DE102016201574B4

DE102016201574B4 - Koordinatenmessgerät mit einer Pinole, Verfahren zum Betreiben des Koordinatenmessgeräts und Verfahren zum Herstellen des Koordinatenmessgeräts

Info

Publication number: DE102016201574B4
Application number: DE102016201574.5A
Authority: DE
Inventors: Christof Poglitsch; Wolfgang Strauss
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: DE102016201574A1

Abstract

Koordinatenmessgerät (1) mit einer Pinole (27; 57), an der ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks (12) anbringbar ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole (27; 57) einstellbar ist, wobei eine nach oben weisende Oberfläche (44) der Pinole (27) und/oder eine nach oben weisende Oberfläche (65) eines mit der Pinole (57) verbundenen Bauteils (64), das sich bei einer Bewegung der Pinole (57) mitbewegt, zumindest einen während eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes unter Unterdruck stehenden Gasraum begrenzt, so dass die Pinole (27; 57) eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole (27; 57) und dem Unterdruck entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit einer Pinole, an der ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks anbringbar ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole einstellbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Koordinatenmessgeräts.
Koordinatenmessgeräte mit einer Pinole sind seit langem bekannt. Der Sensor (z.B. ein taktiler Sensor oder ein optischer Sensor) wird oder ist meist am unteren Ende der Pinole befestigt. Während des Betriebes des Koordinatenmessgeräts wird die Pinole bewegt, insbesondere um das zu vermessende Werkstück aus verschiedenen Sensorpositionen abzutasten. Pinolen werden z.B. an Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise oder in Gantry-Bauweise eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Typen von Koordinatenmessgeräten beschränkt.
Die Pinole ist relativ zu einem tragenden Teil des Koordinatenmessgeräts beweglich und durch Bewegung der Pinole ist die vertikale Position der Pinole einstellbar. Es besteht daher das Problem, dass das Gewicht der Pinole die Vermessung des von dem Koordinatenmessgerät zu vermessenden Werkstücks beeinflussen kann. Insbesondere kann das Gewicht zu einer Verformung von tragenden Teilen des Koordinatenmessgeräts führen, insbesondere abhängig von der Position der Pinole relativ zu der Basis des Koordinatenmessgeräts. Ferner kann sich das Gewicht der Pinole störend auf die Messung der Position der Pinole auswirken. Außerdem kann das Gewicht der Pinole bei der Bewegung der Pinole störend sein. Insbesondere bewirkt das Gewicht eine Trägheit und können daher Maximalwerte für die Beschleunigung und Geschwindigkeit bei der Bewegung der Pinole vorgegeben sein.
Anordnungen zum Ausgleichen der Gewichtskraft sind bereits vorgeschlagen worden. Früher wurde der Gewichtsausgleich durch Gegengewichte vorgenommen. Koordinatenmessgeräte dieser Art sind z.B. in der DE 26 13 451 und der DE 29 43 431 beschrieben. Nachteilig hieran ist jedoch, dass ein Gegengewicht die Gesamtmasse der zu bewegenden Teile erhöht, wodurch die Dynamik bei der Bewegung der Pinole oder anderer Teile des Koordinatenmessgeräts nachteilig beeinflusst wird. Mechanismen mit Feder und Seilzug gleichen außerdem das Pinolengewicht (einschließlich daran angebrachter Teile wie der Sensor) prinzipbedingt nicht exakt in allen Vertikalpositionen der Pinole aus.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, anstelle des Gegengewichts Pneumatikzylinder vorzusehen. Ein entsprechendes Koordinatenmessgerät ist beispielsweise in der US 4,207,680 beschrieben. Solche Pneumatikzylinder bzw. Gasdruckfedern weisen den Zylinder, auch Druckrohr genannt, eine Kolbenstange mit Kolben sowie geeignete mechanische Anschlüsse zum Einleiten der Kräfte auf die Kolbenstange auf. Das Druckrohr ist mit einem komprimierten Gas gefüllt oder beaufschlagt. Je nach Anwendungsfall sind in axialer Richtung des Druckrohres entweder eine oder beide Seiten des Kolbens mit Gas befüllt. Es gibt auch Konstruktionen, die außerdem noch einen Trennkolben besitzen, der zwei mit Gas und Öl befüllte Bereiche trennt.
Vorbekannte Kompensationseinrichtungen haben auch den Nachteil eines hohen Platzbedarfs. So weist z.B. das Koordinatenmessgerät (im Folgenden abgekürzt durch KMG) nach US 4,207,680 eine Umlenkeinrichtung auf, die aus zwei koaxial gelagerten Scheiben besteht. Auf diese Weise ist zwar eine Wandlung des Drehmoments und damit der Zugkraft zwischen der Last und dem Luftdruckzylinder möglich. Der Zylinder erstreckt sich jedoch in horizontaler Richtung und die Umlenkeinrichtung benötigt erheblichen Platzbedarf, um die Kraftwandlung bewirken zu können. Luftdruckzylinder haben außerdem allgemein den Nachteil, dass sie sehr exakt positioniert werden müssen, damit sie bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Pinole keine Querkräfte bewirken. Auch treten aufgrund der Reibung zwischen Kolben und Zylinder in jedem Fall Reibungskräfte auf.
DE 38 23 042 A1 beschreibt ein KMG mit einer Druckfeder (dort eine Schraubenfeder), deren Längsachse in horizontaler Richtung verläuft. Zwar wird das Zugseil, welches die Gewichtskraft auf die Feder überträgt, zweifach umgelenkt, um den Federweg zu verkürzen. Jedoch benötigt die Kombination aus Druckfeder und Umlenkung sehr viel Platz in horizontaler Richtung.
DE 86 094 23 U1 beschreibt eine Kompensationseinrichtung für ein Koordinatenmessgerät mit einer Druckfeder, deren Längsachse in vertikaler Richtung ausgerichtet ist. Eine Umlenkeinrichtung mit zwei Umlenkrollen befindet sich oberhalb der Druckfeder. Auch die Befestigung des Zugseils befindet sich oberhalb der Druckfeder. Trotz des verkürzten Federweges ist der Platzbedarf relativ hoch.
Kompensationseinrichtungen mit mechanischen Federn haben prinzipiell den Nachteil, dass sie das Gewicht der Pinole nicht in allen vertikalen Positionen der Pinole exakt ausgleichen können.
EP 0 104 972 A1 beschreibt ein Koordinatenmessgerät mit einem vertikal beweglichen Sensor, der von dem unteren Bereich eines Sensor-Arms getragen wird, dessen Gewicht durch ein pneumatisches Gegengewicht ausgeglichen wird. Durch Nutzung einer Quelle für Druckluft wird ein kugelförmiger Kolben des Gegengewichts nach oben gedrückt.
EP 0 072 314 A1 beschreibt ein pneumatisches Gegengewichtssystem für ein Koordinatenmessgerät, das einen vertikal beweglichen Sensor aufweist. Unter Druck stehende Luft wird dazu verwendet, auf einen ballförmigen Kolben eine Kraft auszuüben, wobei der Kolben direkt mit dem Sensorarm verbunden ist, welcher den Sensor stützt.
US 4 835 871 A beschreibt ein Koordinatenmessgerät mit einem in vertikaler Richtung beweglichen Teil, welches einen Luftzylinder aufweist. Ein Kolben innerhalb des Luftzylinders ist fest, jedoch über ein flexibles Element mit einem feststehenden Maschinenelement verbunden. In dem zylindrischen Raum zwischen dem Kolben und einer oben in dem Zylinder befindlichen axialen Öffnung wird Druckluft geleitet, die die Gewichtskraft des beweglichen Teils kompensiert.
