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Abtastvorrichtung, welche am Ende des Querarmes eines Meß- und
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Anre ißgerätes anschließbar ist Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung,
welche am Ende des Querarmes eines Meß- und Anreißgerätes anschließbar ist, das
einen längs einer Führung an einer Richtplatte verschiebbaren Gerätefuß, eine von
diesem aufragende Vertikalsäule und einen zur längsverschieblichen Halterung und
Führung des Querarmes dienenden, entlang der Vertikalsäule verschiebbaren Schieber
aufweist, mit einem Kupplungsteil zum Anschluß an das Querarmende oder an eine daran
vorgesehene Aufnahmevorrichtung, ferner mit einem ein Tastorgan tragenden Halterungsteil
sowie mit einem zwischen dem Kupplungsteil und dem Halterungsteil vorgesehenen Schwenkgelenk.
das zwei über eine Schwenkachse verbundene Gelenkteile aufweist.
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Eine Abtastvorrichtung dieser Art ist der deutschen Gebrauchsmusterschrift
81 21 456 zu entnehmen. Zur Abtastung von Punkten an den Oberflächen eines Werkstücks
ist es bei der bekannten Abtastvorrichtung erforderlich. zur Festlegung eines Koordinatenursprungspunktes
die Abtastung eines Bezugspunktes an einer Bezugsfläche vorzunehmen, welche eine
der abzutastenden Werkstückoberfläche entsprechende Orientierung besitzt, wozu das
Tastorgan in Normalstellung mit Bezug auf die betreffende Fläche zu bringen ist.
Die hierfür erforderlichen Einstell
- und Ablesevorgänge sind kompliziert,
zeitraubend und vermindern die Genauigkeit des Abtastergebnisses. Ein besonders
hoher Aufwand von Einstellungen ergibt sich, wenn in bestimmter Weise gekrümmte
Rohre oder andere Körper mit konvex gekrümmter Oberfläche abgetastet werden sollen.
Bei der Vornahme solcher Abtastarbeiten hat man bisher zur Vereinfachung bereits
etne vorbestimmte Aufspannstellung des abzutastenden Werkstückes auf der Richtplatte
gewählt, um möglichst in einer Koordinatenrichtung von konstanten Abtastwerten ausgehen
zu können.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Abtastvorrichtung
der eingangs beschriebenen allgemeinen Art so auszugestalten, daß Körper mit gekrümmten
Oberflächen, insbesondere in bestimmter Weise abgebogene oder gekrümmte Rohre, mit
einem vergleichsweise geringen Einstellungsaufwand abgetastet werden können, wobei
die Lage des abzutastenden Körpers relativ zur Ebene der Richtplatte im wesentlichen
beliebig gewählt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Kupplungsteil zum AnSchluß der Abtastvorrichtung am Queratmende oder an eine daran
vorgesehene Aufnahmevorrichtung und dem dem Kupplungsteil benachbarten Gelenkteil
eine erste Drehlagerung mit zur Schwenkachse senkrechter Drehachse vorgesehen ist,
daß zwischen dem Halterungsteil und dem diesem benachbarten Gelenkteil eine zweite
Drehlagerung mit zur Schwenkachse senkrechter Drehachse vorgesehen ist und daß dem
Schwenkgelenk. der ersten und der zweiten Drehlagerung je ein inkrementaler Drehgeber
zugeordnet ist.
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Vornehmlich sind die Drehgeberausgangssignale in eine digitale Recheneinrichtunq
eingebbar, welcher auch Ausqangsignale von inkrementellen Stellungsgebern zwischen
der Führung des Meß- und Anreißgerätes und dem Gerätefuß, zwischen der Vertikalsäule
und dem Schieber und zwischen dem Schieber und dem Querarm zuführbar sind.
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Hat das Tastorgan die Gestalt eines Prismentasters, dessen Prismenflächen
sich in einer zur Drehachse der zweiten Drehlagerung senkrechten und diese Drehachse
schneidenden Geraden ihrerseits schneiden, so kann, wenn dieser Prismentaster in
Anlage an einen zylindrischen Körper mit Hreisquerschnitt und mit bekanntem oder
bestimmbarem Durchmesser angelegt wird von der digitalen Einrichtung aus den Ausgangssignalen
der erwähnten digitalen Stellungsgeber des Meß- und Anreißgerätes sowie aus den
Ausgangssignalen der erwähnten drei inkrementalen Drehgeber die Lage und Orientierung
der Achse des zylindrischer Körpers mit Bezug auf ein zuvor festgelegtes Koordinatensystem
nach Vornahme einer einzigen Abtastung errechnet werden. Wird eine Mehrzahl von
Abtastungen an einem im Querschnitt runden, langgestreckten Körper nicht zylindrischer
Art vorgenommen, beispielsweise also aus einem in bestimmter Weise gekrümmten Rohr,
so stellt das Rechenergebnis nach jeder Abtastung beispielsweise die Raumtangente
an die Mittellinie im betreffenden Abtastpunkt dar, so daß die Schmiegungskurve
eben diese Mittellinie darstellt.
