DE4407605A1 - 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eichkörper - Google Patents
3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden EichkörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine 3D-Koordinaten-
Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eich
körper und einer in den drei Raumkoordinaten ver
schiebbaren Pinole, an deren unterem Ende ein Meß
kopf befestigt ist.
Die in Form von Brücken-, Portal- oder Auslegerarm
konstruktionen bekannten Meßmaschinen werden im in
dustriellen Fertigungsprozeß zur Qualitätssicherung
eingesetzt, indem Werkstücke hinsichtlich ihrer Ab
messungen in drei Dimensionen einer Überprüfung un
terzogen werden. Über eine an einem Meßkopf ange
brachte Meßkugel erfolgt durch Abtastung des Werk
stückes die Meßwerterfassung. Zur Ermittlung der
dreidimensionalen Koordinaten des Raumes ist der
Meßkopf an einer in den drei Raumrichtungen ver
schiebbaren Pinole starr angebracht, wobei die Ab
lesung der Meßwerte über inkrementale Weggeber er
folgt. Die Anordnung von Schlittensystemen in den
drei Koordinaten, an denen Antriebe angreifen, re
alisieren die dreidimensionale Verstellbarkeit.
Aufgrund des generell außerhalb des Schwerpunktes
befindlichen Angriffspunktes der Kraft entstehen
Drehmomente wechselnder Größe sowie Durchbiegungen
und Schwingungen während der Verstellung. Diese
Einflüsse haben Ungenauigkeit und Verschlechterun
gen der Meßresultate zur Folge. Verstärkt werden
diese negativen Einflüsse durch die Toleranzen der
Fertigung im Bereich der Lager sowie Ableseungenau
igkeiten. Um den Durchbiegungen entgegenzuwirken
werden die einzelnen Elemente entsprechend massiv
gewählt, was eine hohe Massenträgheit zur Folge
hat, die aufgrund des beim Anfahren der einzelnen
Meßpunkte notwendigen Beschleunigens zu Durchbie
gungen und Schwingungen Anlaß geben, die ebenfalls
die Meßgenauigkeit herabsetzen.
Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf
fung einer 3D-Koordinaten-Meßmaschinen dahingehend
zur Aufgabe gemacht, durch die eine wesentlich hö
here Genauigkeit in der Meßwerterfassung möglich
wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
daß die Pinole an einem Tragarm außerendig starr
befestigt ist und am gegenüberliegenden Ende des
Tragarmes eine aus drei senkrecht zueinander ver
laufenden Flächen gebildete Glocke angeordnet ist,
die mit insgesamt mindestens sechs, der Abstands
messung dienenden Sensoren bestückt sind, die mit
drei, senkrecht zueinander verlaufenden Oberflächen
eines quaderförmigen Eichkörpers zusammenarbeiten.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, die
Position des Meßkopfes in Referenz zu einem dreidi
mensionalen Eichkörper zu ermitteln. Hierzu steht
die mit dem Meßkopf bestückte Pinole über einem
Tragarm starr in einer aus drei senkrecht zueinan
der angeordneten Flächen gebildeten Glocke in Ver
bindung. An den Flächen sind mindestens sechs Sen
soren angebracht, die senkrecht zur Oberfläche ei
nes dreidimensionalen und achsparallel zu den Flä
chen der Glocke angeordneten Eichkörper arbeiten
und die Entfernung ermitteln. Um die Lage eines
starren Körpers im dreidimensionalen Raum angeben
zu können, verlangt es den Einsatz von sechs Koor
dinaten, von denen drei die räumliche Lage und drei
die verschiedenen Winkel, d. h. die Orientierung an
geben, so daß im Ergebnis sechs Sensoren benötigt
werden. Zur Ortsbestimmung in den Koordinaten ist
jeweils mindestens ein Sensor einzusetzen, während
drei weitere Sensoren zur Bestimmung des Winkels
erforderlich sind. Die Sensoren sind an den Flächen
angebracht und als Referenzflächen wird die Ober
fläche des Eichkörpers genutzt. Die Position des
Meßkopfes wird in jedem Meßpunkt präzise durch die
gemessenen Abstände zu den Oberflächen des Eichkör
pers erfaßt. Die Sensoren arbeiten also mit drei
Oberflächen des Eichkörpers zusammen. Das durch den
Meßkopf erreichbare Raumvolumen wird begrenzt zum
einen durch die räumlichen Abmessungen des Eichkör
pers, die eine Verschiebung der Sensoren über die
entsprechenden Fläche des Eichkörpers hinaus ver
bietet und in Gegenrichtung durch die maximale Ver
schiebbarkeit aufgrund der mechanisch vorgegebenen
Verschiebewege begrenzt ist. Zur räumlichen Ver
stellung des Meßkopfes wird der Tragarm und demzu
folge auch die durch die drei Flächen gebildete
Glocke in den drei Raumkoordinaten verschoben.
