DE3700139A1 - Computergesteuerte koordinatenmesseinrichtung - Google Patents
Computergesteuerte koordinatenmesseinrichtungInfo
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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.
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Family
ID=6318454
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Publication number | Publication date |
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DE3700139C2 (de) | 1989-11-09 |
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