US 4 799 316 A beschreibt ein Koordinatenmessgerät mit einem pneumatischen Sensor-Gegengewichtssystem .
JP S60- 152 910 A beschreibt in einem Koordinatenmessgerät einen in vertikaler Richtung beweglichen Gleiter mit einem Messsensor an seinem unteren Ende. Mit dem unteren Ende einer Kolbenstange, die in einem Zylinder des Gleiters angeordnet ist, ist ein Kolben gekoppelt. Auf den Kolben wirkt ein Druck ein, der gesteuert werden kann. Dadurch kann ein Gewichtsausgleich vorgenommen werden.
US 2006 / 0 242 959 A1 beschreibt eine pneumatische Ausgleichsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine zum Gewichtsausgleich. Die Ausgleichsvorrichtung weist einen pneumatischen Zylinder auf, der während des Betriebes Druckluft enthält und so zu einem Gewichtsausgleich führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät mit einer Pinole anzugeben, deren Gewicht kompensiert werden kann, ohne zusätzliche Kräfte zu erzeugen, die bei der Bewegung der Pinole störend sind. Insbesondere soll die Gewichtskraftkompensation einstellbar sein, um unterschiedliche Gewichte von wahlweise und austauschbar an der Pinole angebrachten Gelenken, Messköpfen, und/oder Messsensoren zum Abtasten des zu vermessenden Werkstücks ebenfalls kompensieren zu können. Weitere Aufgaben der Erfindung sind es, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts und ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Koordinatenmessgeräts anzugeben.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird das Gewicht der Pinole zumindest teilweise durch einen Unterdruck in zumindest einem Gasraum kompensiert, der oberhalb eines Materialbereichs liegt. Der Materialbereich ist Teil der Pinole und/oder eines fest mit der Pinole verbundenen zusätzlichen Bauteils und begrenzt den zumindest einen Gasraum. Da der Druck in dem Gasraum geringer als in der Umgebung der Pinole ist, kann er als Unterdruck bezeichnet werden und kann der Zustand des Gasraumes als Vakuum bezeichnet werden. Um das Gewicht, d.h. die Gewichtskraft, der Pinole zumindest teilweise kompensieren zu können, liegt der Gasraum oberhalb des Teils der Pinole und/oder des zusätzlichen, mit der Pinole verbundenen Bauteils. Die Erfindung ist nicht auf einen einzigen Gasraum mit Unterdruck beschränkt. Vielmehr kann die Pinole und/oder oder zumindest ein mit der Pinole fest verbundenes zusätzliches Bauteil insgesamt mehr als einen unter Unterdruck stehenden Gasraum an dessen Unterseite begrenzen.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Unterdruck in dem zumindest einen Gasraum auf einfache Weise und zu geringen Herstellungskosten erzeugt werden kann. Ferner verursacht das in dem Gasraum und dessen Zuleitung unter geringem Druck stehende Gas bei Bewegung der Pinole keine erhebliche Reibung und daher keine Reibungs- und Querkräfte, die die Dynamik der Bewegung der Pinole nachteilig beeinflussen. Dies ermöglicht insbesondere bei einer geradlinigen Bewegung der Pinole eine sehr hohe Bewegungsdynamik bei ebenfalls hoher Genauigkeit der Einstellung der vertikalen Position der Pinole. Anders ausgedrückt beeinflusst die vakuum-basierte Gewichtskompensation eine exakte Bewegungsführung der Pinole nicht negativ.
Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Vakuum zur Gewichtskompensation besteht darin, dass in dem Gasraum auch bei Bewegung der Pinole keine Wärme erzeugt wird, wie es bei Reibung zwischen beweglichen Teilen bekannter Kompensationseinrichtungen der Fall ist. Wärme führt zu Änderungen der Abmessungen der betroffenen Teile des Koordinatenmessgeräts und kann insbesondere zu Messfehlern beim Ablesen der Maßstäbe von Bewegungsachsen führen.
Insbesondere können die Bewegungsmechanik und der Bewegungsantrieb der Pinole wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgeführt sein. Z.B. kann eine Luftlagerung vorgesehen sein, die die Bewegung der Pinole relativ zu einem tragenden Teil lagert. Z.B. kann die Bewegung der Pinole über einen Reibradantrieb angetrieben werden. Es können aber auch andere Antriebe (z.B. über Zahnrad und/oder Spindel) eingesetzt werden.
Unter einer Pinole eines Koordinatenmessgeräts wird ein bewegliches Teil verstanden, dessen vertikale Position (d.h. Position in vertikaler Richtung) einstellbar ist. An der Pinole ist ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zum Zweck der Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks angebracht oder anbringbar. Um das Gewicht der Pinole gering zu halten, kann die Pinole innen hohl sein. Dies ist jedoch kein für eine Pinole zwingend erforderliches Merkmal. Insbesondere kann die Pinole in der vertikalen Richtung linear beweglich sein, sodass die vertikale Position unmittelbar durch Bewegen der Pinole in der vertikalen Richtung eingestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Pinole nicht oder nicht exakt in vertikaler Richtung linear beweglich ist, sondern das Koordinatenmessgerät eine Bewegungsmechanik aufweist, die die Pinole in anderer Weise von oben nach unten bewegt (und umgekehrt). Z.B. kann die Pinole an einer Parallelogramm-Bewegungsmechanik angebracht sein. Der Bewegung in vertikaler Richtung kann daher eine Bewegung in anderer Richtung und/oder um eine Drehachse überlagert sein. In jedem Fall weist das Koordinatenmessgerät ein tragendes Teil auf, relativ zu dem die Pinole von oben nach unten und umgekehrt beweglich ist. Die vertikale Position der Pinole wird z.B. relativ zu diesem tragenden Teil gemessen. Das tragende Teil kann wiederum beweglich relativ zu einem anderen Teil des Koordinatenmessgeräts sein. Bei dem tragenden Teil kann es sich z.B. um einen Querschlitten des Koordinatenmessgeräts handeln, der in horizontaler Richtung linearbeweglich ist. Sämtliche beweglichen Teile des Koordinatenmessgeräts können manuell und/oder maschinell angetrieben werden, um sie zu bewegen. Insbesondere kann der Messsensor unten an der Pinole befestigt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Meist wird der Sensor über eine mechanische Schnittstelle auswechselbar an der Pinole befestigt, z.B. über einen Wechselteller. Ferner ist es bekannt, den Sensor (z.B. taktilen oder optischen Sensor) über einen Messkopf an der Pinole zu befestigen. Ferner optional kann der Sensor über zumindest eine Bewegungsmechanik (z.B. ein Drehgelenk oder Dreh-/ Schwenkgelenk) an der Pinole befestigt sein.
Wie bereits erwähnt ist der Begriff Koordinatenmessgerät nicht auf Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise beschränkt, sondern schließt z. B. insbesondere auch Geräte in Gantrybauweise mit ein. Auch können von dem Begriff optional Maschinen mit erfasst sein, die zwar nicht primär als Koordinatenmessgeräte konzipiert sind, die aber so eingerichtet sind, wie ein Koordinatenmessgerät zu arbeiten. Z. B. gehören dazu Werkzeugmaschinen, an denen anstelle eines Bearbeitungswerkzeuges ein Sensor zur Erfassung der Werkstückoberfläche (beispielsweise ein taktiler Sensor) an einer Pinole befestigt ist. Bezüglich der Bewegungsmechanik sind außer Portalmechaniken mit zueinander kaskadierten linearen Bewegungsachsen beispielsweise Hexapodenmechaniken mit einer Pinole möglich.
