DE3210711C2

DE3210711C2 - Mehrkoordinatentaster mit einstellbarer Meßkraft zum Abtasten von mehrdimensionalen, stillstehenden Gegenständen

Info

Publication number: DE3210711C2
Application number: DE3210711A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Hirschmann
Original assignee: Dr-Ing Hoefler Messgeraetebau 7505 Ettlingen De GmbH; Dr Ing Hoefler Messgeraetebau 7505 Ettlingen GmbH
Current assignee: Klingelnberg GmbH
Priority date: 1982-03-24
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1986-11-13
Also published as: US4621434A; DE3210711A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrkoordinatentaster nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Messen mittels eines solchen Mehrkoordinatentasters.

Ein Mehrkoordinatentaster dieser Gattung ist durch die DE-AS 22 42 355 bekannt. Hier erfolgt jedoch die Erzeugung der Meßkraft unabhängig von der tatsächlich auftretenden Kraft und weicht daher nicht nur mit ihrer Resultierenden regelmäßig von der Normalenrichtung zum Prüfling ab, sondern auch von der tatsächlich auftretenden Kraft, weshalb sie Schwankungen unterworfen ist, durch die auch wegen der unterschiedlichen Durchbiegungen des Meßsystems die Meßgenauigkeit beeinflußt ist Ferner ergibt sich eine Einengung der möglichen Meßtasterauslenkung. Hieraus resultiert schließlich auch eine starke Einschränkung der Abtastgeschwindigkeit und entsprechende Erhöhung der Meßzeiten, da bei einer Meßmaschine wegen der notwendigerweise starren Ausführung große Massen zu bewegen sind.

Durch die DE-OS 28 41 548 ist es andererseits bekannt, einen Prüfling gegen einen allseits verstellbaren Meßtaster zu bewegen, durch den bei einer bestimmten Meßtasterauslenkung die Prüflingsbewegung abschaltbar ist. Damit ist dieser Meßtester jvfOch nicht in der Lage, bei in Normalenrichtung zum Prüfling konstanter resultierender Meßkraft zu messen. Vielmehr geschieht die Abschaltung immer bei einer bestimmten Tasterauslenkung unabhängig davon, welche Richtung die durch ihn angetastete Fläche hat, womit die von der Vorschubrichtung des Prüflings abweichenden Kraftkomponenten unberücksichtigt bleiben. Das bedeutet, daß in diesem bekannten Falle nur nach ihrer Art vorbekannte Einzelpunkte gemessen werden können, nicht jedoch Raumkurven. Im übrigen wird hier der Prüfling bewegt, was bezogen auf größere Prüflingsmassen beispielsweise bei Zahnrädern schnelle Bewegungen unmöglich ma:ht und sich somit ungünstig auf die Meßzeiten auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrkoordinatentaster sowie das Verfahren zum Messen von mehrdimensionalen Gegenständen der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß die Messung stets in der Normalenrichtung zum Prüfling bei gleichbleibendem, vorgegebenem resultierenden Meßkraftvektor erfolgt und aus der bei vorgegebenem Meßkraftvektor gegebenen Lage des Tastermittelpunktes, im Raum unter Berücksichtigung der Richtung des Meßkraftvektors die räumliche Lage des angetasteten Punktes ermittelt wird. Außerdem soll zur schnellen von Meßpunkt zu Meßpunkt fortschreitenden Messung die Meßvorrichtung in der Lage sein, Stellbewegungen einmal für den Fortschritt von Meßpunkt zu Meßpunkt und zum anderen zur je-

weiligen Erreichung der vorgegebenen Größe des Meßkraftvektors schnell und ohne die Notwendigkeit der Bewegung großer Massen durchzuführen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Mehrkoordinatentaster mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und durch die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 5 gelöst

Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen haben die Wirkung, daß durch die Vorschaltung der Signalgeber in Form einer Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung vor die Geradführungssysteme dort Größe und Richtung des resultierenden Meßkraftvektors aus der Größe der Kraftkomponenten in den einzelnen Koordinatenrichtungen erfaßt werden kann, wobei die Richtung des resultierenden Meßkraftvektors normal zur angetasteten Fläche ist, da beim reibungsfreien Kontakt zweier Flächen der Vektor der Berührungskraft immer normal zu diesen ist Nunmehr kann die Größe des resultierenden Meßkraftvektors mit einem Soll-Wert verglichen und eine Nachstellung an den Geradführungssystemen mit Hilfe deren Stellglieder so lange erfolgen, bis die Größe des resultierenden Meßkrafivekiors dem Soil-Wert entspricht. Dann kann an den Weggebern der Geradführungssysteme deren Auslenkstellung abgegriffen werden, womit die räumliche Lage des angetasteten Punktes ermittelt ist in einer Weise, gemäß der der zur Richtung der Prüflingsfläche im Meßpunkt normale resultierende Meßkraftvektor konstant ist Um hierbei den Einfluß der bei technischen Oberflächen vorhandenen Reibung weitestgehend auszuschalten, kann es gemäß Anspruch 7 zweckmäßig sein, den jeweiligen Meßpunkt in der vorbeschriebenen Weise mehrmals und in der beim jeweils vorhergehenden Antasten ermittelten Richtung anzutasten.

Wegen der kleinen Masse des in sich beweglichen Mehrkoordinatentasters ist darüber hinaus unabhängig von den tragen Bewegungen der vergleichsweise schweren Maschinenschlitten eine hohe Abtastgeschwindigkeit möglich, da der Mehrkoordinatentaster durch die Meßkraft geführt schnell der Prüflingsoberfläehe folgen Kann. Soweit für größere Wege Maschinenschlitten nachzuführen sind, ist es zweckmäßig, vom Gegenstand des Anspruches 2 Gebrauch zu machen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 und 4, wobei unabhängig davon, ob die Federparallelogramme nebeneinander angeordnet oder ineinander verschachtelt sind, deren notwendigerweise verschiedene Abmessungen wegen der erfindungsgemäßen Nachführung der Geradführungssysteme keinen Einfluß auf die Meßkraft haben.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Ausführungsform näher erläutert, die auf der Zeichnung dargestellt ist In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 den Aufbau eines Mehrkoordinatentasters mit Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung, teilweise geschnitten:

F i g. 2 die Schnittansicht der Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung;

F i g. 3 ein Blockschaltbild der Meßkraftregelung und deren Verbindung zu einem Rechner und

F i g. 4 eine Antriebsvorrichtung für einen Taster.

F i g. 1 zeigt einen Mehrkoordinatentaster mit drei Geradführungssystemen in Form von Federparallelogrammeinheiten 3,4 und 5, die so angeordnet sind, daß sie eine MeßbewegUng in den Richtungen der Koordinatenachsen eines rechtwinkligen kartesischen Koordinatensystems ausführen können. Die Federparallelogrammeinheiten sind gleich aufgebaut Sie bestehen, wie anhand der Federparallelogrammeinheit 3 im einzelnen dargestellt, aus einem Federparallelogramm 3a, einem Stellglied 7, einem Weggeber 8 und einem Schwingungsdämpfer 9. Der zu messende Prüfling wird von einem der Taster 1,2 berührt, die mit einer Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung 6 verbunden sind. Die bei der Berührung erzeugte Meßkraft wird durch die Mehrkoordinaienmeßkraftemrichtung 6 erfaßt, und zwar in den gleichen Richtungen, in denen die drei Federparallelogrammeinheiten 3,4 und 5 Bewegungen zulassen.

Die in den einzelnen Koordinateneinrichtungen erfaßten Meßkraftkomponenten werden zur resultierenden Meßkraft zusammengesetzt und mit einer hinsichtlich ihrer Größe vorgegebenen Meßkraft verglichen. Abweichungen hiervon z. B. in der ^-Richtung werden durch das Stellglied 7, hier beispielsweise einen elektrischen Linearmotor, ausgeglichen.

Der Ausgleich in Y- und Z-Richtung erfolgt entsprechend durch vergleichbare Stellglieder in den Federparallelogrammeinheiten 4 und 5.

Die MehrkGordinatenmeBkrafteiiiiicHiüng 6 ist über eine Basisplatte 11 mit den Federparailelogrammeinheiten 3,4 und 5 verbunden. Eine Auslenkung der Tastkugel 1 wird damit auf den Weggeber 8 für die A"-Richtung und entsprechend auf die Weggeber für die anderen Koordinatenrichtungen übertragen und erfaßt Dadurch erhält man in Verbindung mit dem Koordinatenmeßsystem einer Meßmaschine durch vorzeichenrichtige Addition die Position des Tastkugelmittelpunktes im Raum. Durch den erwähnten Meßkraftausgleich bleibt die Meßkraft unbeeinträchtigt durch die Auslenkung der Federparallelogramme konstant

Zum Gewichtsausgleich im vorliegenden Falle in Z-Richtung ist die Basisplatte 11 über Federn und Stellschrauben 10 einstellbar aufgehängt.

