DE4414747A1 - Meßwerkzeug, insbesondere für die Flächenvermessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßwerkzeug, insbesondere für die Flächenvermessung, vor allem für das Vermessen von Flächen dreidimensionaler Gegenstände, beispielsweise von nicht planaren Fahrzeugtürfeldern.

Beim Entwerfen, Konstruieren und Herstellen von dreidi­ mensionalen Bauteilen, wie einer Fahrzeugtüre oder einer Karosserieseitenplatte, müssen die vorhandenen Flächen, einschließlich Kanten und gekrümmter Abschnitte, ver­ messen werden, um sicherzustellen, ob das Bauteil den geforderten Spezifikationen genügt. Eine weitere wesent­ liche Funktion besteht neben anderen darin, spezielle Punkte auf dem Bauteil zu bestimmen, an denen Bearbei­ tungsmaßnahmen durchzuführen sind. Solche Bearbeitungs­ maßnahmen sind das Bohren von Löchern, Anbringen von Befestigungsmitteln und die Ermittlung von Punkten zum Aufbringen von Klebstoffen, die bei dem Herstellungsver­ fahren genutzt werden, sowie zahlreiche andere Maßnahmen.

Ein für die Durchführung solcher Vermessungen geeigneter Mechanismus ist eine Koordinatenmeßmaschine (Modell G80C der Firma LK, Cincinnati Milicron Company). Solche Koor­ dinatenmeßmaschinen sind gewöhnlich längs dreier Achsen, der x-, y- und der z-Achse verschiebbar. Informationen bezüglich der Bezugspunkte, die auf dem Werkstück liegen, werden in einen Rechner eingegeben. Aus diesen Daten kann der mit der Koordinatenmeßmaschine gekoppelte Rechner automatisch Flächenbereiche und andere Charakteristika des zu vermessenden Werkstücks berechnen.

Für den Kontakt mit verschiedenen Punkten auf der Ober­ fläche eines konturierten Bauteils sind verschiedene Sonden erforderlich. So wird gewöhnlich eine lineare Sonde verwendet, um Bezugsinformationen längs planarer Abschnitte des Werkstücks zu erhalten. Für die konturier­ ten Flächen muß eine zweite Sonde in einer speziellen Form, beispielsweise in der Form eines L oder eines Hakens an der Koordinatenmeßmaschine angebracht werden, um den Kontakt mit den konturierten Abschnitten herzu­ stellen. Häufig ist ein Satz von Sonden, beispielsweise ein Satz mit fünf oder mehr Sonden, erforderlich, um die gewünschte Bezugsinformation von einem konturierten Werkstück zu erhalten.

Der Einsatz solcher Mehrfachsonden ist zeitraubend, da viel Zeit für das Befestigen und Lösen der verschiedenen Sonden an der Koordinatenmeßmaschine erforderlich ist. Außerdem führt der Einsatz von Mehrfachsonden zu Ungenau­ igkeiten bei den vorgenommenen Messungen. Nach dem An­ bringen einer Sonde muß die Koordinatenmeßmaschine ge­ eicht werden, um die Meßgenauigkeit zu gewährleisten. Es muß also jedes Mal eine neue Eichung vorgenommen werden, wenn eine neue Sonde angebracht wird, damit gewährleistet bleibt, daß konsistente Bezugspunktinformationen gesam­ melt werden können. Dieses jeweils erforderliche Eichen nach dem Austausch eines Meßwerkzeugs erfordert viel Zeit und führt zu ungenauen Messungen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein Meßwerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einer von Hand betätigten Koordinaten­ meßmaschine oder einer ähnlichen Maschine eingesetzt werden kann und das in der Lage ist, sowohl mit planaren als auch mit konturierten Abschnitten eines Werkstücks in Kontakt gebracht zu werden, um Bezugspunktinformationen mit hoher Genauigkeit zu erhalten.

Diese Aufgabe wird mit dem im Patentanspruch 1 beschrie­ benen Meßwerkzeug gelöst, dessen vorteilhafte Ausgestal­ tungen Gegenstände der Unteransprüche sind.

Das erfindungsgemäße Meßwerkzeug hat einen Adapter für das Anbringen an einer Koordinatenmeßmaschine, einen vom Adapter ausgehenden Schaft, einen Taststift und einen Taststifthalter, der an dem vom Adapter ausgehenden Schaft drehbar gehalten ist. Der Taststifthalter hat bevorzugterweise insgesamt die Form eines J, so daß der Taststift unter einem Winkel an eine Werkstückfläche angenähert werden kann. Der Taststift hat einen Schaft, der so eingestellt ist, daß seine zugeschliffene Kontakt­ spitze an seinem Kopf sich immer konzentrisch auf einer zentralen Längsachse befindet. Durch das Halten der Kontaktspitze auf dieser Längsachse ist der Punkt mit den kartesischen Koordinaten 0,0,0 definiert.

