DE3011003A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von koordinatenmesswerten an einem werkstueck - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von koordinatenmesswerten an einem werkstueck

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DE3011003A1 DE19803011003 DE3011003A DE3011003A1 DE 3011003 A1 DE3011003 A1 DE 3011003A1 DE 19803011003 DE19803011003 DE 19803011003 DE 3011003 A DE3011003 A DE 3011003A DE 3011003 A1 DE3011003 A1 DE 3011003A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinatenmeßvorrichtung mit einem Aufbau, der eine Sonde so hält, daß sie gegenüber dem zu messenden Werkstück und gegenüber einer Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Lage der Sonde in einem Bezugssystem bewegbar ist, wobei die Sonde eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals besitzt, wenn eine vorbestimmte Beziehung zu einer nahegelegenen Fläche des Werkstücks vorhanden ist. Im Betrieb wird die Sonde gegen die Oberfläche hin bewegt und das Signal wird benutzt, um das Ausgangssignal der Meßeinrichtung in dem Augenblick zu bestimmen, in dem die Sonde die vorbestimmte Beziehung einnimmt, um dadurch die Lage der Oberfläche gegenüber dem Bezugssystem zu bestimmen.
Um den Meßvorgang zu beschleunigen, ist es üblich, die Sonde schnell von der einen zu messenden Oberfläche zur nächsten zu bewegen. Diese Beschleunigung wird jedoch durch die dynamische Verbiegung des Trage- oder Stützaufbaus begrenzt. D.h., daß dann, wenn das Signal erzeugt wird, die Sonde einer Beschleunigung oder Abbremsung unterworfen ist, die Messung einen anderen Wert ergibt, als wenn die Sonde sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen würde. Wenn dieser Unterschied eine bestimmte Toleranz überschreitet, wird die Messung unbrauchbar.
Damit ergibtsich als Ziel der Erfindung, diese Schwierigkeiten zu beseitigen oder doch zu verringern.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung eines Meßergebnisses von einem Werkstück an einer Einrichtung, die einen Stützaufbau umfaßt, um eine Probe gegenüber einem zu messenden Werkstück und gegenüber einer Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Lage der Probe in einem Bezugssystem zu bewegen, wobei die Sonde eine Einrichtung zur Erzeugung eines Meßsignals bei Erreichen einer vorbestimmten Beziehung zu einer nahegelegenen Oberfläche
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des Werkstücks besitzt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
a) Die Sonde wird gegen die Oberfläche hin bewegt,
b) die dynamische Ablenkung oder Verbiegung des Aufbaus wird zum Zeitpunkt der Signalabgabe bestimmt, und
c) der Anzeigewert der Meßeinrichtung wird zur Berücksichtigung der Verbiegung nachgestellt.
Die Erfindung schafft auch eine Einrichtung zum Bestimmen eines Meßergebnisses betreffend ein Werkstück, die folgende Teile umfaßt:
a) Eine Sonde mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Meßsignals, wenn sie eine vorbestimmte Beziehung zu einer nahegelegenen Oberfläche des Werkstücks einnimmt,
b) einen Stützaufbau für die Sonde, der eine Bewegung derselben relativ zum Werkstück zuläßt,
c) eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Lage der Sonde während der Bewegung in einem Bezugssystem,
d) eine Einrichtung zum Bestimmen der Abbiegung des Stützaufbaus zum Zeitpunkt der Signalabgabe, und
e) eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von der bestimmten Verbiegung das Ausgangssignal der Meßeinrichtung nachstellt, um die Verbiegung zu berücksichtigen.
Die dynamische Verbiegung kann dadurch bestimmt werden, daß irgendein Parameter der Einrichtung, der durch eine Geschwindigkeitsänderung der Sonde beeinflußt wird, erfaßt wird.
Die bei der Erfassung des Parameters erzielten Meßergebnisse werden in entsprechende Lageunterschiede der Sonde von der Stelle, die sie im Ruhezustand oder im Zustand gleichmäßiger Geschwindigkeit einnehmen würde, umgewandelt und der Lageunterschüed wird dann zu dem vorhandenen, durch
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die Meßeinrichtung aufgezeichneten Meßergebnis jenachdem hinzugefügt oder von ihm abgezogen.