Insbesondere wird ein Koordinatenmessgerät mit einer Pinole vorgeschlagen, an der ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks anbringbar ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole einstellbar ist. Eine nach oben weisende Oberfläche der Pinole und/oder eine nach oben weisende Oberfläche eines mit der Pinole verbundenen Bauteils, das sich bei einer Bewegung der Pinole mitbewegt, begrenzt zumindest einen während eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes unter Unterdruck stehenden Gasraum, so dass die Pinole eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole und dem Unterdruck entspricht.
Ferner wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts mit einer Pinole, an der ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks angebracht ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole eingestellt wird, wobei an einer nach oben weisenden Oberfläche der Pinole und/oder an einer nach oben weisenden Oberfläche eines mit der Pinole verbundenen Bauteils, das sich bei einer Bewegung der Pinole mitbewegt, ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die Pinole eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole und dem Unterdruck entspricht. Ausgestaltungen des Betriebsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Koordinatenmessgeräts.
Außerdem wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Herstellen eines Koordinatenmessgeräts, insbesondere des Koordinatenmessgeräts nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen, mit folgenden Schritten:

• Anordnen einer Pinole an einer tragenden Konstruktion des Koordinatenmessgeräts, sodass eine vertikale Position der Pinole durch Bewegung der Pinole einstellbar ist, wobei an der Pinole ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks anbringbar ist,
• Ausbilden zumindest eines Gasraumes oberhalb einer nach oben weisenden Oberfläche der Pinole und/oder oberhalb einer nach oben weisende Oberfläche eines mit der Pinole verbundenen Bauteils, das sich bei einer Bewegung der Pinole mitbewegt, wobei der Gasraum während eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes unter Unterdruck steht, so dass die Pinole während des Betriebes eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole und dem Unterdruck entspricht.

Der zumindest eine Gasraum kann über eine Verbindungsleitung mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung verbunden sein. Vorzugsweise ist/wird die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung separat und entfernt von dem Koordinatenmessgerät angeordnet. Die Verbindungsleitung verbindet daher den Gasraum, der durch die nach oben weisende Oberfläche begrenzt wird/ist mit der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung, wenn das Koordinatenmessgerät betrieben wird. Die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung ist jedoch nicht Teil des Koordinatenmessgeräts. Z.B. kann die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung zumindest eine Vakuumpumpe aufweisen, die zumindest den Innenraum der Verbindungsleitung und optional auch einen Gasbehälter teilweise evakuiert, der vorzugsweise ebenfalls separat und entfernt von dem Koordinatenmessgerät angeordnet ist/wird. Ein solcher Gasbehälter stellt ein Puffervolumen zur Verfügung, um den Gasdruck innerhalb der Verbindungsleitung und damit auch in den Gasraum in der nach oben weisenden Oberfläche konstant zu halten.
Insbesondere weist das Koordinatenmessgerät eine Verbindungsleitung auf, die gemeinsam mit der nach oben weisenden Oberfläche den Gasraum begrenzt und eine Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung ermöglicht. Bei der Verbindungsleitung, die Teil des Koordinatenmessgeräts ist, kann es sich um die gesamte Verbindungsleitung oder um einen Abschnitt der gesamten Verbindungsleitung handeln, die zu der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung führt, während das Koordinatenmessgerät betrieben wird. Ein Verlauf, eine Form und/oder eine Größe der Verbindungsleitung des KMG ist variabel und passt sich bei Bewegung der Pinole an eine vertikale Position der Pinole an, so dass die nach oben weisende Oberfläche den unter Unterdruck stehenden Gasraum jeweils in verschiedenen vertikalen Positionen der Pinole begrenzt und die Pinole daher in den verschiedenen vertikalen Positionen jeweils eine nach oben gerichtete Kraft erfährt.
Dem entspricht bei dem Betriebsverfahren die Verwendung einer derartigen Verbindungsleitung, die zumindest Teil einer Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung ist.
Bezüglich des Herstellungsverfahrens entspricht dem, eine derartige Verbindungsleitung zu der nach oben weisenden Oberfläche zu führen, sodass die Verbindungsleitung gemeinsam mit der nach oben weisenden Oberfläche den Gasraum begrenzt und eine Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung ermöglicht.
Da der Verlauf, die Form und/oder die Größe der Verbindungsleitung des KMG variabel ist/sind, kann die Pinole bewegt werden und herrscht während des Betriebes des KMG an der nach oben weisenden Oberfläche der Unterdruck. In Bezug auf eine Verbindungsleitung mit variablem Verlauf bedeutet dies, dass sich der Verlauf der Verbindungsleitung oder zumindest eines Abschnitts der Verbindungsleitung von der nach oben weisenden Oberfläche zu der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung ändert, wenn die Pinole bewegt wird und sich daher die vertikale Position der Pinole verändert. Wenn sich lediglich der Verlauf der Verbindungsleitung durch die Bewegung der Pinole ändert, hat dies den Vorteil, dass sich das Volumen innerhalb der Verbindungsleitung nicht ändert und daher auch der Unterdruck nicht durch die Bewegung der Pinole verändert wird.
Allerdings kann es verhältnismäßig aufwendig sein, die Erzeugung von Zwangskräften auf die Pinole zu vermeiden, wenn sich lediglich der Verlauf der Verbindungsleitung bei Bewegung der Pinole ändert.
Daher wird bevorzugt, dass sich die Form und/oder die Größe der Verbindungsleitung des KMG ändern, wenn die vertikale Position der Pinole verändert wird. Insbesondere wird in diesem Fall eine Längenänderung der Verbindungsleitung des KMG bevorzugt. Z.B. können in diesem Fall Vakuumschläuche als Verbindungsleitung verwendet werden, die aus der Handhabungstechnik zum Heben und Tragen von Gegenständen bekannt sind. Bei der Anwendung dieser Handhabungstechnik werden zumeist hochgewichtige Gegenstände angehoben und in dem gehobenen Zustand transportiert, wobei an einer nach oben weisenden Oberfläche des gehobenen Gegenstandes ein Gasraum mit Unterdruck vorhanden ist.
Es wird daher in Bezug auf die Verbindungsleitung des KMG bevorzugt, dass sich die Verbindungsleitung ausgehend von der nach oben weisenden Oberfläche nach oben erstreckt. Dies ermöglicht bei Veränderung der vertikalen Position der Pinole, dass sich die Länge der Verbindungsleitung in vertikaler Richtung an die veränderte oder sich verändernde vertikale Position der Pinole anpasst. Insbesondere bleibt das Ende der Verbindungsleitung an der nach oben weisenden Oberfläche während der Bewegung der Pinole permanent in Kontakt mit dem Teil, das die nach oben weisende Oberfläche bildet. Dadurch ist der Gasraum, den die nach oben weisende Oberfläche gemeinsam mit der Verbindungsleitung begrenzt, jedenfalls im Bereich der Pinole permanent während der Bewegung nach außen abgeschlossen. Sehr geringe Gas-Undichtigkeiten im Bereich der Pinole können auf einfache Weise durch den Betrieb der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung (z.B. der zumindest einen Vakuumpumpe) ausgeglichen werden, sodass der Unterdruck z.B. permanent während der Bewegung der Pinole konstant bleibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verbindungsleitung einen Vakuumschlauch auf, dessen Länge veränderbar ist, wobei sich die Länge des Vakuumschlauchs mit einer Bewegung der Pinole nach unten vergrößert und umgekehrt (d.h. mit einer Bewegung der Pinole nach oben verkleinert sich die Länge). Eine Verbindungsleitung (insbesondere ein Vakuumschlauch), deren Länge veränderbar ist, hat den Vorteil, dass die Verbindungsleitung die Positionsänderung ihres Endes an der Pinole zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig ausgleichen kann. Es ist daher keine aufwendige zusätzliche mechanische Konstruktion erforderlich, die die Position des Endes der Verbindungsleitung an die veränderte vertikale Position der Pinole anpasst und/oder Zwangskräfte durch die Umlenkung von Leitungsabschnitten der Verbindungsleitung reduziert.
