DE3724656A1 - Mehrdimensionale messmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrdimensionale Meßmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb" 1986, Seite 532 als bekannt hervorgeht.

Der Meßarm der dort gezeigten Meßmaschine ist ein winkelbe­ weglicher Meßarm ähnlich wie der von einem Industrieroboter. Der Sensor arbeitet mit einem Aufsetzprisma, welches durch den Bedienungsmann gefühlvoll auf das zu vermessende räumlich gebogene Rohr aufgesetzt werden muß. Durch gesonderten Knopf­ druck können nach einer Antastung die einzelnen Meßwerte der verschiedenen Bewegungsachsen des Meßarmes festgehalten, einer Auswerteelektronik zugeleitet und aus einem entsprechendem Meßrechner die räumliche Lage des angetasteten Bereiches des Meßobjektes ermittelt werden. Durch eine Vielzahl benachbarter Antastungen des linearen Meßobjektes kann dessen räumlicher Verlauf ermittelt werden. Mit den solcherart gewonnenen elek­ tronischen Werkstückdaten können zum einen Werkstattzeich­ nungen angefertigt werden; zum anderen können auch elektro­ nische Fertigungsunterlagen zur Ansteuerung von NC-gesteuer­ ten Rohrbiegemaschinen damit erstellt werden. Nachteilig an der bekannten Meßmaschine ist, daß das Anschmiegen des Pris­ mas des Sensors nur manuell durchführbar ist und eine gewisse Erfahrung und ein Feingefühl des die Messung durchführenden Arbeiters erfordert. Die Meßkräfte sind relativ hoch, was insbesondere bei langen und dünnen Rohrleitungen deren Form verändern kann. Zumindest sind die Anpreßkräfte nicht ge­ nau reproduzierbar und somit nicht rechnerisch kompensier­ bar. Weil die Messung nur manuell durchgeführt werden kann, besteht keine Automatisierungsmöglichkeit, was bei dem hohen Zeitaufwand der Messung und einer Vielzahl von zu vermessen­ den Rohrleitungen jedoch wünschenswert wäre. Das Anlageprisma des Sensors der bekannten Meßmaschine darf lediglich im Be­ reich von geraden Rohrstücken angesetzt werden; eine Messung im Bereich von Krümmungen ist zu vermeiden, häufig aber nicht klar erkennbar. Eine genaue Rohrvermessung im Krümmungs­ bereich ist jedoch häufig wünschenswert, um biegungsbedingte Querschnittsveränderungen im Krümmungsbereich ermitteln zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsmäßig zugrunde ge­ legte Meßmaschine dahingehend zu verbessern, daß sie be­ rührungsfrei, also ohne das Werkstück beeinflussende Meßkräf­ te arbeitet, daß die berührungsfreie "Antastung" des Werk­ stückes durch den Sensor sehr schnell und ggf. auch maschi­ nell durchführbar ist und daß exakte Messungen auch im Krümmungsbereich möglich sind, derart, daß Aussagen über eine etwaige Deformation eines Kreisquerschnittes zu einem Oval sowie Aussagen über die Mittelpunktslage der Rohrachse ohne "doppeltes Antasten" des Rohres möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Ausrüstung des Sen­ sors mit mehreren Lichtschranken, die alle in der gleichen Ebene liegen, kommt eine berührungslose "Antastung" des Werk­ stückes von unterschiedlichen Richtungen, aber in stets der selben Antastebene zustande. Es ist dazu lediglich eine ge­ ringfügige Verlagerung des Sensors bis zur Abschattung einer Lichtschranke erforderlich. Hierzu ist keine besondere Er­ fahrung und kein besonderes Feingefühl nötig, so daß derar­ tige Messungen grundsätzlich auch automatisch durchführbar sind. Wegen der Beschränkung der Antastung auf eine bestimm­ te Ebene sind exakte Messungen auch im Krümmungsbereich mög­ lich. Aufgrund der das Werkstück umschließenden Lichtschranken kann das Werkstück auf einfache Weise umfangsmäßig allseits angetastet werden, so daß in einem einzigen Vorgang sowohl die Mittelpunktslage und der Durchmesser des Querschnittes als auch eine etwaige Abweichung von der Kreisform erfaßt werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unter­ ansprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Aus­ führungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 die Gesamtdarstellung einer Meßmaschine für Rohrleitungen in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele des Sensors für die Meßmaschine nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine auf einem Meßtisch 1 befestigte roboter­ ähnlich aufgebaute Meßmaschine mit einer vertikal stehenden Säule 2, auf der drehbar und schwenkbar der mehrgliedrige Meßarm 3 befestigt ist. Die Säule 2 kann in einer erweiterten Ausführung auch parallel zu einer Tischkante meßbar verfahrbar sein. Sämtliche beweglichen Glieder sind mit Lagesensoren, d.h. mit Winkeldetektoren bestückt, so daß in jedem Schwenkzustand des mit einer Gewichtskompensation ausgerüsteten Meßarmes dessen Lage feststellbar ist. Am Außenende des in allen Raumrichtungen bewegbaren und schwenk­ baren Meßarmes ist der Sensor 4 angebracht, der als eine über das lineare Meßobjekt 5 hinwegführbare Mehrfach-Gabel­ lichtschranke ausgebildet ist. Das lineare Meßobjekt ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Rohrleitung, die auf dem Tisch 1 mittels zweier Kugelstative 6 feststehend aber an nahezu allen Stellen frei zugänglich gehaltert ist. Die Mehrfach-Gabellichtschranke kann an allen Stellen und von allen Richtungen her über das lineare Meßobjekt 5 hinweggeschoben werden, wobei eine berührungs­ freie "Antastung" des Meßobjektes zustande kommt. Während des tangentialen Durchlaufes einer Lichtschranke durch die Umfangskontur des Meßobjektes kommt es vorübergehend zu einer teilweisen Abschattung dieser Lichtschranke. Wenn diese Abschattung einen definierten Bruchteil des Licht­ strahles, beispielsweise 50% erreicht hat, so wird eine Lagedetektion des Sensors ausgelöst und dabei ein Umfangs­ punkt des Meßobjektes an der betreffenden Meßstelle er­ mittelt. Durch aufeinanderfolgende Abschaltung sämtlicher Lichtschranken des Sensors an einer bestimmten Meßebene können mehrere Umfangspunkte auf diese Weise "angetastet" werden.

