. Feststehendes Portal für Präzisions- Koordinatenmeßgeräte mit einem Grundbett, an dem zwei, eine Traverse tragende Stützen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen aus Blechen (30, 31) von relativ großer Breite bestehen, deren Enden mit dem Grundbett (1) und den Enden der Traverse (2) biegesteif verbunden sind, daß wenigstens einem Blech (30) eine mit dem Grundbett (1) und der Traverse (2) fest verbundene Verstärkung (40) zugeordnet ist und daß die wenigstens eine Verstärkung (40) aus zwei Teilen (4a, 4b) besteht, deren freie Enden durch ein zweifach tailliertes Schubglied (12) miteinander verbunden sind.

2. Portal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (40) als T-Träger, Doppel-T-Träger oder als Hohlprofilkörper ausgebildet ist.

3. Portal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (4a und 4b) gleiche Länge aufweisen.

4. Portal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Blech (30, 31) eine Verstärkung (40, 41) mit einem zweifach taillierten Schubglied (12) zugeordnet ist.

5. Portal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubglieder (12) zueinander einstellbar ausgebildet sind.

6. Portal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (30, 31) aus zwei Teilen (3a, 3b) bestehen, welche um die Achse B-B des wenigstens einen Schubgliedes (12) gegeneinander verdrehbar sind.

7. Portal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Schubglied (12) mit wenigstens einem der Teile (3a, 3b) der wenigstens einen Verstärkung (40, 41) lösbar oder lockerbar verbunden ist.

8. Portal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Teile (3a, 3b) der Bleche (30, 31) wenigstens einen Anschlag (26, 27) aufweisen, an dem sich die Teile (3a, 3b) der Bleche (30, 31) in aufgerichtetem Zustand der Traverse (2) abstützen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich überlappenden Enden (13a, 13b) der Teile (3a, 3b) der Bleche (30, 31) in aufgerichtetem Zustand der Traverse (2) miteinander verschraubbar sind.