Zwar können auch aufgrund einer Längenänderung der Verbindungsleitung Kräfte auf die Pinole ausgeübt werden. Diese Kräfte können jedoch bei geeigneter Wahl der Verbindungsleitung eine sehr geringe Stärke haben. Z.B. kann die Verbindungsleitung einen teleskopartig längenveränderbaren Körper aufweisen, dessen Länge sich mit einer Bewegung der Pinole nach unten vergrößert und umgekehrt. Die zwischen den einzelnen Elementen des teleskopartig längenveränderbaren Körpers wirkenden Reibungskräfte können durch geeignete Wahl des Materials oder der Materialien insbesondere an den aneinander angrenzenden Oberflächen der Segmente minimiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindungsleitung wie bereits erwähnt einen Vakuumschlauch aufweisen, dessen Länge veränderbar ist. Aus der bereits genannten Handhabungstechnik sind geeignete Vakuumschläuche bekannt, deren Länge ebenfalls veränderbar ist.
Vorzugsweise verläuft entlang einer Wand des Vakuumschlauchs zumindest ein elastisch verformbares Stabilisierungselement, das die Wand gegen Kräfte stabilisiert, welche aufgrund des Unterdrucks auf die Wand einwirken. Bereiche der Wand zwischen Abschnitten des Stabilisierungselements können z.B. von einem tuchförmigen Material gebildet sein, z.B. einem Gewebe oder Vlies mit luftdichter Beschichtung oder Imprägnierung, oder einer oder mehreren Lagen Kunststoff (in welchem Fall auf ein Gewebe verzichtet werden kann). Das elastisch verformbare Stabilisierungselement ist insbesondere so ausgestaltet und mit sonstigen Bestandteilen der Wand des Vakuumschlauchs kombiniert, dass bei Längenänderung des Vakuumschlauchs eine Rückstellkraft erzeugt wird, die bei Fehlen anderer Kräfte dazu führen würde, dass die Längenänderung rückgängig gemacht wird. Umgekehrt kann sich der Vakuumschlauch bereits zu Beginn einer Bewegung der Pinole in einem Zustand befinden, in dem das zumindest eine elastisch verformbare Stabilisierungselement vorgespannt ist, d.h. die Vorspannungskräfte unterstützen die Längenänderung, die bei Bewegung der Pinole stattfindet.
Vorzugsweise ist der Unterdruck in der Verbindungsleitung auf die durch das zumindest eine elastisch verformbare Stabilisierungselemente erzeugten Kräfte abgestimmt und kompensieren die durch die Druckunterschiede zwischen der Umgebung der Pinole und dem Gasraum bewirkten Differenzdruckkräfte und die elastischen Verformungskräfte des oder der Stabilisierungselemente gemeinsam das Gewicht bzw. die Gewichtskraft der Pinole (und optional der daran befestigten Teile, wie z. B. Messensor und Drehgelenk) .
Falls die elastischen Verformungskräfte des oder der Stabilisierungselemente sich mit der Längenänderung des Vakuumschlauchs verändern, wird es bevorzugt, dass eine Steuerung der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung diese derart steuert, dass der Unterdruck und damit die Differenzdruckkräfte an die geänderten elastischen Kräfte angepasst werden, sodass die Summe der beiden Kräfte trotz Längenänderung konstant bleibt. Zumindest wird bevorzugt, dass ein Teil der Änderung der elastischen Kräfte mit Längenänderung des Vakuumschlauchs durch Änderung des Unterdrucks ausgeglichen wird.
Unabhängig von der Frage, ob das elastisch verformbare Stabilisierungselement eine in Längsrichtung des Vakuumschlauchs wirkende Kraft erzeugt oder nicht, hat ein Vakuumschlauch mit Stabilisierungselement den Vorteil, dass er seinen Außendurchmesser bei Längenänderung lediglich geringfügig oder nicht wesentlich ändert. Auch hat die Konstruktion des Vakuumschlauchs mit elastisch verformbarem Stabilisierungselement und tuchförmigen Wandbereichen den Vorteil, dass er auf einfache Weise und kostengünstig herstellbar ist. Im Unterschied zu Verbindungsleitungen mit Teilelementen, die sich bei Längenänderung relativ zueinander bewegen und dabei miteinander in Kontakt sind (wie z.B. bei dem teleskopartig längenveränderbaren Körper), treten bei einem solchen Vakuumschlauch lediglich vernachlässigbar kleine Reibungskräfte bei Längenänderung auf. Z.B. kann das zumindest eine elastisch verformbare Stabilisierungselement die Form einer Helix-Feder haben.
Die Erfindung hat insbesondere bei motorischem Antrieb der Bewegung der Pinole den Vorteil, dass der Antrieb lediglich eine sehr geringe Antriebsleistung benötigt, da das Gewicht der Pinole zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig kompensiert ist. Da ferner Querkräfte aufgrund der Gewichtskompensation vermieden werden, kann der Antrieb insbesondere eine Linearbewegung der Pinole in geradliniger Richtung erzeugen (insbesondere in vertikaler Richtung), die sehr präzise ausschließlich in der geradlinigen Richtung verläuft. Da ferner auf Gegengewichte verzichtet werden kann, ist die bei Bewegung der Pinole insgesamt bewegte Masse gering. Die Verbindungsleitung kann eine sehr geringe Masse habe.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Koordinatenmessgerät in Portalbauweise, das eine in vertikaler Richtung (z-Richtung) bewegliche Pinole aufweist,
2 einen Längsschnitt durch eine Pinole mit einer ersten Ausführungsform einer in Längsrichtung längenveränderlichen Verbindungsleitung, wobei sich die Pinole in einer oberen vertikalen Position befindet,
3 die Pinole aus 2, wobei sich die Pinole in einer unteren vertikalen Position befindet,
4 eine Teildarstellung der in 2 und 3 dargestellten Pinole mit einer Andeutung der am unteren Ende auf die Pinole wirkenden Kräfte, die durch Unterdruck erzeugt werden,
5 zwei verschiedene Längenzustände eines Vakuumschlauchs mit einem helixförmigen elastisch verformbaren Stabilisierungselement,
6 einen Längsschnitt durch eine Pinole mit einer zweiten Ausführungsform von Verbindungsleitungen, wobei sich die Pinole in einer oberen vertikalen Position befindet,
7 die Pinole aus 6, die sich in einer unteren vertikalen Position befindet,
8 eine Teildarstellung der in 6 und 7 dargestellten Pinole in einem Bereich, wo die Enden der Verbindungsleitungen an einem mit der Pinole verbundenen zusätzlichen Bauteil enden, und
9 zwei verschiedene Zustände einer Verbindungsleitung mit verschiedenen Längen, wobei es sich bei dem dargestellten Abschnitt der Verbindungsleitung um einen teleskopartig längenveränderbaren Körper handelt.

1 zeigt schematisch ein Koordinatenmessgerät (kurz: KMG) 1 in Portalbauweise. Entlang von zwei parallelen Führungen im Bereich eines Messtisches 2 (z. B. eine Granitplatte) ist ein erster Schlitten 3 in Form eines Portals beweglich geführt. Zur Messung der Position des Portals entsprechend einer ersten linearen Bewegungsachse y ist ein erster Maßstab 4. Die Position wird mit einem entsprechenden Ablesesensor (nicht dargestellt) abgelesen, wie auch bei weiteren Maßstäben, die im Folgenden beschrieben werden. Außerdem ist ein erster Antrieb (nicht dargestellt) vorgesehen, durch den eine Bewegung des ersten Schlittens 3 in y-Richtung angetrieben werden kann.