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Im übrigen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand
der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der
Beschreibung gemacht wird. ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung der
hier angegebenen Art anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: Fig.
1 eine Abtastvorrichtung in Seitenansicht und in Anbringung an einer Aufnahmevorrichtung7
die sich am vorderen Querarmende eines Meß- und Anreißgerätes befindet, das in Figur
1 strichpunktiert angegeben ist,
Fig. 2A zusammenzusetzende Abbildungen
der Abtast-und 2B vorrichtung gemäß Figur 1 in Seitenansicht und in vergrößertem
Maßstab, wobei die Abtastvorrichtung hier um ein Schwenkgelenk abgewinkelt ist,
Fig. 3A aneinanderzusetzende Abbildungen der Abtast-und 3B vorrichtung gemäß Figur
2A und 2B jedoch gegenüber dieser Darstellung in gestrecktem Zustand- Sowie in einem
Axialschnitt und Fig. 4 eine der Darstellung von Figur 1 entsprechende Darstellung
eines Teiles der Abtastvorrichtung in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen und in
einem gegenüber Figur 1 etwas vergrößertem Maßstab.
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Ein Meß- und Anreißgerät in Gestalt einer Dreikoordinaten-Meßmaschine
1 ist längs einer in Figur 1 nicht im einzelnen dargestellten Führung an einer Richtplatte
2 verschiebbar und weist einen Gerätefuß 3 auf, wobei die Stellung des Gerätefusses
3 gegenüber der Führung relativ zu einem Ausgangspunkt durch einen inkrementalen
Stellungsgeber 4 gemeldet wird, dessen Ausgangssignale an einer Klemme 5 abnehmbar
und einer digitalen Recheneinrichtung zuführbar sind.
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Von dem Gerätefuß 3 ragt eine Vertikalsäule 6 auf, an der ein Schieber
7 in Vertikalrichtung verschieblich geführt ist. Die Vertikalstellung des Schiebers
relativ zur Vertikalsäule 6 wird mittels eines weiteren inkrementalen Stellungsgebers
8 abgetastet und gemeldet. Die Ausgangssignale des inkrementalen Stellungsgebers
8 sind von einem Anschluß 9 abnehmbar und wiederum der digitalen Recheneinrichtung
zuführbar.
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An dem Schieber 7 ist ein Querarm 10 gelagert und in seiner Längsrichtung
verschiebbar, wobei die jeweilige Stellung des Querarms 10 relativ zu dem Schieber
7 von einem dritten inkrementalen Stellungsgeber 11 erfaßt und durch Ausgangssignale
am
Anschluß 12 signalisiert wird.
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Dreikoordinaten-Meßmaschinen dieser Art mit den zugehörigen inkrementalen
Stellungsgebern sind an sich bekannt und in ihrem Gebrauch dem Fachmann geläufig.
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Am vorderen Querarmende ist eine Aufnahmevorrichtung 13 befestigt
an die wiederum ein Abtastvorrichtung 14 angeschlossen ist. Diese Abtastvorichtung
enthält in ihrem Inneren einen einer ersten Drehachse zugeordneten inkrementalen
Drehgeber 15, einen einer Schwenkachse zugeordneten inkrementalen Drehgeber 16 und
einen einer zweiten Drehachse zugeordneten inkrementalen Drehgeber 17. Diesbezügliche
Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2A bis 3B beschrieben.
Am freien Ende der Abtastvorrichtung befindet sich ein Abtastorgan 18 in Gestalt
eines Prismentasters.
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Die Abtastvorrichtung 14 weist im einzelnen ein Kupplungsteil 19 auf
r das eine Kupplungsplatte 20 enthält, von der ein mit Indexnuten 21 versehener
Kupplungszapfen 22 wegragt, der in eine Aufnahmebohrung der Aufnahmevorrichtung
13 einsteckbar und mittels einer Feststellschraube festspannbar ist.
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Die Kupplungsplatte 20 des Kupplungsteiles 19 ist an einem Drehgebergehäuse
23 festgeschraubt, welches wiederum über Schrauben mit einem Lagergehäuse 24 verbunden
ist.