Der Parameter kann die Sondenbeschleunigung sein, die beispielsweise durch einen Beschleunigungsmesser (accelerometer) an einem sich bewegenden Teil der Einrichtung gemessen wird, oder durch einen Dehnungsmeßstreifen an einem sich bewegenden oder einem stationären Teil der Einrichtung oder durch ein Drehmoment-Meßgerät an einer Welle oder durch ein Strommeßgerät in einem zum Antrieb der Einrichtung benutztem Motor gemessen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Meßeinrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des verwendeten Meßsystems ,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 mit Einzelheiten der Meßsonde und des Beschleunigungsmessers, und
Fig. 4 ein Geschwindigkeitsdiagramm.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorr ichtung enthält eine Sonde 10, die so abgestützt oder aufgehängt ist, daß sie sich in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems bewegen kann. Zu diesem Zweck 1st die
Sonde 10 an dem unteren Ende einer sich vertikal erstreckenbefestigt
den Meßwelle 11, die durch ein Lager 12 so abgestützt ist, daß sie in der Z-Achse bewegbar ist, wobei das Lager 12 integral mit einem Schlitten 13 ausgeführt ist, der in der X-Achsenrichtung an einem Balken 14 bewegbar ist. Dieser Balken 14 ist wiederum an einer an einem Tisch 16 befestigten
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Schiene 15 in Y-Achsenrichtung beweglich. Die Sonde 10 besitzt einen Griffel oder Stiel 17 mit einem sphärischen Meßende 27, das an dem zu messenden Werkstück 18 angelegt wird. Es wird angenommen, daß eine Messung in Richtung der X-Achse ausgeführt werden SOlI7 und zwar soll der Abstand X1 zwischen einer Fläche 21 eines Bezugsblocks 22 und einer Fläche 23 des Werkstücks .18 bestimmt werden. Dabei muß der Schlitten 13 längs der Schiene 14 mittels einer Spindel 19 in Richtung der X-Achse bewegt werden; die Spindel 19 wird dabei mittels eines an einem Ende des Balkens 14 befestigten Motors 20 angetrieben. Die Ermittlung des Meßergebnisses geschieht dabei mittels eines optoelektronischen Meßkopfes 24, der an dem Schlitten 13 befestigt ist und sich mit diesem längs eines Maßstabes 25 bewegt,welcher an dem Balken 14 angebracht ist. Der Abgabewert des Meßkopfes wird durch einen Zähler 26X erfaßt.
Dabei ist eine gleichartige motorgetriebene Spindel zur Bewegung der Meßwelle 11 durch das Lager 12 hindurch vorgesehen und eine weitere motorgetriebene Spindel zur Bewegung des Balkens 14 längs der Schiene 15 vorgesehen; die Sonde 10 wird zunächst durch diese nicht gezeigten Antriebseinrichtungen in Richtung der Y- bzw. der Z-Achse so bewegt, daß die Messung in Richtung der X-Achse an der erforderlichen Stelle der Y- und Z-Richtung vorgenommen wird. Zunächst wird der Motor 20 so betrieben, daß das Meßende 27 gegen die Bezugsfläche 21 angelegt wird, und der Zähler 26 wird auf das von der Sonde im Zeitpunkt der Anlage des Meßendes 27 an der Fläche 21 abgegebenes Signal hin auf Null gestellt. Dabei ist Vorsorge getroffen, daß . die Sonde mit langsamer gleichförmiger Bezugsgeschwindigkeit gegen die Fläche 21 bewegt wird, um eine Verfälschung der Nullstellung durch Trägheitswirkungen zu vermeiden.