Der durch die erfindungsgemäße Anordnung erreich
bare entscheidende Vorteil ist eine systemimmanent
bedingte und den vorbekannten Vorrichtungen weit
überlegene Meßgenauigkeit. Erste Abschätzungen ha
ben eine Erhöhung der Genauigkeit um einen Faktor
von 10 bis 100 ergeben, der auf eine Vielzahl un
terschiedlicher Ursachen zurückzuführen ist. So er
folgt die Messung nicht wie bisher am Schlitten,
sondern nahezu unverfälscht von Übertragungsfehlern
durch den Eichkörper. Durchbiegungen, Schwingungen
und Führungsungenauigkeiten zwischen der Pinole und
dem Schlitten bleiben nunmehr ohne Einfluß auf die
Meßwerterfassung. Durchbiegungen und andere mecha
nische Deformationen zwischen der Pinole, dem Trag
arm und der Glocke sind praktisch vollständig aus
geschlossen bzw. bei jeder Messung konstant. Die zu
bewegenden Massen können wesentlich geringer gehal
ten werden, so daß ein wesentlich schnelleres Ver
fahren zwischen den einzelnen Meßpositionen möglich
wird. Auch dies trägt zu einer geringeren Massen
trägheit und zu einer Reduzierung von Schwingungen
auslösenden Beschleunigungskräften bei. Aufgrund
der Tatsache, daß Ungenauigkeiten in den Führungen
der Schlitten auf die Präzision der Meßwerte keinen
Einfluß nehmen, können vergleichsweise hohe Tole
ranzen geduldet werden, mit der Folge, daß weder
Luftlager noch geschliffene Schlittenführungen er
forderlich sind. Die Folge ist eine erhebliche Re
duzierung der Herstellungskosten.
Die räumliche Anordnung der sechs Sensoren ist im
Rahmen der Erfindung in weiten Grenzen beliebig,
sofern die räumliche Lage und die Kippwinkel erfaßt
werden. Als vorteilhaft sieht die Erfindung vor, in
der einen Richtung der horizontalen Ebene (Y-Rich
tung) drei Sensoren, in der zweiten Richtung der
horizontalen Ebene (X-Richtung) einen einzigen Sen
sor und in der vertikalen (Z-Richtung) zwei Senso
ren anzuordnen. Jeder der Sensoren erlaubt eine
Entfernungsmessung zur korrespondierenden Fläche
des Eichkörpers in höchster Präzision. Dementspre
chend exakt ist die ermittelte Position des Meß
kopfes. Der Abstand der beiden Sensoren in Z-Rich
tung sowie der Abstand von der Pinole ergibt ein
Übersetzungsverhältnis, das als Maß für die Meß
genauigkeit dienen kann. Je größer das Überset
zungsverhältnis ist, d. h. der Abstand der Pinole
sehr groß im Vergleich zum Abstand der beiden Z-
Sensoren, um so ungenauer bzw. unempfindlicher wird
die Messung. Je mehr sich der Abstand beider Senso
ren dem der Pinole annähert, um so empfindlicher
können Änderungen in der Position des Meßkopfes er
faßt werden.
Eine der verbleibenden möglichen Fehlerquellen in
der Meßwerterfassung im Falle der erfindungsgemäßen
Konstruktion sind relative räumliche Veränderungen
des Meßkopfes gegenüber der aus drei Flächen gebil
deten Glocke. Hierzu zählen mechanische Durchbie
gungen und dergleichen. Um derartige Einflüsse
weitgehend auszuschließen, wird deshalb in einer
zweckmäßigen Ausgestaltung die einteilige Ausbil
dung von Pinole, Tragarm und Glocke vorgeschlagen.
Durch die Wahl entsprechend harter und biegesteifer
Materialien läßt sich ein zusätzlicher Beitrag lei
sten. Aus diesem Grunde wird des weiteren die Ver
wendung von glasfaserverstärktem Kunststoff vorge
schlagen.
Obwohl es möglich ist, Eichkörper höchster Präzi
sion herzustellen, läßt sich nicht mit letzter Si
cherheit ausschließen, daß Fehler in den Meßflächen
des Eichkörpers vorliegen. Eine Korrektur derarti
ger Fehler läßt sich gemäß einem Vorschlag der Er
findung durch numerische Auswertung erzielen, d. h.
bei Auswertung und vor Anzeige der Meßwerte findet
auf numerischem Wege eine Korrektur statt, bei der
die durch den Fehler bedingten Abweichungen einen
Ausgleich finden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgeschla
gen, das Werkstück als auch den Eichkörper gemein
sam auf ein und derselben Grundplatte anzuordnen.
Hierdurch lassen sich relative Verschiebungen der
beiden Körper gegeneinander in Z-Richtung vermei
den.
Zum Schutz vor äußeren Einwirkungen und vor Ver
schmutzungen wird schließlich vorgeschlagen, den
Grundkörper, die Glocke sowie den zugehörigen Teil
des Tragarmes in einer Einhausung unterzubringen,
durch die äußere Einflüsse abgehalten werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er
findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei
bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu
tert ist.
Es zeigt in schematisch gehaltener Darstellung eine
erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht.