F i g. 2 zeigt in vergrößerter, aufgeschnittener Darstellung den Aufbau der Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung 6, die im vorliegenden Falle aus drei ineinander verschachtelten Kraftmeßeinrichtungen mit Biegebalken 61,62 und 63 aufgebaut ist.

Die auftretende Meßkraft wird über die Tasterstangen 2 auf das Gehäuse 64 und über die Verbindungsplatte 65 a"f die Basisplatte 66 der Kraftmeßeiiirichtung für die A"-Richtung übertragen. Diese Kraftmeßeinrichtung weist zwei Biegebalken 61 auf. die über die Zwischenplatte 67 zu einem Federparallelogramm miteinander verbunden sind. Auf den Biegebalken 61 sind dehnungsempfindliche Meßwertaufnehmer 61a aufgebracht, die in Verbindung mit bekannten elektrischen Zwischenschaltungen ein elektrisches Signal 616 liefern, das proportional der Kraftkomponente FX der Meßkraft »st. Entsprechend weist die Kraftmeßeinrichtung für die Y-Rich.UUg an der Zwischenplatte 67 befestigte Biegebalken 62 mit Meßwertaufnehmern 62a auf, die ein elektrisches Signal 62ö iioiern, das proportional aer Kraftkomponente FY der Meßkraft ist. Die Biegebalken 62 sind bei 68 mit der Kraftmeßeinrichtung für die Z-Richtung verbunden, die hier durch einen Stauchzyiinder verwirklicht ist, von dem nur um 90° gegeneinander versetzte Stege 63 verwendet werden, auf die die Meßwertaufnehmer 63a aufgebracht sind. Diese liefern eil? elektrisches Signal 636, das proportional der Kraftkomponente fZder Meßkraft ist. Die Kraftmeßeinrichtung für die Z-Richtung ist mit der Basisplatte 11 verbunden. Im übrigen sind die Meßwertaufnehmer 61s, 62a und 63a so gestaltet, daß sich unerwünschte Kraftkomponenten und -momente aufheben.

ΟΔ IU /11

Fig.3 zeigt das Blockschaltbild der elektrischen Meßkraftregelung und die Datenübertragung zum nicht dargestellten Rechner. Die Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung 6 liefert in der geschilderten Weise beim Antasten eines Prüflings 26 die elektrischen Signale 61 b, 62b und 636. Diese Signale werden einerseits über die Analog-Digitalwandler 61c, 62c und 63c sowie die Leitungen 12 zum Rechner geschickt und andererseits über die Vorzeichenlogik 14 sowie die Leitungen 13, deren Signale im Rechner zusammen mit denen der Analog-DJgitalwandler ausgewertet werden. Der Rechner liefert Größe und Richtung des resultierenden Meßkraftvektors F und damit die Lage des Antastpunktes der Tasterkugel am Prüfling 26 sowie die Normalenrichtung zur Fläche im AntastpunkL Andererseits wird über die Rechenschaltung 15 die Größe Fj₅₁ des Meßkraftvektors ermittelt und im Vergleicher 16 mit der vorgegebenen Größe Fsoii verglichen. Die jeweilige Abweichung wird in den Schaltungen 17,18 und 19 multiplikativ mit den Signalen 6i b, 620 und 636 verknüpft und den Leistungsverstärkern 20,21 und 22 zugeführt, die über die Leitungen 23,24 und 25 die Stellglieder 7 in den Federparallelogrammeinheiten 3, 4 und 5 so lange mit Energie versorgen, bis die Abweichung ausgeglichen ist, bis also die Größe des resultierenden Meßkraftvektors dem Wert Fkii entspricht Dann können die an den Weggebern 8 erreichten Werte als Meßwert für die Lage des am Prüfling 26 angetasteten Punktes im Raum ausgegeben werden.