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Innerhalb des Drehgebergehäuses 23 befindet sich der erste inkrementelle
Drehgeber 15 beispielsweise an sich bekannter Bauart. Dieser Drehgeber enthält eine
im Strahlengang einer optischen Sender-Empfängeranordnung verdrehbare optische Rasterscheibe,
welche auf einer zur Eingabe der zu bestimmenden Drehbewegung dienenden Eingangswelle
26 sitzt. Auf Ausgangsleitungen 27 liefert der inkrementelle Drehgeber 25 ein einer
bestimmten Bezugs-Drehstellung der E2ingangswelle 26 entsprechendes Bezugssignal
sowie eine der Anzahl inkrementeller Verdrehungsschritte von der Bezugsstellung
aus entsprechende
Zahl von Digitalsignalen.
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An das Lagergehäuse 24 schließt sich ein Gelenkteil 28 eines ein weiteres
Gelenkteil 29 enthaltenden Schwenkgelenkes 30 an, dessen Schwenkachse 31 zur Achse
des Kupplungszapfens 22 senkrecht steht und diese Achse schneidet. An dem Gelenkteil
28, welches in der aus Figur 2A und 3A ersichtlichen Weise die Gestalt einer Gelenkgabel
hat, ist ein Wellenstück 32 befestigt, welches zu der Achse des Kupplungszapfens
22 koaxial ist. Das Gelenkteil 28 stützt sich über ein Axialrillenkugellager 33
gegen das Lagergehäuse 24 ab, welches eine stirnseitige Ringnut zur Aufnahme des
Axialrillenkugellagers 33 enthält. Außerdem ist zwischen dem Wellenstück 32 und
dem Lagergehäuse 24 ein Nadel-Axialkugellager 34 vorgesehen, welche in einem Bohrungsabsatz
der koaxialen Bohrung des Lagergehäuses 24 untergebracht ist und sich in Axialrichtung
gegen einen Bund oder Kopf des Wellenstückes 32 abstützt. Mittels einer auf einen
Gewindeansatz des Wellenstückes 32 aufgeschraubten Mutter 35 ist der Bund oder Kopf
des Wellenstückes 32 gegen das Gelenkteil 28 anziehbar, um die Drehlagerung zwischen
dem Gelenkteil 28 und dem Lagergehäuse 24 bzw. dem Drehmeldergehäuse 23 auf Seiten
des Kupplungsteiles spielfrei zu machen.
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Die Drehachse 36 dieser Drehlagerung fällt, wie bereits erwähnt mit
der Achse des Kupplungsstiftes 22 zusammen und schneidet sich in einem Punkt mit
der zu der Drehachse senkrecht stehenden Schwenkachse 31.
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In eine koaxiale Bohrung des Wellenstückes 32 ist die Eingangswelle
26 des Drehmelders 15 in ausreichendem Maße verdrehungsfest eingesteckt, so daß
der Drehmelder 15 an seinen Ausgangsleitungen 27 Digitalsignale entsprechend jedweder
Verdrehung des Gelenkteiles 28 relativ zu dem Kupplungsteil 19 abzugeben vermag.
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Durch das in die Gelenkgabel des Gelenkteiles 28 reichende Mittelstück
des Gelenkteiles 29 ist ein zu der Schwenkachse 31
koaxiales Wellenstück
37 geschoben, das außerdem über Kugellager 38 in abgesetzten Bohrungen der Gabelschenkel
der Gelenkgabel gegen diese abgestützt ist. Weiter sind in der aus Figur 3A ersichtlichen
Weise Axialrillenkugellager 39 zwischen den nach innen weisenden Flächen der Gelenkgabel
und dem Mittelstück des Gelenkteiles 29 vorgesehen. Die gesamte Anordnung ist durch
auf einen Gewindeansatz des Wellenstückes 37 aufgeschraubte Muttern so zusammengespannt,
daß das Schwenklager spielfrei gehalten ist.
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In eine auf Seiten des Bundes oder Kopfes des Wellenstückes 37 vorgesehene
stirnseitige koaxiale Bohrung ist die Eingangswelle 40 des Drehmelders 16 in ausreichendem
Maße verdrehungssicher eingeschoben, wobei der Drehmelder 16 dem Drehmelder 15 in
Aufbau und Wirkungsweise entspricht, insbesondere gleich ist, und Verschwenkungen
des Gelenkteiles 29 gegenüber dem Gelenkteil 28 im Bereich von etwa - 90" entsprechende
Digitalsignale an seinen Ausgangsleitungen 41 abzugeben vermag, ähnlich wie dies
vorstehend bezüglich der Ausgangsleitungen 27 ausgeführt wurde, jedoch mit dem Unterschied,
daß der Drehmelder 15 Verdrehungen des GelenktXeiles 28 gegenüber dem Krupp lungsteil
9 um 360" meldet.