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Gleichartige Null-Stellungsvorgänge werden in Bezug auf die Y- und Z-Achsenrichtungen vorgenommen. Eine jede derartige Betätigung schließt normalerweise ein Anhalten der Sonde unmittelbar nach Ausführung der Messung und eine Beschleunigung der Sonde zum nächsten Meßpunkt hin ein. Nach diesem Nullstellungsvorgang ist die Vorrichtung zur Ausführung aller Meßvorgänge bereit, die auf diese Nullstellung bezogen sind; die nachfolgend beschriebene Ausführung eines Meßvorganges bezieht sich demnach auf die Meßvorgänge - von vielen solchen Vorgängen,oftmals Hunderten von Vorgängen, die an einem komplizierten Werkstück ausgeführt werden müssen, um diesen Ablauf wirtschaftlich durchzuführen, müssen die einzelnen Arbeitsgänge in rascher Reihenfolge ausgeführt werden. Je schneller die beweglichen Teile in Bewegung gesetzt werden, umso größer ist dabei die Möglichkeit, daß die Meßwerte durch Trägheitseinwirkungen verfälscht werden. Darauf wird nun im einzelnen eingegangen.
Wenn der Motor 20 angetrieben wird, um den Schlitten in Richtung der X-Achse von der Nullstellung oder irgendeiner anderen Ruhestellung aus zu beschleunigen, wird das Teil 11, das im Gleichgewichtszustand eine Mittelachse 11A besitzt, durch die Trägheitskraft so gebogen oder verformt, daß seine Mittellinie die gezeigte Lage 11B in Fig. 1 einnimmt. In diesem Zusammenhang kann das Teil als einseitig eingespannter Balken angesehen werden, der an dem Lager abgestützt ist und sich gegenüber dem Lager und dem Schlitten 23 verbiegt. Das Meßende 27, welches im Gleichgewichtszustand die Stellung 27A einnimmt, gelangt unter Beschleunigungseinwirkung in eine Stellung 27B, die gegenüber der Stellung 27A um einen Abbiegungsbetrag DX (in Fig. 1 übertrieben dargestellt) entfernt liegt. Der tatsächliche Wert der Abbiegung DX kann in der Größenordnung von einigen Aim liegen. Das Meßende 27 legt sich deshalb später an das Werkstück an, als es ohne Verbiegung des Teils 11 der Fall wäre. Es wird angenommen, daß die Beschleunigung gleichmäßig
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erfolgt, so daß die Geschwindigkeit der Sonde quadratisch mit dem zurückgelegten Weg zunimmt und daß die Abbiegung DX bis zum Zeitpunkt der Anlage an dem Werkstück ungeändert geblieben ist. Zum Zeitpunkt der Anlage besitzt der Meßkopf eine Stellung 24B statt der Gleichgewichtsstellung 24A. Der durch den Meßkopf aufgenommene Abstand X2 ist deshalb um den Betrag DX größer als der eigentlich aufzunehmende Abstand XI.
Die Sonde 10 kann in irgendeiner Weise aufgebaut sein; es muß eine Einrichtung vorhanden sein, die ein Signal 37 abgibt, wenn die Sonde, oder genauer ein Erfassungselement der Sonde eine vorbestimmte Bezugslage zum Werkstück einnimmt. Bei dem beschriebenen Beispiel ist das Erfassungselement der Griffel oder Meßstift 17 mit seinem Meßende 27 und das Signal 37 wird durch in Fig. 3 dargestellte elektrische Kontakte 38 erzeugt, durch die der Griffel 17 in einem Gehäuse 36 gehalten wird. Die Kontakte ändern den Zustand eines elektrischen Kreises 14, wenn eine auf den Griffel einwirkende Kraft den Zustand der Kontakte ändert. Das Signal 37 wird zum Anhalten des Motors 20 und zum Einleiten des nächsten Meßschrittes verwendet. Das Signal 37 wird auch benutzt, um die augenblickliche Ablesung oder den Zählwert im Zähler 26X an einen Hauptspeicher 28 eines Rechners 29 zu übertragen, der zur Verarbeitung der durch die Vorrichtung erzielten Meßwerte benutzt wird.