Das Kernstück vorliegender Erfindung ist der in ho
rizontaler Richtung verlaufende Tragarm (1), die
daran in vertikaler Richtung am äußeren Ende starr
befestigte Pinole (2), die an ihrem unteren freien
Ende den Meßkopf (3) trägt. Am gegenüberliegenden
Ende befindet sich unterhalb des Tragarmes (2) die
aus drei Flächen gebildete Glocke (4), die jeweils
so angeordnet sind, daß die eine der Flächen (5)
senkrecht zur Z-Richtung, die andere der Flächen
(6) senkrecht zur X-Richtung und die verbleibende
dritte Fläche senkrecht zur Y-Richtung angeordnet
ist. An der Fläche (7) finden sich drei Sensoren
(8), die etwa im Dreieck angeordnet und parallel
zueinander den Abstand zu einer Stirnfläche des
Eichkörpers (15) erfassen. Ein weiterer an der Flä
che (6) angebrachter Sensor (9) arbeitet in X-Rich
tung und zwei weitere Sensoren (10) in vertikaler,
also in Z-Richtung. Insgesamt sind sechs Sensoren
vorgesehen, die Abstand und relative Verschwenkung
zwischen den Flächen (5) bis (7) der Glocke (4) re
lativ zu den korrespondierenden Oberflächen des
Eichkörpers (15) erfassen. Der am anderen Ende des
Tragarmes (1) befindliche Meßkopf (3) tastet die
Oberfläche des Werkstückes (16) ab. Aufgrund der
starren Verbindung zwischen dem Meßkopf (3) und der
Glocke (4) läßt sich die exakte Position des Meß
kopfes (3) im dreidimensionalen Raum anhand der ge
messenen Abstände der Sensoren (8, 9, 10) relativ
zum Eichkörper (15) ermitteln.
Die räumliche Verstellung des Meßkopfes erfolgt
durch Verschiebung des Tragarmes (1) in den drei
Koordinatenachsen. Zu diesem Zwecke ist der Tragarm
in Z-Richtung, also vertikal verschiebbar an einem
Schlitten (11) befestigt, der seinerseits entlang
einer Schiene (12) verschiebbar ist. Die Schiene
(12) wiederum ist ihrerseits senkrecht zu ihrer
Achse über Führungen (13) an der Decke (14) befe
stigt. Diese Anordnung gewährleistet eine Verschie
bung des Tragarmes in allen drei Koordinatenrich
tungen.
Um zu Meßungenauigkeiten Anlaß gebenden, äußere
Einwirkungen und Verschmutzungen auszuschließen,
sind Teile des Tragarmes (1), die Glocke (4) sowie
der Eichkörper (15) innerhalb einer geschlossenen
Einhausung untergebracht, die in strichpunktierter
Linienführung angedeutet ist.
Im Ergebnis erhält man eine 3D-Koordinaten-Meßma
schine, die die Ermittlung von Meßwerten mit höch
ster Genauigkeit zuläßt.
Claims (7)
1. 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Refe
renz dienenden Eichkörper und einer in den drei
Raumkoordinaten verschiebbaren Pinole, an deren un
terem Ende ein Meßkopf befestigt ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Pinole (2) an einem Tragarm
(1) außerendig starr befestigt ist und am gegen
überliegenden Ende des Tragarmes (1) eine aus drei
senkrecht zueinander verlaufenden Flächen (5, 6, 7)
gebildete Glocke (4) angeordnet ist, die mit insge
samt mindestens sechs, der Abstandsmessung dienen
den Sensoren (8, 9, 10) bestückt sind, die mit
drei, senkrecht zueinander verlaufenden Oberflächen
eines quaderförmigen Eichkörpers (15) zusammenar
beiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß drei Sensoren (8) in der Y-Richtung,
ein Sensor (9) in der X-Richtung und zwei Sensoren
(10) in der Z-Richtung arbeiten.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
gekennzeichnet durch die Einteiligkeit von Pinole
(2), Tragarm (1) und Glocke (4).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch die Verwendung von biegestei
fem Material, insbesondere von glasfaserverstärktem
Kunststoff.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler der Oberflä
che des Eichkörpers (15) bei der numerischen Aus
wertung der Meßwerte im Sinne einer Kompensierung
Berücksichtigung finden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Werk
stück (16) und der Eichkörper (15) auf einer ge
meinsamen ebenen Grundplatte angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Eichkörper (15),
die Glocke (4) und Teile des Tragarmes (1) durch
eine Einhausung nach außen abgeschlossen sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944407605 DE4407605C2 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eichkörper |
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DE19944407605 DE4407605C2 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eichkörper |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4407605A1 true DE4407605A1 (de) | 1995-09-14 |
DE4407605C2 DE4407605C2 (de) | 1996-05-23 |
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ID=6512109
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19944407605 Expired - Fee Related DE4407605C2 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eichkörper |
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Country | Link |
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DE (1) | DE4407605C2 (de) |
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- 1994-03-08 DE DE19944407605 patent/DE4407605C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4407605C2 (de) | 1996-05-23 |
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