Bei dem in Fig. 2 einzeln dargestellten Sensor 4 sind drei Lichtschranken 7 vorgesehen, die in Form eines gleich­ schenkligen, rechtwinkligen Dreiecks angeordnet sind. Je­ de Lichtschranke 7 ist aus einer Lichtquelle 8 und aus einem Fotodetektor 9 gebildet. Die drei Lichtschranken 7 liegen - wie gesagt - alle in einer einheitlichen Ebene und sind in ihrer Winkellage zueinander genau definiert. Die Strahldurchmesser d der Lichtstrahlen einer jeden Licht­ schranke sind ebenfalls genau definiert. Die Fotodetektoren 9 sind intensitätsempfindlich, so daß eine definierte Ab­ schattung des Lichtstrahles durch das Meßobjekt exakt fest­ stellbar ist. Allerdings setzt dies voraus, daß das seitens der Lichtquelle 8 ausgesandte Licht sehr intensitätskonstant ist. Ein etwaiger Mangel in dieser Hinsicht könnte auch da­ durch rechnerisch kompensiert werden, daß das Verhältnis der ausgesandten Lichtintensität einer Lichtquelle, die zu diesem Zweck gemessen werden muß, einerseits zu der am zugehörigen Fotodetektor 9 gemessenen Lichtintensität andererseits er­ mittelt wird. Äquivalenterweise kann also eine Lagedetektion sowohl aufgrund des Absinkens der absoluten Intensität des Lichtes einer Lichtschranke unter einen definierten Schwell­ wert als auch bei Absinken eines relativen Intensitätswertes ausgelöst werden.