In der bisher beschriebenen Weise ist die Vorrichtung bekannt und bildet nicht Teil der Erfindung. Es ergibt sich jedoch aus der Beschreibung, daß die Beschleunigungswerte, mit denen die Vorrichtung beaufschlagt werden kann, durch die beschriebenen Ablenkvorgänge oder Verbiegungen beschränkt werden.
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Um diese Trägheitseffekte auszuschalten oder eine Beeinflussung der Meßergebnisse durch die Trägheitseffekte zu beseitigen, wird durch die Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals geschaffen, welches anzeigt, daß der Abstand DX ein zulässiges Minimum übersteigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dazu ein Beschleunigungsmesser 30 verwendet, der in der Nähe der Sonde 10 oder in ihr selbst vorgesehen ist. In der Darstellung nach Fig. 3 umfaßt der Beschleunigungsmesser eine bekannte Anordnung aus piezo-elektrischen Kristallen 31, die zwischen einer Grundplatte 32 und einer freien Masse 33 angebracht sind. Drei Abgabemeßwerte 34X, 34Y und 34Z, die insgesamt als das Ausgangssignal 34 bezeichnet werden, werden von den Kristallen erhalten als die elektrischen Ströme, die infolge von auf die Masse
33 in der X-, Y- bzw. Z-Richtung einwirkenden Kräften erzeugt werden. Der Beschleunigungsmesser 30 ist in einem Gehäuse untergebracht, das direkt zwischen dem Teil 11 und dem Gehäuse 36 der Sonde angebracht ist.
Das Gesamtausgangssignal 34, d.h. die drei Komponenten 34X, 34Y und 34Z werden jeweiligen Schwellwert-Verstärkern 38 zugeführt (von denen nur einer in Fig. 2 dargestellt ist), deren Ausgangssignale 39 proportional der Größe der Signale
34 sind, wenn die Signale 34 einen vorbestimmten Grenzoder Schwellwert überschreiten, der einem verträglichen Maximalabbiegewert des Teiles 11 entspricht.
Die Ausgangssignale 39 können so weiter verwendet werden, daß sie auf einen Schalter 40 einwirken, um die übertragung des Zählwertes vom Zähler 26 zum Speicher 28 sperren und , ein Signal 41 abzugeben, das anzeigt, daß der Meßvorgang mit geringerer Verschiebungsgeschwindigkeit wiederholt werden soll. Diese Verwendung des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers ist besonders dann vorteilhaft, wenn
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der Motor 20 so eingeschaltet wird, daß die Bedienungsperson mit Handschatunj auf das Teil 11 eine Kraft überträgt. Falls jedoch die Vorrichtung durch ein Rechnerprogramm betrieben und gesteuert wird, wird das nachfolgend beschriebene System vorteilhafter sein.
Das Signal 34 wird an eine Digitalisiereinrichtung 42, also einen Analog/Digitalwandler; angelegt, der die jeweilige Größe des Signals 34 in ein entsprechendes Binärsignal 43 wandelt. Das Signal 43 wird über einen Zwischenoder Pufferspeicher 44 und einen Dekoder 45 geleitet, dessen Ausgangssignal 46 eine Adresse in einem Korrekturspeicher 47 bildet. Dieser Speicher enthält eine Liste oder Tabelle von Abwexchungswerten DX(n) der Abweichung DX für entsprechende Werte des Signals 34X. Das Signal 37 wird an den Pufferspeicher 44 angelegt, um den augenblicklichen Wert des Signals 37 durch den Dekoder 45 in den Speicher 47 zu übertragen, wobei dieser durch Ausgabe des Wertes·DX(n) reagiert, der an der entsprechenden Adresse vorhanden ist; dieser DX(n)-Wert wird an einen Subtraktor 48 übertragen. Dieser ist zwischen dem Zähler 26X und dem Speicher 28 eingefügt und so ausgelegt# daß er die Differenz X2 - DX(n) bildet, die den wahren Wert des Abstandes X1 darstellt.