Entlang der den Messtisch 2 horizontal überspannenden Traverse des portalförmigen ersten Schlittens 3, ist ein zweiter Schlitten 5 beweglich geführt, wobei zur Messung von dessen Position relativ zu dem Portal entsprechend einer zweiten linearen Bewegungsachse x ein zweiter Maßstab 6 und ein entsprechender zweiter Ablesesensor (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Eine Bewegung des zweiten Schlittens 5 in der x-Richtung kann durch einen zweiten Antrieb (nicht dargestellt) angetrieben werden.
An dem zweiten Schlitten 5 ist wiederum ist ein dritter Schlitten, nämlich eine Pinole 7, beweglich geführt, wobei zur Messung der Position der Pinole relativ zu dem zweiten Schlitten 5 entsprechend einer dritten linearen Bewegungsachse z ein dritter Maßstab 8 und ein entsprechender dritter Ablesesensor (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Eine Bewegung der Pinole 7 in der z-Richtung kann durch einen dritten Antrieb (siehe z. B. 2, 3, 6, 7) angetrieben werden. Unterhalb des unteren Endes der Pinole 7 ist ein Messsensor 10 angeordnet, der im vorliegenden Fall in Form eines Taststiftes mit Tastkugel 11 (d.h. als taktiler Sensor) ausgebildet ist, welcher über einen Messkopf und eine Wechselschnittstelle 9 am unteren Ende der Pinole 7 befestigt ist.
Auf dem Messtisch 2 ist ein Werkstück 12 angeordnet, das durch Bewegung der drei Schlitten 3, 5, 7 vom Messsensor 10 abgetastet werden kann, wobei aus den Signalen des Messsensors 10 und/oder des Messkopfes sowie aus den Maßstabspositionen der Maßstäbe 4, 6, 8 Messwerte auf der Oberfläche des zu vermessenden Werkstückes 12 ermittelt werden. Eine Steuerung 13 steuert und/oder regelt die Antriebe der Schlitten 3, 5, 7. Außerdem werden von der Steuerung 13 die Maßstabswerte der Maßstäbe 4, 6, 8 ausgelesen, sowie die Signale des Messsensors 10 und/oder des Messkopfes. Mit der Steuerung 13 kann ein Messrechner verbunden sein (nicht dargestellt).
Über eine Anschlussleitung 16 ist das obere Ende der Pinole 7 mit einer Gasbehälter 17 verbunden, der ein Puffervolumen zum Konstanthalten des Gasdrucks in der Anschlussleitung 16 und der z. B. im Inneren verlaufenden (nicht dargestellten) Verbindungsleitung bildet. Der Gasbehälter 17 wiederum ist über eine Gasleitung 18 mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung 19 verbunden.
2 und 3 zeigen einen Längsschnitt durch eine Pinole 27 und durch einen tragenden Teil, der insbesondere durch einen Schlitten gebildet sein kann, der wie in 1 gezeigt entlang der Traverse eines Portals in x-Richtung beweglich ist. Der tragende Teil bildet die Bewegungsführung für die Bewegung der Pinole 27 in vertikaler Richtung. Im Fall der 1 ist dies die z-Richtung. Während 2 die Pinole 27 in einer oberen vertikalen Position zeigt, ist in 3 die Pinole 27 in einer unteren vertikalen Position dargestellt.
Unter dem Begriff tragender Teil ist in Bezug auf die Pinole eines KMG zu verstehen, dass der tragende Teil bei Fehlen einer Gewichtskompensation der Pinole das Gewicht der Pinole trägt. Bei konventionellen Gewichtskraft-Kompensationseinrichtungen würde der tragende Teil auch bei Vorhandensein der Gewichtskraft-Kompensationseinrichtung zumindest einen Teil des Gewichts der Pinole tragen, je nach Ausführungsform der Gewichtskraft-Kompensationseinrichtung. Bei der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensation trägt der tragende Teil jedoch denjenigen Teil des Gewichts der Pinole nicht, der durch den Unterdruck in dem Gasraum oder den Gasräumen kompensiert wird. Bevorzugter Maßen wird das Gewicht und damit auch die Gewichtskraft vollständig durch Unterdruck kompensiert.
Anhand von 2 und 3 sowie später auch anhand von 6 und 7 werden zwei Ausführungsbeispiele für die Gewichtskraftkompensation durch Unterdruck an schematisch dargestellten Konstruktionen erläutert.
Der tragende Teil der in 2 und 3 dargestellten Konstruktion weist eine Abdeckung 21, Bewegungslager 22, einen Antriebsmotor 24 und ein Reibrad 25 auf. Die Bewegungslager 22 lagern die Bewegung der Pinole 27 z.B. an zwei axialen Positionen in z-Richtung (der vertikalen Richtung in der Figurenebene der 2 und 3). Die Bewegungslager 22 können wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ausgeführt sein. Möglich sind insbesondere Luftlager. Die Lager 22 führen die Bewegung der Pinole 27 in der vertikalen Richtung, wobei die Bewegungsführung in der Praxis auch zusätzliche Führungsbestandteile aufweisen kann.
Auch die Darstellung des Antriebsmotors 24 und des Reibrades 25, das von dem Antriebsmotor 24 angetrieben wird, sind schematisch zu verstehen. Z.B. kann sich anders als dargestellt auf einander gegenüberliegenden Seiten der Pinole jeweils ein Reibrad zum Antreiben der Bewegung der Pinole 27 befinden. Durch Drehung des zumindest einen Reibrades 25 um dessen Drehachse entsteht eine Drehbewegung, die aufgrund des Abrollens der Außenumfangsfläche des Reibrades 25 eine Linearbewegung der Pinole 27 in vertikaler Richtung (insbesondere z-Richtung) bewirkt. Je nach Drehrichtung des Reibrades 25 wird die Pinole nach unten in eine tiefere Vertikalposition oder nach oben in eine höhere Vertikalposition bewegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden dabei die am unteren Ende der Pinole 27 angeordnete Wechselschnittstelle 9 und der Messsensor 10 mitbewegt, sodass die Tastkugel 11 des Messsensors 10 in eine gewünschte Vertikalposition gebracht wird, die insbesondere von der Steuerung 13 des KMG 1 vorgegeben wird.
Bei dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Pinole 27 befindet sich in ihrem Inneren eine Verbindungsleitung 23, deren Außenwand gasdicht ist und insbesondere luftdicht ist, sodass der Innenraum der Verbindungsleitung 23 auf einen gewünschten Unterdruck gegenüber dem Gasdruck außerhalb der Verbindungsleitung 23 und somit außerhalb der Pinole 27 evakuierbar ist. Durch drei nach oben weisende Pfeile in 2 und vier nach oben weisende Pfeile in 3 im Inneren der Verbindungsleitung 23 ist angedeutet, dass Gas und insbesondere Luft aus dem Inneren der Verbindungsleitung 23 evakuierbar ist.
Am oberen Ende der Verbindungsleitung 23 ist diese an eine Anschlussleitung 28 angeschlossen, über die die Verbindungsleitung 23 mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung (nicht dargestellt) verbindbar ist und während des Betriebes des KMG auch verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel der 2 und 3 erstreckt sich die Verbindungsleitung 23 im Inneren der Pinole 27 bis zum unteren Ende der Pinole 27. Dort befindet sich wie die vergrößerte Teildarstellung in 4 zeigt eine nach oben weisende Oberfläche 44, die aus Material der Pinole 27 gebildet ist/wird. In der Teildarstellung der 4 ist unterhalb des unteren Endes der Pinole 27 der Messsensor weggelassen. Es ist lediglich die Schnittstelle 9 dargestellt, über die ein Messsensor optional über einen Messkopf an der Pinole 27 befestigt werden kann. Selbstverständlich muss der Gasraum unmittelbar an der nach oben weisenden Oberfläche (hier Oberfläche 44) der Pinole nicht längenveränderlich sein, sondern kann der längenveränderliche Abschnitt der Verbindungsleitung erst oberhalb davon beginnen.