Fig.4 zeigt eine schematische Darstellung eines drehangetriebenen Stellgliedes für eine der Koordinatenachsen mit einem Bandgetriebe 70, dem Taster 1, 2 sowie der Federparallelogrammeinheit 3. Ein Antriebsmotor 73 überträgt seine Drehbewegung auf das dünne Band 70, so daß dieses tordiert und verkürzt wird. Im Axiallager 72 ist das Band in Längsrichtung fixiert, so daß sich die Verkürzung über die Basisplatte 11, die MehrkoordinateniTicßkrafteinrichtüng 6 und die Tasierstange 2 auf die Tasterkugel 1 übertragen läßt. Sofern erforderlich, kann das dünne Band 70 auch über eine Rolle 71 umgelenkt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Mehrkoordinatentaster mit einem Tastkopf mit wenigstens einem Taster zum von Meßstellung zu Meßstellung fortschreitenden Abtasten von mehrdimensionalen, stillstehenden Gegenständen auf Koordinatenmeßmaschinen, Werkzeugmaschinen od. dgl_ wobei der Tastkopf einerseits eine torsionssteife Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Geradführungssystemen aufweist, die miteinander ein definiertes, ebenes oder räumliches Koordinatensystem bilden, andererseits Signalgeber für die Tasterauslenkung enthält, die ebenfalls ein torsionssteifes Koordinatensystem bilden, und schließlich mit Mitteln zur elektronisch gesteuerten Erzeugung definierter Meßkräfte des Tasters versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgeber durch eine Mehrkoordinatenmeßkraftcinrichtung (6) gebildet und zwischen Taster (1, 2) und Geradfüiirungssystemen (3, 4, 5) angeordnet sind, daß als Mitte! zur MeSkrafierzeugur.g jedes Geradführungssystem ein elektronisch gesteuertes Stellglied (7) zu seiner Einstellung innerhalb seines Bewegungsbereiches aufweist, daß jedes Geradführungssystem mit einem Weggeber (8) zur Anzeige seiner Auslenkstellung versehen ist, daß bei der jeweiligen Meßstellung des Tasters (1, 2) aus den durch die Mehrkoordinatenmeßkrafteinrichtung (6) ermittelten, den einzelnen Koordinaten zugehörenden Meßkräften des Tasters mittels eines Rechners der resultiere'de Meßkraftvektor (Ist-Wert) nach Größe und Richtung ermittelter und bezüglich seiner Größe mit einem vorgegebenen Soll-Wert vergleichbar ist, daß Abweichungen zwischen diesen beiden Werten rechnergesteuert durch Betätigung der Stellglieder (7) ausgleichbar sind, und daß nach diesem Ausgleich die Meßwerte der Weggeber (8) anzeigbar sind.

2. Mehrkoordinatentaster nach Anspruch 1, wobei der Tastkopf von ein definiertes, ebenes oder räumliches Koordinatensystem bildenden, mit Weggebern versehenen Meßmaschinenschlitten getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmaschinenschlitten durch die Signale der Weggeber (8) verstellbar sind und daß die angezeigten Meßwerte durch vorzeichenrichtige Addition der Meßwerte der Weggeber von Geradführungssystemen (3, 4, 5) und Meßmaschinenschlitten gebildet sind.

3. Mehrkooidinatentaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (7) Linearmotoren sind.

4. Mehrkoordinatentaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführungssysteme (3, 4, 5) Federparallelogramme sind.

5. Verfahren zum Messen von mehrdimensionalen Gegenständen mittels eines Mehrkoordinatentasters mit einstellbarer Meßkraft, insbesondere mittels eines Mehrkoordinatentasters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Meßschritt die dabei zunächst auftretende resultierende Meßkraft in Größe und Richtung erfaßt und zur Einstellung einer vorgegebenen, endgültigen Meßkraft herangezogen wird durch Auslenkung von Stellmitteln für den Taster derart, daß die endgültige resultierende Meßkraft der vorgegebenen resultierenden Meßkraft in ihrer Größe entspricht,

und daß dann die Auslenkungen der Stellmitte! als Meßwerte ausgegeben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßkraftkomponenten die Richtung des Meßkraftvektors und damit die Lage des Berührungspunktes der Tastkugel am zu messenden Gegenstand ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpunkt mehrmals jeweils in der beim vorhergehenden Antasten ermittelten Richtung der resultierenden Meßkraft angetastet wird.