Auf diese Weise erhält die Bedienungsperson äußerst ein­ fach genaue Bezugspunktinformationen längs einer tatsäch­ lich vorhandenen Oberfläche eines Werkstücks, beispiels­ weise eines konturierten Werkstücks, ohne daß Sonden für Messungen längs unterschiedlich geformter Abschnitte des Werkstücks ausgetauscht zu werden brauchen. Das Meßwerk­ zeug kann an die Meßmaschine zur Erzielung der gewünsch­ ten Messungen sowohl vertikal als auch horizontal ange­ schlossen werden, wobei eine computerisierte oder digita­ lisierte, von Hand betätigte Meßmaschine verwendet werden kann und nur ein einziges Meßwerkzeug erforderlich ist.

Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch ein an einer Meßmaschine festgeleg­ tes Meßwerkzeug,

Fig. 2 das Meßwerkzeug in der Seitenansicht,

Fig. 3 das Meßwerkzeug auseinandergezogen,

Fig. 4 perspektivisch das Meßwerkzeug angreifend an einem Werkstück,

Fig. 5 perspektivisch das für das Angreifen an einem konturierten Abschnitt des Werkstücks gedrehte Meßwerkzeug und

Fig. 6 schematisch das Meßwerkzeug gemäß der Erfindung mit unter einem Winkel an das Werkzeug angenäher­ tem Taststift und mit einem parallel zum Werkstück angeordneten, gestricheltem Taststift nach dem Stand der Technik.

Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, ist ein Meßwerkzeug 10 an einer Meßmaschine 12 befestigt und greift an einem Werk­ stück 14 an. Die Meßmaschine 12 ist als Koordinatenmeßma­ schine dargestellt, es können jedoch auch andere geeigne­ te Maschinen eingesetzt werden. Die Meßmaschine 12 ist längs der x-, y- und der z-Achse einstellbar. Das Meß­ werkzeug 10 kann nach oben und nach unten durch Einstel­ len der Lage eines Arms 16 bezüglich einer Säule 18 manövriert werden. Der Arm 16 selbst kann bezüglich der Position der Säule 18 für den Eingriff am Werkstück 14 und für das Lösen dieses Eingriffs nach vorne und nach hinten manövriert werden. Weiterhin kann die Position der Säule 18 dadurch geändert werden, daß sie längs einer Plattform 20 bewegt wird. Diese Bewegung der Säule 18 bezüglich der Plattform 20 hat die Wirkung, daß das Meßwerkzeug 10 von einer Seite zur anderen Seite bewegt wird.

Durch manuelles Greifen des Arms 16 und durch in Kontakt Bringen des Werkstücks 14 mit dem Meßwerkzeug 10 ergeben sich Messungen, die als Information zum Rechner 22 gelie­ fert werden. Der Rechner verarbeitet diese Informationen für den späteren Gebrauch.

Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, hat das Meßwerkzeug 10 einen Adapter 24 zum Befestigen des Meßwerkzeugs 10 an der Meßmaschine 12, einen Schaft 36, der sich von dem Adapter 24 aus erstreckt und linear längs einer zentralen Achse 88 angeordnet ist, einen Taststift 80 und einen Taststifthalter 54, der drehbar an dem Schaft 36 ange­ bracht ist. Der Adapter 24 hat ein Befestigungselement 26, das an der Meßmaschine 12 festlegbar ist und mit dem eine Verbindung des Meßwerkzeugs 10 mit der Meßmaschine 12 hergestellt wird. Das Befestigungselement 26 kann ein Gewindeschaft, eine Schnellverbindungskupplung oder ein anderes geeignetes Verbindungselement sein. Der Adapter 24 hat eine Axialbohrung 28, die sich wenigstens teilwei­ se durch ihn erstreckt und für die Aufnahme eines Endes 38 des Schaftes 36 dient. Die Axialbohrung 28 kann mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein, um die Reibung zu verringern, die sich beim Einführen und Ent­ fernen des Schaftes 36 in die bzw. aus der Axialbohrung 28 ergibt. Der Adapter 24 kann vielfältig geformt und bemessen sein, er muß von Hand oder durch ein Werkzeug greifbar sein, um ein leichtes Befestigen und Lösen an bzw. von der Meßmaschine 12 zu ermöglichen. Der Durch­ messer der Axialbohrung 28 kann an den jeweiligen Durch­ messer des Schaftes 36 angepaßt werden. Fakultativ kann eine nichtgezeigte Ringhülse in die Axialbohrung 28 eingesetzt werden, um den Durchmesser für die Aufnahme eines Schaftes 36 mit kleinerem Durchmesser zu ermögli­ chen.

