DE3700139A1 - Computergesteuerte koordinatenmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Positionieren und Vermessen von Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Einrichtungen, bei denen die Vermessung eines vorgegebenen Objektes dadurch erfolgt, daß der räumlich positionierbare Meßkopf die Oberfläche des Objektes an interessierenden Punkten abtastet, sind bekannt. Bspw. sind bekannte Einrichtungen nach Art eines Portals ausgebildet, an dem der Meßkopf in orthogonalen Führungen in den drei Achsen bewegbar ist. Andere bekannte Einrichtungen sind nach Art eines Robotors ausgebildet, bei dem die notwendigen Freiheitsgrade beim räumlichen Positionieren des Meßkopfes durch Arme und Gelenke verwirklicht sind. Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch, um eine entsprechende Genauigkeit zu erreichen, aus relativ schweren und hoch präzisen Bauteilen gebildet, die aufwendig in der Herstellung und entsprechend kostenaufwendig sind. Dies rührt insbesondere auch daher, daß die Abweichungen in Folge von Führungsfehlern und von Biegemomenten durch wechselnde Gewichtsverteilung unterhalb der geforderten Genauigkeitstoleranzen liegen müssen. Es gibt zwar bereits Vorschläge, die aus den Biegemomenten resultierenden Bauteile-Veränderungen zu messen und kompensieren, jedoch ergibt sich dadurch keine wesentliche Verringerung des Materialaufwandes und des Herstellungsaufwandes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Positionieren an und Vermessen von Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine wesentlich einfachere Bauweise und die bei einfacheren und preisgünstigeren Bauteilen ein wesentlich verringertes Gewicht besitzt, wobei dennoch eine ausreichend hohe Bahn- und Positioniergenauigkeit erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erreicht, daß der Meßkopf in konstruktiv einfacher Weise an mehreren Bändern aufgehängt ist, durch deren Verstellung der Ort des Meßkopfes bestimmt ist. Sowohl die Aufhängebänder, als auch deren Stützpunkte und deren Verbindungen mit dem Meßkopf können durch einfache und kostengünstige Bauteile verwirklicht werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß ein gegenüber bekannten Meßvorrichtungen größerer Positionierbereich in einfacher Weise und ohne zusätzlich Maßnahmen erreichbar ist. Der Positionierbereich hierbei ist einerseits durch die Entfernung der Stützpunkte voneinander und andererseits im wesentlichen dadurch begrenzt, daß die Zugkräfte der Bänder weder zu groß noch zu klein werden dürfen. Somit bestehen die Vorteile vorliegender Erfindung nicht nur in der Einfachheit und dem geringen Gewicht der mechanischen Bauteile der erfindungsgemäßen Einrichtung, so daß in Folge davon die Fertigungskosten niedrig gehalten werden können, sondern auch in dem ohne weiteres möglichen ungewöhnlich großen Positionierbereich.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung ist der Meßkopf an vier Bändern aufgehängt, deren Stützpunkte im wesentlichen ein Rechteck bilden. Dadurch ergibt sich ein rechteckiger Positionierbereich, der für die meisten Fälle geeignet erscheint.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 ist eine einfache Verstellmöglichkeit der Bänder und eine gute Bewegungsmöglichkeit des verstellbaren Endes der Bänder erreicht.

Um Beanspruchungen der Bänder durch den Bandlängengeber zu vermeiden und eine problemlose Ausrichtung des Bandlängengebers zu erreichen, ist das Merkmal des Anspruchs 4 vorgesehen.

Weitere Vorteile der Anordnung und der Ausbildung des Bandlängengebers ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 8.

Für eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei der Positionierung des Meßkopfes sind die im Anspruch 9 und/oder 10 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Dabei kann es zweckmäßig sein, auch die senkrechte Lage der Achse des Meßkopfes stets zu kontrollieren und nachzustellen, was mit den Merkmalen der Ansprüche 11 und/oder 12 und/oder 13 verwirklich ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist.

Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung eine Koordinatenmeßeinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung einen Stützpunktbereich gemäß Kreis IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Stützpunktbereich nach Fig. 4,

Fig. 6 in vergrößerter teilweise abgebrochener Darstellung den Meßkopfbereich gemäß Kreis VI der Fig. 3 und

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Meßkopfbereich nach Fig. 6.

Die in der Zeichnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellte erfindungsgemäße Koordinatenmeßeinrichtung 11 dient zum Positionieren eines Meßkopfes 12 an Punkten eines nicht dargestellten dreidimensionalen Objektes und damit zum Vermessen von beliebigen Punkten an diesem dreidimensionalen Objekt in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, vorzugsweise in dem in Fig. 1 schematisch angezeichneten X-Y-Z-Koordinatensystem. Dabei kann der Meßkopf 12 in beliebiger Weise zum Abtasten der betreffenden Punkte am Objekt ausgebildet sein. Bspw. kann der Meßkopf 12 zum berührungslosen Abtasten in optischer Weise, bspw. mittels Laserstrahl ausgebildet sein, er kann aber auch zum berührenden Abtasten mittels Abtastspitze oder zum Zeichen mittels Plotterstift ausgebildet sein.

Gemäß Fig. 1 ist bei der erfindungsgemäßen Koordinatenmeßeinrichtung 11 der Meßkopf 12 an vier längenverstellbaren Bändern 13 bis 16 aufgehängt. Dabei sind die Bänder 13 bis 16 an ihrem einen Ende in Richtung auf einen gemeinsamen Punkt P zusammengeführt und mit dem Meßkopf 12 verbunden. Andernends sind die Bänder 13 bis 16 über einen Bandlängengeber 17 mit Stützpunkten 21 bis 24 in den drei Koordinatenrichtungen bewegbar verbunden. Die Stützpunkte 21 bis 24 sind bspw. an den Seitenwänden 26, 27 eines ausreichend hohen Raumes 28 derart befestigt, daß sie im wesentlichen ein Rechteck bilden, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Es versteht sich, daß der Meßkopf 12 statt an vier auch an drei oder an mehr als vier Bändern aufgehängt sein kann, wobei im ersteren Falle die entsprechenden drei Stützpunkte nicht auf einer Geraden liegen dürfen. Es versteht sich ferner, daß die Stützpunkte 21 bis 24 auch an der Decke des Raumes 28 befestigt sein können. Die Bänder 13 bis 16 sind vorzugsweise dünne schmale Metallbänder, von bspw. 0,1 mm×8 mm.

Fig. 4 zeigt den dem Meßkopf 12 abgewandten Endbereich eines der Bänder 13 bis 16, hier des Bandes 15, in welchem Endbereich jeweils der Bandlängengeber 17 angeordnet ist. Der Bandlängengeber 17 besitzt gemäß den Fig. 4 und 5 eine Rolle 31, die um ihre Achse 32 über ein Getriebe 33 von einem Elektromotor, bspw. einem Schrittschaltmotor 34 in die eine oder andere Richtung antreibbar ist. Die Bauteile 31 bis 34 sind an einer Platte 36 gehalten, an deren einem, dem Band 15 zugewandten Ende ein vorzugsweise inkrementaler Meßgeber 37 befestigt ist. Der inkrementale Meßgeber 37 ist über der Vorderseite des Bandes 13 angeordnet und dient dazu, den auf der Vorderseite des Bandes 13 aufgebrachten Maßstab 38 in Form eines Schlitzrasters zu erfassen bzw. abzutasten. Das andere, abgewinkelte Ende 39 der Platte 36 ist über einen Arm 41 mit einem Ausgleichsgewicht 42 fest verbunden. In diesem Verbindungsbereich zwischen abgewickeltem Ende 39 und Arm 41 liegt der Bandlängengeber 17 auf dem Stützpunkt 21 auf, und zwar an einer Stelle 43, die gleichzeitig den Gleichgewichtspunkt des Bandlängengebers 17 darstellt. Dazu ist der Bandlängengeber 17 mit dem einen Teil 44 einer kugelartigen Verbindung 46 versehen, deren anderer Teil als Kugelkappe 47 am Stützpunkt 23 vorgesehen ist. Das eine Teil 44 am Bandlängengeber 17 ist entweder eine Kugelkappe oder eine mit einer kegeligen oder prismatischen Innenausnehmen versehene Kappe, die, wenn sie auf der Kugelkappe 47 des Stützpunktes 21 aufliegt, dem Bandlängengeber 17 eine Bewegung in den genannten drei Koordinaten X, Y, Z ermöglicht.