Wenn der Innenraum der Verbindungsleitung 23 evakuiert ist und sich daher in dem Innenraum ein Unterdruck befindet (d.h. das Gas in dem Innenraum einen niedrigeren Druck als Gas in der Umgebung der Pinole besitzt), wirkt, wie durch sechs nach oben weisende Pfeile in 4 angedeutet ist, eine der Druckdifferenz entsprechend nach oben gerichtete Kraft auf die Pinole. Anders ausgedrückt ist der Gasdruck im Inneren der Verbindungsleitung 23, der auf die nach oben weisende Oberfläche 44 wirkt, geringer als der Gasdruck, der von unten über die Wechselschnittstelle 9 auf das Material wirkt, das die Oberfläche 44 bildet, und diese Differenz des Gasdrucks bewirkt die nach oben gerichtete Kraft, welche das Gewicht bzw. die Gewichtskraft der Pinole 27 zumindest teilweise kompensiert.
Die nach oben weisende Oberfläche muss sich nicht, wie in 2 bis 4 dargestellt ist, am unteren Ende der Pinole befinden. Vielmehr könnte sich die Verbindungsleitung im Inneren der Pinole z.B. lediglich bis zu einer nach oben weisenden Oberfläche der Pinole erstrecken, welche an einer höheren Position als das untere Ende der Pinole liegt. Auch in diesem Fall würde die Differenz des Gasdrucks im Inneren der Verbindungsleitung und damit im Inneren der Pinole zu dem Gasdruck außerhalb der Pinole zu der nach oben gerichteten Kompensationskraft führen.
In allen Fällen ist jedoch eine nach oben weisende Oberfläche der Pinole vorhanden, oberhalb der sich ein Gasraum mit geringerem Druck als unterhalb der Pinole befindet, wenn die Gewichtskraftkompensation während des Betriebes des KMG aktiv ist.
Bei der nach oben weisenden Oberfläche muss es sich nicht um eine ebene Oberfläche handeln. Z.B. kann die Oberfläche gekrümmt sein. Es kann sich bei der nach oben weisenden Oberfläche auch um eine verteilte Oberfläche handeln. Die nach oben weisende Oberfläche wird im Allgemeinen durch alle Teil-Oberflächen der Pinole und der zumindest einen Verbindungsleitung gebildet, oberhalb von der oder oberhalb von denen sich ein Gasraum mit geringerem Druck als außerhalb der Verbindungsleitung befindet. Dabei wird die für die Gewichtskraftkompensation durch Druckdifferenz bzw. Unterdruck wirksame nach oben weisende Oberfläche durch die Summe aller Flächen gebildet, die einen unter Unterdruck stehenden Gasraum nach unten begrenzen. Jede derartige Teilfläche liefert einen Beitrag zu der wirksamen Gesamtfläche, wobei der Beitrag durch vertikale Projektion auf eine senkrecht zur vertikalen Richtung, also in horizontale Richtung verlaufende ebene Projektionsfläche berechnet werden kann.
Im Fall des Ausführungsbeispiels der 2 bis 4 ist die nach oben weisende Oberfläche 44 die einzige nach oben weisende Oberfläche, die einen Gasraum mit Unterdruck nach unten begrenzt, und ist außerdem eine ebene Fläche, die in horizontaler Richtung verläuft. Durch vertikale Projektion der nach oben weisenden Oberfläche 44 wird diese auf sich selbst projiziert. Würde sich stattdessen am unteren Ende der Verbindungsleitung in 4 eine gekrümmte nach oben weisende Oberfläche befinden, wobei die in horizontaler Richtung verlaufende Querschnittsfläche der Verbindungsleitung gleich groß wie im Ausführungsbeispiel der 4 ist, dann würde diese gekrümmte nach oben weisende Oberfläche auf die in 4 dargestellte nach oben weisende Oberfläche 44 projiziert und der Kompensationseffekt wäre bei gleichen Gasdruckverhältnissen derselbe wie beim Ausführungsbeispiel der 4.
5 zeigt im linken Figurenteil einen Längsabschnitt einer Verbindungsleitung, die als Vakuumschlauch ausgeführt ist. Sie weist ein helixförmig um die Längsachse der Verbindungsleitung 23 herum gewendeltes elastisch verformbares Verstärkungselement auf, sodass die Wand der Verbindungsleitung 23 den Druckunterschieden außerhalb und innerhalb der Verbindungsleitung 23 standhält. Die Wandbereiche zwischen den jeweiligen Abschnitten des helixförmig verlaufenden Verstärkungselements 57 sind in 5 mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet. Sie werden von einem tuchförmigen Material gebildet. 5 zeigt links und rechts jeweils denselben Abschnitt des Vakuumschlauchs, wobei sich in diesem Längsabschnitt in der schematisch dargestellten Außenansicht drei Gänge des helixförmigen Verstärkungselements 57 befinden. Der mittlere Gang ist mit dem Bezugszeichen 57 bezeichnet.
Aufgrund des helixförmigen Verstärkungselements 57 kann der Abschnitt der Verbindungsleitung 23 seine Länge ändern und kann sich daher die Verbindungsleitung an eine geänderte vertikale Position der Pinole anpassen. Anders ausgedrückt folgt das an der Pinole befestigte Ende der Verbindungsleitung der Bewegung der Pinole und verändert sich dabei die Länge der Verbindungsleitung entsprechend. Je nach Art der Wandbereiche der Verbindungsleitung aus tuchförmigem Material kann sich das tuchförmige Material anders als rechts in 5 dargestellt in dem verkürzten Zustand der Verbindungsleitung falten oder beulen.
Die obigen Überlegungen zu der wirksamen, nach oben weisenden Oberfläche der Pinole gehen von einer Verbindungsleitung mit konstantem Querschnitt aus, die sich in vertikale Richtung erstreckt. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen sich der Querschnitt der Verbindungsleitung in ihrem Verlauf von unten nach oben verjüngt oder erweitert. Da die Verbindungsleitung an der Pinole befestigt ist, wirken sich die auf die Verbindungsleitung einwirkenden Kräfte zumindest teilweise auch auf die Pinole und damit auf die Gewichtskompensation aus. Wenn sich die Verbindungsleitung von unten nach oben verjüngt, reduziert sich die für die Gewichtskompensation wirksame horizontale Fläche auf den kleinsten horizontalen Querschnitt der Verbindungsleitung, da der Druck außerhalb der Verbindungsleitung eine nach unten gerichtete Kraft auf die Wand der Verbindungsleitung ausübt. Wenn sich der Querschnitt der Verbindungsleitung in ihrem Verlauf von unten nach oben vergrößert, gilt entsprechendes. In diesem Fall übt der Umgebungsdruck eine zusätzliche nach oben gerichtete Kraft auf die Wand der Verbindungsleitung aus.