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Der Drehmelder 16 ist in einem Drehmeldergehäuse 42 angeordnet, welches
außen an eine Seitenfläche des Gelenkteiles 28 koaxial zur Schwenkachse 31 angesetzt
ist.
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An das Gelenkteil 29 ist einstückig ein weiteres Drehmeldergehäuse
43 angeformt, welches mit einem weiteren Lagergehäuse 44 beispielsweise durch Schrauben
verbunden ist. Zwischen dem Drehmeldergehäuse 43 und dem Lagergehäuse 44 ist koaxial
ein etwa ringscheibenförmiger, mit Zentrierunqsabsätzen versehener Zwischenboden
45 eingesetzt, auf dem der Drehgeber 17 montiert ist. Der Zwischenboden 45 ist in
entsprechender Weise ausgebildet wie der zur Halgerung des Drehgebers 15 im Drehgebergehäuse
23 dienende Zwischenboden 25, wie ohne weiteres
aus den Figuren
3A und 3B zu erkennen ist.
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An das Lagergehäuse 44 schließt sich ein Halterungsteil 46 zur Halterung
eines Tastorganes an, wobei an dem Halterungsteil 46 ein Wellenstück 47 koaxial
zur Eingangswelle 48 des Drehgebers 17 befestigt ist und sich über eine spielfrei
gehaltene Drehlagerung gegen das Lagergehäuse 44 abstützt. Einzelheiten dieser Drehlagerung
bedürften hier keiner näheren Beschreibung, nachdem die Konstruktion derjenigen
der Drehlagerung zwischen dem Lagergehäuse 24 und dem Gelenkteil 28 entspricht.
Die Eingangswelle 48 des Drehgebers 17 ragt in ausreichendem Maße verdrehungssicher
in eine koaxiale stirnseitige Bohrung des Wellenstückes 47 hinein, so daß der Drehgeber
17 an seinen Ausgangsleitungen 49 wiederum Digitalsignale entsprechend inkrementalen
Verdrehungsschritten einer Verdrehung des Halterungsteiles 46 gegenüber dem Gelenkteil
29 abzugeben vermag. Die in der Zeichnung mit 50 bezeichnete Drehachse einer solchen
Drehung ist zur Schwenkachse 31 senkrecht und schneidet die Schwenkachse in einem
Punkt. Außerdem ist zur Drehachse 50 eine Aufnahmebohrung 51 koaxial, welche zur
Halterung des Tastorganes 18 (siehe Figur I)'dient, das mittels einer Einspannvorrichtung
52 in der Aufnahmebohrung 51 festgehalten werden kann.
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Die Figuren 2A und 2B zeigen die Abtastvorrichtung in einer Stellung,
in welcher die Drehlagerungsachsen 36 und 50 einen Winkel von 90" relativ zueinander
einnehmen, während in der Arbeitsstellung nach den Figuren 3A und 3B die Achsen
36 und 50 zusammenfallen, die Anordnung also gestreckt ist. Selbstverständlich sind
beliebige Zwischenstellungen einer Verschwen-' kung der Achse 50 ausgehend von der
Stellung nach den Figuren 2A und 2B im Uhrzeigersinn im Bereich von etwas mehr als
180 möglich, so daß die Anordnung von der zur einen Seite hin abgewinkelten Stellung
über die gestreckte Stellung zu der nach der anderen Seite hin abgewinkelten Stellung
geführt werden kann.
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Die Drehgeber 15, 16 und 17 sind zweckmäßig so ausgebildet, daß sie
mit Bezug auf eine vollständige Umdrehung ihrer Eingangswelle bis zu 72000 digitale
Signale entsprechend inkrementalen Verdrehungsschritten abzugeben vermögen, was
eine hohe Auflösung ergibt und daher ein präzises Abtastungsergebnis ermöglicht.
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Das am Vorderende des Halterungsteiles 46 befestigbare Tastorgan 18
hat die Gestalt eines Prismentasters mit zwei im Winkel zueinander stehenden Prismenflächen,
die sich in einer Geraden schneiden, welche die Drehachse 50 in einem Punkt trifft
und auf dieser Drehachse senkrecht steht. Der Prismentaster wird von zwei verhältnismäßig
schmalen, in Richtung der erwähnten Geraden fluchtend hintereinanderliegenden Tastprismen
52 und 53 gebildet, welche auf einer mit einem koaxialen Kupplungszapfen versehenen
Basisplatte 54 montiert sind. Auf der Basisplatte 54 ist außerdem zwischen den Tastprismen
52 und 53 eine in Figur 4 nur schematisch angedeutete Andrückvorrichtung 55 befestigt,
welche mit einem beispielsweise pneumatisch verstellbaren Andrückfinger 56 versehen
ist, der dazu dient, einen im Querschnitt kreisförmigen abzutastenden Gegenstand
57 gegen die Prismenflächen des Prismentasters 18 anzudrücken.