Im Gleichgewichtsbereich 43 ist am Bandlängengeber 17 ferner über einen Winkel 48 ein mit senkrechter Achse versehener Führungsring 49 befestigt, der einen mit der Kugelkappe 47 versehenen, senkrecht verlaufenden Stab 51 umgibt. Der Führungsring 49 kann sowohl axial längs des Stabs 51 als auch in Umfangsrichtung um den Stab 51 bewegt werden. Dies geschieht dann, wenn sich der Bandlängengeber 17 bei einer Veränderung der Länge eines oder mehrerer der Bänder 13 bis 16 und damit bei einer Veränderung der Position des Meßkopfes 12 längs einer oder mehrerer der drei Koordinatenrichtungen bewegt.

Wie den Fig. 1 bis 3 zu entnehmen ist, hängt der Meßkopf 12 unter seinem Eigengewicht an den Bändern 13 bis 16 und sorgt für die nötige Bänderspannung. Je nach dem welche der Bänder 13 bis 16 verlängert bzw. verkürzt werden, kann sich der Meßkopf 12 längs einer der drei Koordinatenachsen X, Y, Z bewegen. Dabei ist abhängig von den zulässigen und notwendigen Zugkräften der Bänder 13 bis 16 die Größe des in den Fig. 2 und 3 gestrichelt eingezeichneten Meß- bzw. Positionierbereiches 10 vorgegeben. Mit anderen Worten, werden bspw. die beiden hinteren Bänder 13 und 14 verkürzt oder verlängert und die beiden vorderen Bänder 15 und 16 gleichzeitig verlängert oder verkürzt, so bewegt sich der Meßkopf 12 längs der Y-Achse. Werden die seitlichen linken Bänder 13 und 15 verlängert oder verkürzt und gleichzeitig die seitlichen rechten Bänder 14 und 16 verkürzt oder verlängert, so bewegt sich der Meßkopf 12 längs der X-Achse. Werden alle vier Bänder 13 bis 16 gleichzeitig verkürzt oder verlängert, so bewegt sich der Meßkopf 12 längs der Z-Achse. Je nach der Ausbildung des Meßkopfes 12 für eine der o.g. berührungslosen oder berührenden Messungen bzw. Abtastungen kann der Abtastort P′ des Meßkopfes 12 in einer bestimmten, d.h. in einem eindeutig definierten Abstand und Lage zum o.g. Punkt P vorgesehen sein. Ein entsprechender Meßtaster o. dgl. kann auswechselbar am Meßkopf 12 vorgesehen sein.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Aufhängeverbindung von Meßkopf 12 und den Bändern 13 bis 16. Danach besitzt der Meßkopf 12 eine Achse 54 in Form eines Bolzens, an dem plattenförmige, aufrechtstehende, rechteckförmige Segmente 56 bis 59 mittels jeweils eines oberen und eines unteren Lagerauges 61, 62 schwenkbar angelenkt sind. Die einzelnen Lageraugen 61 und 62 der vier Segmente 56 bis 59 sind jeweils unmittelbar übereinander angeordnet. Jedes Segment 56 bis 59 besitzt eine Führungsbahn 63 im wesentlichen in Form eines Kreisringabschnittes, wobei der Kreisbogen 64 jeder Führungsbahnen 63 der Segmente 56 bis 59 als Mittelpunkt den oben erwähnten Punkt P auf der Achse 54 des Meßkopfes 12 besitzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Punkt P am unteren Ende der Achse 54 vorgesehen. Die Führungsbahn 63 der Segemente 56 bis 59 dienen der beweglichen Verbindung jedes Segmentes mit seinem zugehörigen Band 13 bis 16. Dazu ist jedes Band 13 bis 16 an seinem betreffenden Ende über eine abgekröpfte Stange 67 mit einem Kugellager 66 fest verbunden, das auf der Führungsbahn 63 bzw. dem Kreisbogen 66 abrollen kann.