Wie erwähnt, ist das eine Ende 38 des Schaftes 36 in die Axialbohrung 28 des Adapters 24 einführbar, während das andere Ende 40 des Schaftes 36 den Taststifthalter 54 trägt. Das eine Ende 38 hat eine quer zur Achse 88, also im Umfang verlaufende Ringnut 42, in die eine Spann­ schraube 32 eingreifen kann, die sich durch eine Wand 34 des Adapters 24 erstreckt. Die Spannschraube 32 erstreckt sich in die Axialbohrung 28 und in die Ringnut 42, wo­ durch ausgeschlossen ist, daß sich der Schaft 36 von dem Adapter 24 löst. Der Schaft 36 hat weiterhin einen ring­ förmigen Vorsprung 44, der das eine Ende 38 vom anderen Ende 40 des Schaftes 36 trennt und dazu dient, einen Abstand zwischen dem Taststifthalter 54 und dem Adapter 24 nach dem Festlegen an der Meßmaschine 12 aufrecht zu erhalten. Längs des anderen Endes 40 erstreckt sich eine axiale Gewindebohrung 46 teilweise in den Schaft 36. In die axiale Gewindebohrung 46 ist ein Bolzen 48 mit einer Beilagscheibe 50 anschraubbar, wodurch der Taststifthal­ ter 54 am anderen Ende 40 des Schaftes 36 arretiert wird.

Damit der Taststifthalter 54 selektiv auf dem Schaft 36 gedreht werden kann, sind ein oder mehrere Wälzlager 52 vorgesehen, vorzugsweise ein Paar von im Abstand angeord­ neten Wälzlagern 52. Dabei kann der Durchmesser des Schaftes 36 sowohl an seinem einen Ende 38 als auch an seinem anderen Ende 40 so variiert werden, daß Lager mit unterschiedlichen Größen aufgenommen sowie Axialbohrungen mit verschiedenen Durchmessern vorgesehen werden können.

Der Taststifthalter 54 hat einen Basisteil 56 und einen Zweigarm 58, der sich von dem Basisteil 56 aus erstreckt. Der Basisteil 56 ist mit einer axial ausgerichteten Bohrung 60 für die Aufnahme der erwähnten Wälzlager 52 und des anderen Endes 40 des Schaftes 36 versehen. Ge­ wöhnlich werden die Wälzlager 52 im Preßsitz in die Axialbohrung 60 längs des einen Endes 64 und des anderen Endes 66 des Basisteils 56 eingesetzt, um die Belastung auf den Schaft 36 auszugleichen. In der Axialbohrung 60 ist ein Ringvorsprung 62 ausgebildet, der eine Schulter bildet, an der jedes der Wälzlager anliegt. Der Basisteil 56 hat weiterhin wenigstens eine Klemmschraube 68, die sich durch eine Wand 70 und in die Axialbohrung 60 er­ streckt. Wenn die Klemmschraube 68 so eingestellt ist, daß sie fest an dem Schaft 36 anliegt, kann der Tast­ stifthalter 54 auf dem Schaft 36 nicht verdreht werden.

Der Zweigarm 58, der sich von dem Basisteil 56 aus über einen gekrümmten Abschnitt 76 übergehend in einem gerad­ linigen Abschnitt 74 erstreckt, hat insgesamt die Form eines J und ist mit einer Öffnung 72 für die Aufnahme des Taststiftes 80 versehen. Bevorzugt ist die Öffnung 72 unter einem Winkel von etwa 45° bezogen auf den gerade verlaufenden Abschnitt 74 des J-förmigen Zweigarms 58 angeordnet. Dadurch ist es möglich, daß der Taststift 80 unter einem Winkel von etwa 45° von der in Fig. 3 gezeig­ ten Achse 88 aus angeordnet ist. Zur Festlegung des selektiv positionierbaren Taststifts 80 in einer ge­ wünschten Stellung dient eine Klemmschraube 78, wobei jedoch auch mehrere Klemmschrauben vorgesehen werden können. Die Klemmschraube 78 erstreckt sich durch einen distalen Teil des Zweigarms 58 unter einem Winkel von etwa 90° bezüglich des Taststiftes 80. Wenn die Klemm­ schraube 78 fest gegen den Schaft 82 des Taststiftes 80 angezogen ist, wird der Taststift 80 in dem Taststifthal­ ter 54 in Lage gehalten.