Die verschiedenen Werte DX(n) im Speicher 47 werden durch einen Eichvorgang hergestellt. Dabei wird der Schlitten 13 so bewegt, daß die Sonde 10 in Eingriff oder in Anlage mit einem Probestück, beispielsweise dem Werkstück 18, kommt. Zuerst wird der Schlitten 13 mit der gleichen geringen und gleichförmigen Geschwindigkeit angetrieben, die beim Nullstellen des Zählers 26X am Bezugsblock 22 benutzt wird. Dadurch wird eine Basisablesung X2a im Zähler 26 erhalten, die den wahren Abstand X1 darstellt. Daraufhin wird der Schlittenlauf mehrmals mit zunehmend
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größerer Beschleunigung wiederholt. Bei jedem Schlittenlauf wird das Ausgangssignal X2n des Zählers 26 zum Zeitpunkt der Abgabe des Signals 37 im Speicher 28 gegen den Inhalt des Pufferspeichers 44 aufgezeichnet. Die Differenzen X2n - X2a = DXn bei verschiedenen Werten von X2n werden dann erzeugt und in den Speicher 47 an den Speicherplätzen eingespeichert, deren Adressen den Ausgangssignalen des Pufferspeichers 44 und des Dekoders 45 entsprechen. Dieser Eichvorgang der Vorrichtung kann mit Hilfe des Rechners 29 leicht ausgeführt werden.
Die Beschreibung ist bisher auf die parallel zur X-Achse gelegenen Richtungen bezogen. Ein gleichartiges System ist für die Richtungen parallel zur Y-Achse vorgesehen. Wegen der Steifheit des Teils 11 in Richtung der Z-Achse wird normalerweise kein gleichartiges System für diese Richtung gebraucht, jedoch ist in der Vorrichtung selbstverständlich auch eine Skala, ein Ablesekopf und ein Zähler für die Z-Achse vorhanden, wie sie für die X-Achsenrichtungen beschrieben sind. Der Zähler für die Z-Richtung ist der Zähler 26Z in Fig. 2.
Um nun zu dem Eichvorgang der Vorrichtung zurückzukommen, so ist zu sehen, daß unterschiedliche Werte DX(n) in unterschiedlichen Bereichen des Koordinatenfeldes über dem Tisch 16 erzeugt werden, da die Abbiegung DX um so größer wird, je weiter die Sonde 10 vom Lager 12 entfernt ist, d.h. je größer die unabgestützte Länge des Teils 11 ist. Deshalb wird die Vorrichtung für unterschiedliche Höhen Z1 (Fig. 1) des Meßendes 27 über der Fläche des Tisches 16 geeicht. Zu diesem Zweck wird der Zähler 26Z (Fig. 2) über eine Teiler- oder Dividierschaltung 49 geschaltet, um ein Korrektursignal 50 in Abständen von beispielsweise 15 cm während der Bewegung des Meßendes von der geringsten bis zur höchsten Lage über dem Tisch 16 zu erzeugen. Die Eichung wird in jeweils einem dieser
Intervalle ausgeführt urid das Signal 50 wird benutzt, um mit einer Multiplexschaltung 51 das Dekoder-Ausgangssignal 46 zum richtigen Teilgebiet des Speichers 47 zu leiten.
In Fig. 4 ist die Geschwindigkeit der Sonde über ihrem Weg aufgetragen, so daß der Beschleunigungsvorgang der Sonde zwischen den Punkten A und B gezeigt ist. über den Weg AB kann eine gleichförmige Beschleunigung vorhanden sein, um die Sondengeschwindigkeit mit entsprechend hoher Rate auf ein Maximum zu bringen. Beim Erreichen dieses Maximalwerts im Punkt B (entsprechend der größten Geschwindigkeit, die der Motor 20 erreichen kann) schwingt die Sonde zunächst infolge der Vibration des von dem Lager abstehenden Teils 11 . Diese Schwingungsvorgänge klingen ab und die Sondengeschwindigkeit erreicht beispielsweise beim Punkt C einen gleichförmigen Wert. Der Beschleunigungsmesser 30 reagiert selbstverständlich auf die Vibrationen und korrigiert entsprechend die erhaltenen Ablesungen. Alternativ kann der Beschleunigungsmesser dazu verwendet werden, eine Ablesung mittels des Schalters 40 so lange zu sperren, so lange die Oszillationswerte über einem brauchwerten Wert liegen.