Zum Ausrichten bzw. Halten der Achse 54 des Meßkopfes 12 in vertikaler Lage ist an zwei benachbarten Segementen 57 und 59 je eine Nivelliereinheit 71 vorgesehen. Die Nivelliereinheit 71 besitzt einen Halter 72, an dem ein dünner Stahldraht 73 mittels einer bspw. von einem Serromotor angetriebenen Rolle 74 auf- und abwickelbar gehalten ist. Das andere Ende des Stahldrahtes, der vorzugsweise ein Durchmesser von 0,1 mm besitzt, ist an einer Stelle Q mit dem betreffenden Band 14, 16 verbunden, welche Stelle im Verhältnis zur Gesamtlänge des Bandes nahe am Meßkopf 12 liegt. Je nach der von der Vertikalen abweichenden Lage der Achse 54 wird der Stahldraht 73 auf- oder abgewickelt, damit die Achse 54 die Vertikale wieder erreicht. Parallel zu dem Stahldraht 73 ist eine Spannvorrichtung 76 vorgesehen, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei übergreifende, gegeneinander verschiebbare Spannstege 77 und 78 aufweist, von denen der eine am Punkt Q mit dem betreffenden Band 14, 16 und der andere mit dem Halter 72 der betreffenden Nivelliereinheit 71 verbunden ist. Zwischen den freien Enden der beiden Spannstegen 77 und 78 ist eine Zugfeder 79 angeordnet, die auf diese Weise bestrebt ist, den Stahldraht 73 gespannt zu halten. Eine Veränderung der Länge des Stahldrahtes 73 mittels einer oder beider Nivelliereinheiten 71 erfolgt dann, wenn einer oder mehrere von an jedem Segment 56-59 in nicht dargestellter Weise vorgesehenen Inklinationsgebern eine entsprechende Schräglage angibt, bzw. angeben. Dabei ist die Kraft, mit der sich der Meßkörper in den Punkten 2 auf den betreffenden Bändern abstützt, so gering, daß die daraus resultierende Verkürzung des Abstands zu den beiden Stützpunkten irrelevant ist.

Die erfindungsgemäße Koordinatenmeßeinrichtung 11 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Datenverarbeitungseinheit angesteuert, in die zunächst die genaue Lage der Stützpunkte 21 bis 24 eingegeben wird. Mit Hilfe der Datenverarbeitungseinheit werden für eine bestimmte Positionsänderung die Bandlängengeber 17 angesteuert. Während des Betriebes werden der Datenverarbeitungseinheit die Meßwerte von den einzelnen Meßgeber 37 zur Bestimmung der Position des Meßkopfes 12 übertragen. Mit der Datenverarbeitungseinheit wird auch die vertikale Lage der Achse 54 überwacht und justiert, indem aufgrund einer Signalgabe des oder der Inklinationsgeber der Antrieb des oder der Stahldrähte 73 angesteuert wird. In der Datenverarbeitungseinheit wird auch ggf. die Zuordnung zwischen den Punkten P und P′ eingegeben. Ferner ist es möglich, über die Datenverarbeitungseinheit solche Fehler weitgehend zu korrigieren und kompensieren, die sich durch Dehnung und/oder Durchhängen der Bänder 13 bis 16 ergeben. Diese Fehler können durch Dehnungsmeßstreifen und/oder mathematisch erfasst werden. Für noch höhere Genauigkeitsansprüche kommt jedoch auch ein von den mechanisch beanspruchten Bändern unabhängiges Meßsystem der Abstände zwischen P und den Stützpunkten in Frage.

