DE4407605C2 - 3D-Koordinaten-Meßmaschine mit einem als Referenz dienenden Eichkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 3D-Koordinaten-Meßma­ schine mit einem als Referenz dienenden, bezogen auf ein zu vermessendes Werkstück ruhenden Eichkörper und einer räumlich verschiebbaren Pinole, an deren unterem Ende ein Meßkopf be­ festigt ist.

Die in Form von Brücken-, Portal- oder Auslegerarmkonstruk­ tionen bekannten Meßmaschinen werden im industriellen Ferti­ gungsprozeß zur Qualitätssicherung eingesetzt, indem Werk­ stücke hinsichtlich ihrer Abmessungen in drei Dimensionen ei­ ner Überprüfung unterzogen werden. Ein Beispiel einer Meßma­ schine mit Auslegearmen zeigt die Druckschrift DE 32 08 412. Über eine an einem Meßkopf angebrachte Meßkugel erfolgt durch Abtastung des Werkstückes die Meßwerterfassung. Zur Ermitt­ lung der dreidimensionalen Koordinaten des Raumes ist der Meßkopf an einer in den drei Raumrichtungen verschiebbaren Pinole starr angebracht, wobei die Ablesung der Meßwerte über inkrementale Weggeber erfolgt. Die Anordnung von Schlittensy­ stemen in den drei Koordinaten, an denen Antriebe angreifen, realisieren die dreidimensionale Verstellbarkeit. Aufgrund des generell außerhalb des Schwerpunktes befindlichen An­ griffspunktes der Kraft entstehen Drehmomente wechselnder Größe sowie Durchbiegungen und Schwingungen während der Ver­ stellung. Diese Einflüsse haben Ungenauigkeit und Verschlech­ terungen der Meßresultate zur Folge. Verstärkt werden diese negativen Einflüsse durch die Toleranzen der Fertigung im Be­ reich der Lager sowie Ableseungenauigkeiten. Um den Durchbie­ gungen entgegenzuwirken werden die einzelnen Elemente ent­ sprechend massiv gewählt, was eine hohe Massenträgheit zur Folge hat, die aufgrund des beim Anfahren der einzelnen Meß­ punkte notwendigen Beschleunigens zu Durchbiegungen und Schwingungen Anlaß geben, die ebenfalls die Meßgenauigkeit herabsetzen.

Weiterhin sind Vorrichtungen zur berührungslosen Lagebestim­ mung eines Körpers gegenüber drei, zueinander vorzugsweise orthogonalen Referenzflächen bekannt, bei denen sowohl der Abstand als auch die Orientierung im Raum erfaßt wird. Zu diesem Zweck werden in der Druckschrift US 4 662 752 Flächen mit je zwei Lichtstrahlen beleuchtet, wobei die Position der Reflexionen zur Lagebestimmung dient. In der DE 29 38 226 wird die Lage des Meßkopfes einer Koordinaten-Meßmaschine in seinem Gehäuse durch je zwei, einer Referenzfläche zugeord­ nete Abstandsmesser bestimmt. Die Anwendung dieses Meßverfah­ rens zur Bestimmung der Position des Meßkopfes einer Meßma­ schine und Vermeidung der vorbeschriebenen Probleme ist je­ doch unbekannt.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung einer 3D-Koordinaten-Meßmaschinen dahingehend zur Aufgabe gemacht, durch die eine wesentlich höhere Genauigkeit in der Meß­ werterfassung möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Pinole an einem Ende eines Tragarmes starr befestigt ist und am gegenüberliegenden Ende des Tragarmes eine aus drei senkrecht zueinander verlaufenden Flächen gebildete Glocke angeordnet ist und die Flächen mit insgesamt mindestens sechs, der Abstandsmessung dienenden Sensoren so bestückt sind, daß die Sensoren mit drei, senkrecht zueinander verlau­ fenden Oberflächen eines quaderförmigen Eichkörpers zusam­ menarbeiten können, so daß aus den Meßwerten der Sensoren die Lage des Meßkopfes bezüglich des Eichkörpers bestimmbar ist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, die Position des Meßkopf es in Referenz zu einem dreidimensionalen Eichkörper zu ermitteln. Hierzu steht die mit dem Meßkopf bestückte Pinole über einem Tragarm starr in einer aus drei senkrecht zueinander 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 Meßkopf es 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 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 gebende, äußere Einwirkungen und Verschmutzungen auszuschließen, sind Teile des Tragarmes (1), die Glocke (4) sowie der Eichkörper (15) innerhalb einer geschlossenen Einhausung untergebracht.

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, bezogen auf ein zu vermessendes Werkstück ruhenden Eichkörper und einer räumlich verschiebbaren Pinole, an deren unterem Ende ein Meßkopf befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pinole (2) an einem Ende eines Tragarmes (1) starr befestigt ist und am gegenüberliegenden Ende des Tragarmes (1) eine aus drei senkrecht zueinan­ der verlaufenden Flächen (5, 6, 7) gebildete Glocke (4) angeordnet ist und die Flächen mit insgesamt mindestens sechs, der Abstandsmessung dienenden Sensoren (8, 9, 10) so bestückt sind, daß die Sen­ soren mit drei, senkrecht zueinander verlaufenden Oberflächen eines quaderförmigen Eichkörpers (15) zusammenarbeiten können, so daß aus den Meßwerten der Sensoren die Lage des Meßkopfes bezüglich des Eichkörpers bestimmbar ist.

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 eines dreidimensionalen, kartesischen Koordinatensystems, wobei die Z-Rich­ tung vertikal ist, 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.