Die Axialbohrung 28 des Adapters 24, der Schaft 36 und die Axialbohrung 60 des Taststifthalters 54 sind fluch­ tend längs der zentralen Achse 88 ausgerichtet. Der Schaft 82 des Taststifts 80 wird im Idealfall so einge­ stellt und in der Öffnung 72 so fixiert, daß die zuge­ schliffene Spitze 86 seines Kopfs 84 konzentrisch zu der Achse 88 ist, also in der Achse 88 liegt. Durch eine Positionierung des Taststiftes 80 derart, daß seine Spitze 86 konzentrisch zur Achse 88 ist, kann der Tast­ stifthalter 54 auf dem Schaft 36 gedreht werden, ohne daß die Spitze 86 sich aus der Achse 88 entfernt. Wenn also eine Bezugsinformation erhalten wird, indem der Taststift 80 mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird, gibt die Spitze 86 immer die Position (0,0,0) im kartesi­ schen Koordinatensystem an.

Anhand der Fig. 1, 4 und 5 soll nun die Funktion des Meßwerkzeugs 10 näher erläutert werden. Auf der Plattform 20 ist ein Werkstück 14 so positioniert, daß Bezugsinfor­ mationen erhalten werden können, indem verschiedene Punkte an dem Werkstück 14 in Kontakt mit dem Taststift 80 gebracht werden. Das Meßwerkzeug 10 ist an der ge­ wünschten Meßmaschine 12 befestigt. Die Bedienungsperson greift den Hals bzw. den gekrümmten Teilabschnitt 76 des Taststifthalters 54 und bewegt das Meßwerkzeug 10 weiter, wodurch die Meßmaschine 12 betätigt wird. Dann wählt die Bedienungsperson verschiedene Punkte auf dem Werkstück 14 aus, für die Bezugsinformationen gesammelt werden müssen, und kontaktiert das Werkstück 14 längs dieser Punkte. Wenn die zugeschliffene Spitze 86 des Taststiftes 80 das Werkstück 14 berührt, wird ein Informationssignal zum Rechner 22 gegeben, wo es für den späteren Gebrauch gespeichert wird.

In Fig. 4 und 5 wird die Möglichkeit der Betätigung des Meßwerkzeugs 10 demonstriert. An dem Werkstück 14 greift der Taststift 80 an einer relativ geraden Linie beim Vorwärtsbewegen des Meßwerkzeugs 10 an. Um jedoch eine Bezugspunktinformation längs eines stärker kontrollierten Abschnitts des Werkstücks 14 zu erhalten, muß das Meß­ werkzeug 10 so betätigt werden, daß der Taststift 80 in Kontakt mit der gewünschten Fläche gelangen kann, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Taststifthalter 54 ist dabei auf dem Schaft 36 gedreht und seitlich vorwärts bewegt, damit der Taststift 80 an dem Werkstück 14 berührend angreifen kann. Als Folge des speziellen Aufbaus des Taststifthalters 54 ergibt sich keine Beeinträchtigung zwischen Taststifthalter 54 und dem Werkstück 14, wie dies bei bekannten Ausführungen der Fall ist. Deshalb können nun auch Bezugspunktinformationen längs des kon­ turierten Abschnitts des Werkstücks 14 gesammelt werden.

Durch Anordnen des Taststifts 80 unter einem Winkel von etwa 45° bezüglich der zentralen Achse 88 wird die Wahr­ scheinlichkeit, falsche oder ungenaue Meßwerte zu erhal­ ten, stark verringert. Bei der Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 6 ist der Taststift 80′, der gestrichelt gezeichnet ist, im wesentlichen parallel zum Werkstück beim Kontaktieren der Seitenflächen angeordnet. Wenn der Taststift 80 unter einem ausreichenden Winkel positioniert ist, wird die Gefahr, daß das Werkstück 14 mit dem Schaft 80′ anstatt mit der zugeschliffenen Spitze kontaktiert wird, weit verringert.

Die Anpassungsfähigkeit des Meßwerkzeugs 10 ermöglicht es der Bedienungsperson der Meßmaschine 12, Bezugspunkt­ informationen von im wesentlichen allen Flächen eines konturierten Werkstücks 14 zu erhalten. Das Meßwerkzeug 10 kann mit der Meßmaschine 12 sowohl vertikal als auch horizontal verbunden werden, um die gewünschten Meßwerte zu erhalten. Das Meßwerkzeug ermöglicht das Erhalten der Bezugspunktinformationen während des Einsatzes eines einzigen Meßwerkzeugs.