Statt an der Sonde kann der Beschleunigungsmesser auch an dem Schlitten 13 angebracht werden und es kann ein entsprechender Korrekturablauf, gleichartig mit dem beschriebenen, aufgrund dieser Lage des Beschleunigungsmessers festgelegt werden. Statt eines Beschleunigungsmessers kann auch an irgendeiner Stelle ein Dehnungsmeßstreifen angebracht werden, wenn diese Stelle in Abhängigkeit von der Sondenbeschleunigung Verzerrungen unterworfen ist.
Der beschriebene Eichvorgang der Vorrichtung läuft so ab, daß die Verschiebung der Sonde bei unterschiedlichen Beschleunigungen gemessen werden. Es ist zu sehen, daß diese
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Verschiebung durch den Rechner 29 aufgrund der Beschleunigung und der bekannten Biegeformeln errechnet werden
kann.
Der Rechner 29 ist ein elektronischer Digitalrechner, und der Subtraktor 48 kann entweder als verdrahtete Schaltung oder als Rechenanweisung (soft ware) vorliegen.
So entsteht eine Vorrichtung zum Messen eines Werkstücks, bei der eine Sonde 10 relativ zum zu messenden Werkstück bewegt wird, wobei die Messung über eine Skala25 mit elektronischem Ausgangssignal bestimmt wird, sobald die Sonde in Berührung mit dem Werkstück 8 kommt. Wenn der Meßwert bei sich beschleunigender Sonde genommen wird, wird die Messung durch die Teile der Vorrichtung (z.B. 11) verfälscht, die
zwischen der Skala und der Sonde frei aufgehängt sind.
Durch die Erfindung wird ein Beschleunigungsmesser 30
zur Bestimmung der Größe der Beschleunigung und damit
der Größe der Abweichung vorgesehen. Ein Rechner bestimmt den wahren Meßwert durch Berücksichtigung der Abweichung.
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-AH-
Leerseite

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Bestimmung von Meßwerten an einem Werkstück mit einer Vorrichtung, die einen Stützaufbau für eine Sonde enthält, um diese relativ zum zu messenden Werkstück und relativ zu einer Einrichtung zum kontinuierlichen Messen der Lage der Sonde in Bezug auf einen Bezugspunkt zu bewegen, wobei die Sonde eine Einrichtung zum Erzeugen eines Meßsignals bei Erreichen einer vorbestimmten Beziehung zu einer nahegelegenen Fläche des Werkstücks besitzt, dadurch g ekennzeichnet ,
    a) daß die Sonde auf die Oberfläche zu bewegt wird,
    b) daß die dynamische Verbiegung des Stützaufbaus zum Zeitpunkt der Signalabgabe bestimmt wird, und
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    c) daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung zum Ausgleich der Abbiegung korrigiert wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Bestimmung eines Meßwertes eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet ,
    a) daß eine Sonde (10) mit einer Einrichtung (38) zur Erzeugung eines Meßsignals (37)
    bei Erreichen einer vorbestimmten Beziehung zu einer nahegelegenen Fläche des Werkstücks (18) vorgesehen ist,
    b) daß eine die Sonde (10) relativ zum Werkstück (18) bewegbar abstützender Aufbau (11) vorgesehen ist,
    c) daß eine Einrichtung (24, 25) zur kontinuierlichen Messung der Lage der Sonde (10) während der Bewegung relativ zu einem gegebenen Bezug (21) vorgesehen ist,
    d) daß eine Einrichtung (30) zur Bestimmung einer Abweichung (DX) zum Zeitpunkt der Signalabgabe vorgesehen ist, und
    e) daß eine Einrichtung (38, 42, 43, 44, 45, 47; 48, 28) vorgesehen ist, um das Ausgangssignal der Meßeinrichtung (24, 25) in Abhängigkeit von der Abbiegung zu korrigieren.
    03Q042/0898
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