Dagegen tragen die auf horizontal verlaufende Anschlussleitungen (wie z.B. auf die in 2 und 3 dargestellte Anschlussleitung 28) wirkenden Kräfte, die durch die Druckdifferenz im Inneren der Anschlussleitung im Vergleich zum Außenraum der Anschlussleitung bewirkt werden, nicht zur Gewichtskraftkompensation der Pinole bei. Die von unten auf die untere Wand der Anschlussleitung 28 wirkenden Kräfte gleichen die von oben auf die obere Wand der Anschlussleitung 28 wirkenden Kräfte aus. Von unten nach oben verlaufende Abschnitte der Anschlussleitung 28 sind dagegen wie die an der Pinole befestigte Verbindungsleitung zu betrachten, falls die Anschlussleitung ebenfalls an der Pinole befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel der 2 und 3 ist die Anschlussleitung 28 allerdings an dem tragenden Teil befestigt und es werden daher keine Kräfte direkt zwischen der Anschlussleitung 28 und der Pinole übertragen. Wenn die Verbindungsleitung 23 mit ihrem oberen Ende ebenfalls an dem tragenden Teil des KMG befestigt ist, trägt die Gewichtskraft der Verbindungsleitung lediglich teilweise zur Gesamt-Gewichtskraft der Pinole bei und wirken sich etwaige auf die Wand der Verbindungsleitung einwirkende vertikale Kräfte aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Verbindungsleitung und dem Außenraum der Verbindungsleitung nur teilweise auf die Pinole aus. Aus diesem Grund wird eine Verbindungsleitung mit konstantem horizontalem Querschnitt bevorzugt. In diesem Fall ergibt sich die durch Druckdifferenz bewirkte Kompensationskraft auf einfache Weise aus der am unteren Ende der Verbindungsleitung angeordneten nach oben weisenden Oberfläche der Pinole.
Das Ausführungsbeispiel der 6 bis 8 zeigt eine im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 2 bis 4 modifizierte Anordnung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente des tragenden Teils, wobei die Abdeckung 21 im oberen Bereich des tragenden Teils leicht verändert ist, da sich im Ausführungsbeispiel der 6 bis 8 oben keine zentrale Anschlussleitung befindet, sondern zwei seitliche Anschlussleitungen 68a, 68b.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich im Inneren der Pinole 57 keine Verbindungsleitung, deren Innenraum evakuiert wird. Vielmehr ist mit der Pinole 57 ein zusätzliches Bauteil 64 verbunden, im Ausführungsbeispiel am oberen Ende der Pinole 57. Alternativ könnte das zusätzliche Bauteil an einer anderen relativen Höhenposition zur Pinole 57 mit dieser befestigt sein.
Die Abdeckung 21 in dem Ausführungsbeispiel der 6 bis 8 ist seitlich ausgespart. Das zusätzliche Bauteil 64 ist in dem Ausführungsbeispiel in der Art eines Jochs ausgeführt, d.h. erstreckt sich in horizontaler Richtung auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Pinole 57 durch die Aussparungen der Abdeckung 21 hindurch. Das zusätzliche Bauteil 64 bildet an den zwei gegenüberliegenden Seiten der Pinole 57 außerhalb der Abdeckung 21 jeweils eine nach oben weisende Oberfläche 65a, 65b, die jeweils gemeinsam mit einer von zwei Verbindungsleitungen 67a, 67b einen der Gasräume bilden, die über die Anschlussleitungen 68a, 68b evakuiert werden können und die Gewichtskraftkompensation bewirken.
Wie aus dem Unterschied der 6 und 7 erkennbar ist, können sich die Längen der beiden Verbindungsleitungen 67a, 67b verändern. Die unteren Enden der Verbindungsleitungen 67a, 67b können daher der Bewegung der Pinole 57 und somit auch des zusätzlichen, an der Pinole 57 befestigten Bauteils 64 folgen.
Wie die vergrößerte Teildarstellung der 8 zeigt, wirkt aufgrund des Unterdrucks in den Verbindungsleitungen 67a, 67b jeweils an den nach oben weisenden Oberflächen 65a, 65b eine nach oben gerichtete Kraft auf das zusätzliche Bauteil 64 und damit auf die mit dem Bauteil 64 fest verbundene Pinole 57.
Die Befestigung zumindest einer Verbindungsleitung an einem zusätzlichen Bauteil, das mit der Pinole verbunden ist, hat den Vorteil, dass die wirksame Fläche der nach oben weisenden Oberfläche, welche den Gasraum nach unten begrenzt, nicht durch den innerhalb der Pinole zur Verfügung stehenden Raum beschränkt ist. Vielmehr können z.B. die beiden nach oben weisenden Oberflächen 65a und 65b der 6 bis 8 größer dimensioniert sein als die im Innenraum der Pinole maximal zur Verfügung stehende horizontale Querschnittsfläche. Es können auch mehr als zwei nach oben weisende Oberflächen an einem zusätzlichen Bauteil vorgesehen sein, die jeweils mit einer Verbindungsleitung den unter Unterdruck stehenden Gasraum begrenzen. Bevorzugt wird jedoch dabei eine bezüglich der Mittel-Längsachse der Pinole symmetrische Konstruktion, um quer zur Bewegungsrichtung der Pinole wirkende Querkräfte aufgrund der Gewichtskraft zu vermeiden.
Die z. B. in 2 bis 4 dargestellte Ausführungsform mit innerhalb der Pinole verlaufender Verbindungsleitung hat den Vorteil, dass der Bauraum optimal genutzt wird. Außerdem kann sich die Verbindungsleitung innerhalb der Pinole über eine große Länge in vertikaler Richtung (bzw. in Längsrichtung der Pinole) erstrecken. Je nach Gesamtkonstruktion des KMG kann daher z.B. innerhalb der Pinole eine größere Länge zur Verfügung stehen als im Ausführungsbeispiel der 6 bis 8 für die Verbindungsleitungen oberhalb des zusätzlichen Bauteils. Die relative Längenänderung der Verbindungsleitung(en), die aufgrund des Bewegungsbereichs der Pinole in vertikaler Richtung maximal bewirkt wird, kann daher beim Ausführungsbeispiel der 2 bis 4 geringer sein als beim Ausführungsbeispiel der 6 bis 8.
9 zeigt ähnlich wie 5, jedoch für ein anderes Ausführungsbeispiel einer Verbindungsleitung, zwei verschiedene Zustände eines Abschnitts einer Verbindungsleitung 67, beispielsweise einer der Verbindungsleitungen 67a, 67b aus 6 bis 8. Es handelt sich bei dem Abschnitt der Verbindungsleitung 67 um eine teleskopartig längenveränderbare Leitung mit im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Segmenten 91, 92, 93, die in Längsrichtung der Verbindungsleitung 67 relativ zu einander verschieblich gelagert sind. Daher ist der Innendurchmesser des oben dargestellten Segments 91 größer als der Innendurchmesser des mittleren dargestellten Segments 92 und der Innendurchmesser des mittleren dargestellten Segments 92 ist wiederum größer als der Innendurchmesser des unten dargestellten Segments 93. Die Außendurchmesser der Segmente 92 und 93 sind so an die Innendurchmesser des jeweils darüber angeordneten Segments 91 bzw. 92 angepasst, dass der Innenraum der Verbindungsleitung 67 evakuierbar ist und insbesondere der Übergang zwischen zwei benachbarten Segmenten ausreichend gasdicht ist, um den Unterdruck innerhalb der Verbindungsleitung 67 aufrechterhalten zu können. Es können optional zusätzliche Dichtungen an den Übergängen zwischen benachbarten Segmenten 91, 92 bzw. 92, 93 vorgesehen sein.