Gemäß vorliegender Erfindung ist es nicht erforderlich, die Stützpunkte in einer bestimmten Lage anzubringen oder zu justieren. Vielmehr kann man ihre Lage, z.B. unter Verwendung der vorhandenen Bänder vermessen, nachdem sie fixiert wurden und im Computer bzw. dem Datenträger speichern.

Ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 11 der Meßkopf 12 mit einem Plotter- bzw. Zeichenstift versehen, so kann die Einrichtung 11 auch als großformatiger Plotter bzw. Zeichengerät oder Anreißgerät Verwendung finden.

Claims (13)

1. Einrichtung zum Positionieren an und Vermessen von Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, mit einem Meßkopf und mit einer computergesteuerten Vorrichtung zum Verfahren des Meßkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (12) an mindestens drei längenverstellbaren Bändern (13-16) aufgehängt ist, deren andere Enden oberhalb des Meßkopfes an nicht durch eine Gerade verbindbaren Stützpunkten (21-24) in drei Freiheitsgraden bewegbar aufhängbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (12) an vier Bändern (13-16) aufgehängt ist, deren Stützpunkte (21-24) im wesentlichen ein Rechteck bilden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßkopf (12) abgewandten Enden der Bänder (13-16) mit einem Bandlängengeber (17) der computergesteuerten Vorrichtung verbunden sind und daß der Bandlängengeber (17) über eine kugelgelenkartige Verbindung (46) auf dem Stützpunkt (21-24) gehalten ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der betreffende Teil (44) der kugelgelenkartigen Verbindung (46) am Bandlängengeber (17) in dessen Gleichgewichtspunkt (43) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandlängengeber (17) mit einer Bandwickelrolle (31) versehen ist, die reversierbar antreibbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandlängengeber (17) einen inkrementalen Meßgeber (37) aufweist, der mit einem feinen Schlitzraster als Maßstab (38) am Band (13-16) zusammenwirkt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandlängengeber (17) an der der kugelgelenkartigen Verbindung (46) abgewandten Seite mit einem Ausgleichgewicht (42) versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandlängengeber (17) mit einem Führungsring (49) versehen ist, der längs eines senkrechten Armes (51) des Stützpunktes (21-24) und in dessen Umfangsrichtung bewegbar ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (12) mit einer der Anzahl der Bänder (13-16) entsprechenden Anzahl plattenförmiger, aufrecht angeordneter Segemente (56-59) versehen ist, die mittels Kugellager (66) um eine senkrechte Achse (54) unabhängig voneinander schwenkbar gehalten sind und die mit den Bändern (13-16) verbunden sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segemente (56-59) jeweils mit einer kreisförmigen Bahn (63) versehen sind, daß die Kreisbogen (64) aller Bahnen (63) denselben Mittelpunkt (P) auf der senkrechen Achse (54) besitzen und daß die Enden der Bänder (13-16) auf der betreffenden Bahn (63) vorzugsweise abrollend gehalten sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (12) an mindestens zwei benachbarten Segmenten (56-59) mit einer Nivelliereinheit (71) zum Ausrichten der Achse (54) in ihrer senkrechten Lage versehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nivelliereinheit (71) mit einem Stahldraht (73) versehen ist, der einenends am betreffenden Band (13-16) befestigt und andernends am betreffenden Segement (56-59) in Abhängigkeit von einem Inklinationsgeber auf- und abrollbar gehalten ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldraht (73) durch eine parallele Spannvorrichtung (76) gespannt gehalten ist.