Claims (14)

1. Meßwerkzeug, insbesondere für die Flächenvermessung, gekennzeichnet

• - durch Einrichtungen (24) zum Koppeln des Meß­ werkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12),
• - durch einen selektiv drehbaren Taststifthalter (54), der einen Basisteil (56) mit einer Axial­ bohrung (60) und einen Zweigarmteil (58) hat, der sich von dem Basisteil (56) aus erstreckt,
• - durch einen Schaft (36), der sich zwischen dem Taststifthalter (54) und den Einrichtungen (24) zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßma­ schine (12) erstreckt und längs einer zentralen Achse (88) angeordnet ist, und
• - durch einen Taststift (80), der sich unter einem Winkel von dem Taststifthalter (54) aus er­ streckt und eine Kontaktspitze (86) für das Berühren eines Werkstücks (14) hat.

2. Meßwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Lager (52) um den Schaft (36) herum angeordnet und in der Axialbohrung (60) des Stifthalters (54) aufgenommen ist.

3. Meßwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Wälzlagern (52) längs eines Endes (40) des Schaftes (36) im Abstand angeordnet ist.

4. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Taststifthalter (54) insgesamt die Form eines J mit einem Basisteil (56) und einem Zweigarmteil (58) hat, der sich von dem Basisteil (56) aus in Form eines gekrümmten Ab­ schnitts (76) und eines relativ geradlinig verlau­ fenden, im wesentlichen zur zentralen Achse (88) parallelen Abschnitts (74) erstreckt.

5. Meßwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (80) mit dem relativ geradlinig verlaufenden Abschnitt (74) des J-förmigen Tast­ stifthalters (54) so verbunden ist, daß die Kontakt­ spitze (86) konzentrisch zu der zentralen Achse (88) angeordnet ist.

6. Meßwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Taststift (80) von dem sich geradlinig erstreckenden Abschnitt (74) des Taststifthalters (54) aus erstreckt und unter einem Winkel von etwa 45° von der zentralen Achse (88) aus gehalten ist.

7. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch Einrichtungen (68) zum Ausschlie­ ßen einer Drehung des Taststifthalters (54) auf dem Schaft (36).

8. Meßwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ausschließen einer Drehung des Taststifthalters (54) eine Klemmschraube (68) aufweisen, die sich durch den Basisteil (56) des Taststifthalters (54) erstreckt und so anziehbar ist, daß sie fest an dem Schaft (36) angreift.

9. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das eine Ende (38) und das andere Ende (40) des Schaftes (36) durch einen sich radial nach außen erstreckenden Abschnitt (44) getrennt sind, um einen Raum zwischen den Einrich­ tungen (24) zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12) und dem Taststifthalter (54) aufrechtzuerhalten.

10. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ge­ kennzeichnet durch Einrichtungen (32) zum Festlegen eines Abschnitts des Schaftes (36) in den Einrich­ tungen (24) zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12).

11. Meßwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtungen zum Festlegen eines Abschnitts des Schaftes (36) in den Einrichtungen (24) zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12) eine einstellbare Spannschraube (32) aufweisen, die sich durch die Einrichtungen (24) zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12) erstreckt, wobei die Spannschraube (32) so eingestellt wird, daß sie in eine Ringnut (42) eingreift, die an dem Schaft (36) ausgebildet ist.

12. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Koppeln des Meßwerkzeugs (10) an eine Meßmaschine (12) einen Adapter (24) mit Einrichtungen (26) zum Befestigen an der Meßmaschine (12) aufweisen, die sich von einer ersten Oberfläche aus erstrecken, während Einrichtungen (32) zum Halten des Meßwerk­ zeugs (10) in einer zweiten Oberfläche positioniert sind.

13. Meßwerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Adapter (24) eine Axialbohrung (28) hat, die sich wenigstens teilweise durch ihn hin­ durch erstreckt und in die das eine Ende (38) des Schaftes (36) ragt, während das andere Ende (40) des Schaftes (36) sich in die Axialbohrung (60) des Taststifthalters (54) erstreckt.

14. Meßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (80), der sich unter einem Winkel von dem geradlinigen Ab­ schnitt (74) des Taststifthalters (54) aus er­ streckt, einen Schaftabschnitt (80) und einen Kopf­ abschnitt (84) mit der Kontaktspitze (86) aufweist.