Während 9 in ihrem linken Teil die Verbindungsleitung 67 in ihrem kürzeren Längszustand darstellt, ist im rechten Teil der 9 der verlängerte Längszustand dargestellt. Solche teleskopartig längenveränderlichen Leitungen sind nicht auf die Anzahl von drei Segmenten beschränkt. Es können lediglich zwei Segmente vorhanden sein oder mehr als drei Segmente vorhanden sein. Auch kann eine Verbindungsleitung nicht lediglich einen Abschnitt aufweisen, in dem die Innendurchmesser der teleskopartig gegeneinander verschieblichen Segmente von unten nach oben größer werden, sondern alternativ oder zusätzlich zumindest einen Abschnitt aufweisen, in dem die Innendurchmesser (und auch die Außendurchmesser) der von unten nach oben aufeinanderfolgenden Segmente kleiner werden. Ferner können Anschläge vorgesehen sein, sodass die Segmente sich nicht unbeabsichtigt bei Vergrößerung oder Verkleinerung der Länge der Verbindungsleitung voneinander trennen und somit ein Gasleck bilden.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Dimensionierung einer nach oben weisenden Oberfläche und der entsprechenden horizontalen Querschnittsfläche einer Verbindungsleitung beschrieben. Die durch die Gewichtskraftkompensation zu erzielende Kompensationskraft F_K ergibt sich aus der wirksamen Fläche A der nach oben weisenden Oberfläche multipliziert mit der Druckdifferenz Δp des Außenraums bzw. der Umgebung der Pinole und des Gasraumes im Inneren der Verbindungsleitung: $F_{K} = A \times Δ p$
Die Masse der Pinole beträgt z.B. m = 20 kg. Bei Berücksichtigung der Erdbeschleunigung g ≈ 9,8 m/s² ergibt sich bei einer Druckdifferenz Δp = 0,4 bar eine wirksame Fläche A: $A = (m \times g) / (Δ p) = (20 kg \times 9,81 m / s^{2}) / (0,4 bar) \approx 5.000 {mm}^{2}$
Im Fall des Ausführungsbeispiels der 6 bis 8 mit zwei nach oben weisenden Oberflächen beträgt bei kreisförmigem Innenquerschnitt der Verbindungsleitungen die von jeder der beiden nach oben weisenden Oberflächen beigesteuerte wirksame Fläche 2.500 mm². Dies entspricht einem Durchmesser von jeder der beiden Verbindungsleitungen von ungefähr 57 mm.

Claims

Koordinatenmessgerät (1) mit einer Pinole (27; 57), an der ein Sensor zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks (12) anbringbar ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole (27; 57) einstellbar ist, wobei eine nach oben weisende Oberfläche (44) der Pinole (27) und/oder eine nach oben weisende Oberfläche (65) eines mit der Pinole (57) verbundenen Bauteils (64), das sich bei einer Bewegung der Pinole (57) mitbewegt, zumindest einen während eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes unter Unterdruck stehenden Gasraum begrenzt, so dass die Pinole (27; 57) eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole (27; 57) und dem Unterdruck entspricht.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei das Koordinatenmessgerät eine Verbindungsleitung (23; 67) aufweist, die gemeinsam mit der nach oben weisenden Oberfläche den Gasraum begrenzt und eine Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung (19) ermöglicht, und wobei ein Verlauf, eine Form und/oder eine Größe der Verbindungsleitung (23; 67) variabel ist und sich bei Bewegung der Pinole (27; 57) an eine vertikale Position der Pinole (27; 57) anpasst, so dass die nach oben weisende Oberfläche (44; 65) den unter Unterdruck stehenden Gasraum in verschiedenen vertikalen Positionen der Pinole (27; 57) begrenzt und die Pinole (27; 57) daher in den verschiedenen vertikalen Positionen jeweils eine nach oben gerichtete Kraft erfährt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 2, wobei sich die Verbindungsleitung (23; 67) ausgehend von der nach oben weisenden Oberfläche nach oben erstreckt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verbindungsleitung (23) einen Vakuumschlauch aufweist, dessen Länge veränderbar ist, wobei sich die Länge des Vakuumschlauchs mit einer Bewegung der Pinole (27; 57) nach unten vergrößert und umgekehrt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 4, wobei entlang einer Wand des Vakuumschlauchs zumindest ein elastisch verformbares Stabilisierungselement verläuft, das die Wand gegen Kräfte stabilisiert, welche aufgrund des Unterdrucks auf die Wand einwirken.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, wobei Bereiche der Wand, die zwischen Abschnitten des Stabilisierungselements verlaufen, von einem tuchförmigen Material gebildet sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Verbindungsleitung (67) einen teleskopartig längenveränderbaren Körper aufweist, dessen Länge sich mit einer Bewegung der Pinole (27; 57) nach unten vergrößert und umgekehrt.
Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts mit einer Pinole (27; 57), an der ein Sensor (10) zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks (12) angebracht ist und deren vertikale Position durch Bewegung der Pinole (27; 57) eingestellt wird, wobei an einer nach oben weisenden Oberfläche der Pinole (27) und/oder an einer nach oben weisenden Oberfläche eines mit der Pinole (57) verbundenen Bauteils, das sich bei einer Bewegung der Pinole (57) mitbewegt, ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die Pinole (27; 57) eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole (27; 57) und dem Unterdruck entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Verbindungsleitung (23; 67) verwendet wird, die gemeinsam mit der nach oben weisenden Oberfläche den Gasraum begrenzt und zumindest Teil einer Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung (19) ist, wobei ein Verlauf, eine Form und/oder eine Größe der Verbindungsleitung (23; 67) variabel ist und sich bei Bewegung der Pinole (27; 57) an eine vertikale Position der Pinole (27; 57) anpasst, so dass die nach oben weisende Oberfläche (44; 65) den unter Unterdruck stehenden Gasraum in verschiedenen vertikalen Positionen der Pinole (27; 57) begrenzt und die Pinole (27; 57) daher in den verschiedenen vertikalen Positionen jeweils eine nach oben gerichtete Kraft erfährt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Verbindungsleitung (23; 67) derart angeordnet wird, dass sie sich ausgehend von der nach oben weisenden Oberfläche nach oben erstreckt, und wobei sich eine Länge der Verbindungsleitung (23; 67) mit einer Bewegung der Pinole (27; 57) nach unten vergrößert und umgekehrt.
Verfahren zum Herstellen eines Koordinatenmessgeräts, insbesondere des Koordinatenmessgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Sch ritten: • Anordnen einer Pinole (27; 57) an einer tragenden Konstruktion des Koordinatenmessgeräts, sodass eine vertikale Position der Pinole (27; 57) durch Bewegung der Pinole (27; 57) einstellbar ist, wobei an der Pinole (27; 57) ein Sensor (10) zum Aufnehmen von Messwerten zur Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks (12) anbringbar ist, • Ausbilden zumindest eines Gasraumes oberhalb einer nach oben weisenden Oberfläche (44) der Pinole (27) und/oder oberhalb einer nach oben weisende Oberfläche (65) eines mit der Pinole (57) verbundenen Bauteils (64), das sich bei einer Bewegung der Pinole (57) mitbewegt, wobei der Gasraum während eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes unter Unterdruck steht, so dass die Pinole (27; 57) während des Betriebes eine nach oben gerichtete Kraft erfährt, die einer Differenz zwischen einem Gasdruck in einer Umgebung der Pinole (27; 57) und dem Unterdruck entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Verbindungsleitung (23; 67) zu der nach oben weisenden Oberfläche geführt wird, wobei die Verbindungsleitung (23; 67) gemeinsam mit der nach oben weisenden Oberfläche den Gasraum begrenzt und eine Verbindung des Gasraums mit einer Unterdruck-Erzeugungseinrichtung (19) ermöglicht, und wobei die Verbindungsleitung (23; 67) so ausgestaltet wird, dass ein Verlauf, eine Form und/oder eine Größe der Verbindungsleitung (23; 67) variabel ist und sich bei Bewegung der Pinole (27; 57) an eine vertikale Position der Pinole (27; 57) anpasst, so dass die nach oben weisende Oberfläche (44; 65) den unter Unterdruck stehenden Gasraum in verschiedenen vertikalen Positionen der Pinole (27; 57) begrenzt und die Pinole (27; 57) daher in den verschiedenen vertikalen Positionen jeweils eine nach oben gerichtete Kraft erfährt.