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Die Andrückvorrichtung 55 kann einen inkrementalen Stellungsgeber
58 enthalten, der an einer Ausgangsleitung 59 Digitalsignale entsprechend der jeweiligen
Stellung der Andrückfläche des Andrückfingers 56 abzugeben vermag, so daß aufgrund
des Bekanntseins der Lage der Prismenflächen und der Andrückfläche an dem Tastorgan
beispielsweise der Durchmesser des abzutastenden Gegenstandes 57 in einer digitalen
Recheneinrichtung errechnet werden kann.
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Figur 4 zeigt in strichpunktierten Linien gezeichnet eine Arbeitszwischenstellung
der Abtastvorrichtung, wobei in dieser Stellung das Gelenkteil 29 und das damit
verbundene Halterungsteil 46 zur Seite zu einem schräg nach aufwärts verlaufenden
Abschnitt des abzutastenden Gegenstandes 57 verschwenkt
sind. In
dieser Schwenkstellung ist aber auch, wie aus Figur 4 zu entnehmen ist das Halterungsteil
46 gegenüber dem Gelenkteil 29 bzw. dem Drehgebergehäuse 43 und dem Lagergehäuse
44 verdreht worden, wie durch digitale Ausgangssignale des Drehmelders 17 gemeldet
worden ist.
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Werden die Ausgangssignale des inkrementalen Stellungsgebers 55 des
Drehmelders 17 zur Meldung inkrementaler Verdrehungsschritte um die Drehachse 50,
des Drehmelders 16 zur Meldung inkrementaler Verschwenkungsbewegungen um die Schwenkachse
31, des Drehgebers 15 zur Meldung von inkrementalen Verdrehungsschritten um die
Drehachse 36, ferner die Ausgangssignale der inkrementalen Stellungsgeber 4, 8 und
11 sämtlich in eine digitale Recheneinrichtung eingegeben und nach einem bestimmten
Programm verarbeitet, welches an dieser Stelle keiner ins einzelne gehenden Diskussion
bedarf, so erhält man je Abtastungsvorgang einen Punkt auf der Mittellinie des abzutastenden
Körpers 57 etwa in Gestalt eines mehreren Biegungen folgenden gekrümmten Rohren.
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Die Lage der schmalen Tastprismen 52 und 53 in einem bestimmten, nicht
zu großen Abstand voneinander führt bei Betätigung der Andrückvorrichtung 55 dazu,
daß sich das gesamte Tastorgan 18 und das damit verbundene Halterungsteil 16 auf
eine Stellung ausrichtet, in welcher die Gerade, welche die Schnittlinie zwischen
den Prismenflächen der Tastprismen bildet, eine Parallele zu einer Raumtangente
im interessierenden Abtastungspunkt an die Mittellinie des abzutastenden Gegenstandes
einnimmt.
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Die Andrückvorrichtung 55 braucht nicht notwendigerweise mit einem
inkrementalen Stellungsgeber 55 ausgerüstet zu werden, da dieser ohnedies nur eine
näherungsweise Durchmesserberechnung ermöglicht, wenn die Mittellinie des abzutastenden
Gegenstandes 57 nicht eine Gerade ist, wie ohne weiteres die Vorstellung ergibt
daß der im Querschnitt kreisförmige abzutastende
Gegenstand 57
sich entweder zwischen den Tastenprismen 52 oder 53 bogenartig wölbt oder durchhängt.
Eine vergleichsweise präzise Durchmesserbestimmung ist durch zweimaliges Antasten
des abzutastenden Gegenstandes 57 aus verschiedenen Richtungen möglich. Beim erstmaligen
Antasten errechnet sich aus den Signalen der Drehgeber und der inkremantalen Stellung
geber der Dreikoordinaten-Meßmaschine ein erster Datensatz entsprechend einer Raumtangenten
an die Mittellinie des abzutastenden Gegenstandes. Errechnet sich aus einer zweiten
Antastung entsprechend einer anderen Antastrichtung eine Raumtangente, welche mit
der zuerst errechneten Raumtangente zusammenfällt, so können die beiden aus den
zwei Antastungen gewonnenen Datensätze auch zur Berechnung des Werkstückdurchmessers
verwendet werden.
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