Bei der Lichtquelle 8 kann es sich um eine kleine Glühfaden­ lampe mit einer strahlbündelnden Optik oder auch um einen Diodenlaser handeln. Es kann alternativ jeder Lichtschranke jeweils eine gesonderte Lichtquelle 8 oder mehreren oder auch allen Lichtschranken eine einzige Lichtquelle zugeordnet sein. In letzterem Fall ist eine Strahlteilung und eine Strahlaus­ breitung über Umlenkspiegel oder auch über Lichtleitfasern erforderlich. Die Lichtquellen 8 und die Fotodetektoren 9 sind im Inneren der hohl ausgebildeten Rahmenschenkel 11 der Gabellichtschranke unter­ gebracht; die Rahmenschenkel können zu diesem Zweck jeweils aus einem U-förmigen Profil gebildet sein, welches an der offenen Seite durch ein Blech abgedeckelt ist. An einer Um­ fangsstelle der Gabellichtschranke ragt ein Stiel 10 zum Einspannen des Sensors in die Meßmaschine ab.

Was die Anzahl und gegenseitige Anordnung der Lichtschranken 7 innerhalb einer Mehrfach-Gabellichtschranke anlangt, so gibt es hier eine große Vielfalt von zweckmäßigen Möglich­ keiten, von denen nur einige wenige zeichnerisch dargestellt sind. Eine grundsätzliche Möglichkeit der gegenseitigen An­ ordnung verschiedener Lichtschranken 7, die in den Fig. 2 und 4 in verschiedenen Ausführungen gezeigt ist, besteht darin, daß die Lichtschranken 7 ein Polygon bilden, welches den Querschnitt des Meßobjektes 5 mit Abstand umschließt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dieses Polygon ein Dreieck und bei dem Ausführungsbeispiel der Gabellicht­ schranke nach Fig. 4 ist dieses Polygon ein Quadrat. Je mehr Lichtschranken innerhalb einer Mehrfach-Gabellicht­ schranke untergebracht sind, umso aufwendiger ist zwar die Gabellichtschranke, umso genauer und rascher kann jedoch mit ihr gemessen werden. Zu einer Messung braucht lediglich die Gabellichtschranke derart verlagert zu werden, daß, paarweise gleichzeitig oder einzeln nacheinander alle Lichtschranken wenigstens ein­ mal durch das Meßobjekt abgeschattet werden. Es kommt dann in der jeweiligen Sensorlage zu einer Lagedetektion, die durch die Strahlabschattung ausgelöst wird. Es werden dann gewissermaßen die Lagen der einzelnen Lichtschranken im Zu­ stand der Abschattung festgehalten, was einer Schar von ver­ schiedenen Umfangstangenten des Objektquerschnittes ent­ spricht. In diesen Kranz von Umfangstangenten kann dann rech­ nerisch eine Kontur hineingeschmiegt werden, die im Regel­ fall eine Kreiskontur oder ein Oval sein wird. Denkbar ist es auch, den Auswerterechner mit einem entsprechenden Aus­ werteprogramm zu versehen, der auch andere als kreisrunde Ausgangsquerschnitte, beispielsweise Mehrkantprofile und ihre biegebedingte Querschnittdeformation erfassen kann.

Bei der polygonalen Anordnung der Lichtschranken innerhalb einer Mehrfach-Gabellichtschranke wird man regelmäßige Polygone, zumindest aber symmetrische Polygone anstreben. Zweck­ mäßig ist auch, jeweils zwei Lichtschranken rechtwinklig und/ oder jeweils zwei Lichtschranken - anderer Paarung - parallel zueinander anzuordnen.

Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit einer gegenseitigen An­ ordnung von Lichtschranken ist in Fig. 3 anhand des Sensors 4′ gezeigt. Und zwar sind dort die Lichtschranken 7 nach Art eines Fadenkreuzes innerhalb eines relativ großen rahmenar­ tigen Sensors angeordnet, der lediglich im Bereich einer Ecke zum Drüberschieben über das Werkstück 5 offen ist. Bei die­ ser Ausgestaltung ergeben sich trotz einer geringen Anzahl von Lichtschranken 7 viele Möglichkeiten einer berührungs­ freien "Antastung" des Werkstückes in insgesamt vier Qua­ dranten. Nachteilig bei dieser Ausgesteltung ist jedoch, daß der Sensor 4′ relativ groß baut, was bei bestimmten Anwen­ dungen hinderlich sein kann.

Um das Meßobjekt 5 auch tatsächlich berührungsfrei "Antasten" zu können, ist es zweckmäßig, daß der Lichtstrahl einer je­ den Lichtschranke 7 einen Mindestabstand a vom nächstgelegenen Rahmenschenkel 11 der Gabellichtschranke aufweist. Bei ge­ neigter Anordnung des Lichtstrahles zum Rahmenschenkel sollte zumindest im Bereich des Polygonumfanges ein entsprechen­ der Mindestabstand a gegeben sein. Dieser Mindestabstand kann beispielsweise etwa 20 bis 50% des Durchmessers D des größten dem Polygon einbeschreibbaren Kreises 12 entsprechen. Durch Einhaltung eines solchen Mindestabstandes wird die Ge­ fahr einer Berührung des Werkstückes durch die Gabellicht­ schranke selber vermieden.

Um an jeder beliebigen Längsposition des linearen Werkstückes die Gabellichtschranke radial und gefahrlos berührungsfrei über das Werkstück hinwegschieben zu können, sind beim Aus­ führungsbeispiel eines Sensors 4′′ nach Fig. 4 die abgewinkel­ ten, einander zugewandten Endstücke 13 des Rahmens der Ga­ bellichtschranke nach außen wegklappbar. Zu diesem Zweck sind geeignete Scharniere 14 vorgesehen. Muß die Gabellicht­ schranke berührungsfrei über ein relativ großes Rohr drüber­ geschoben werden, so wird man zweckmäßigerweise die beiden Endstücke 13 nach außen wegklappen und in der meßbereiten Po­ sition der Gabellichtschranke diese Endstücke wieder zurück­ klappen. Bei geeigneter Programmierung des Auswerterechners besteht eine gewisse Selbstkontrolle dadurch, daß die parallel zum Stiel 10 verlaufenden Lichtschranken bei abgeklappten End­ stücken 13 nicht definiert sind und die entsprechenden Foto­ detektoren 9 kein Licht empfangen. Dieser Zustand kann als Signal dafür ausgewertet werden, daß die Endstücke noch nicht ordnungsgemäß eingeklappt sind. Die Einklapplage kann über mechanische Verriegelungen oder über Haftmagnete gesichert werden. Zweckmäßigerweise wird man in die abklappbaren End­ stücke 13 lediglich die Fotodetektoren 9 der Lichtschranken 7 hineinlegen, deren Lage für die die Meßgenauigkeit be­ stimmende Strahllage relativ unwichtig ist.

Um die Handhabung eines in eine Meßmaschine eingesetzten er­ findungsgemäßen Sensors noch weiter zu vereinfachen, ist zweck­ mäßigerweise über die offene Seite der Gabellichtschranke hinweg eine zusätzliche als Näherungslichtschranke dienende Lichtschranke 16 angebracht, wie dies ebenfalls in Fig. 4 dargestellt ist. Die zusätzliche Lichtschranke 16 kann auch außenseitig im Bereich der offenen Seite der Gabellicht­ schranke vorgelagert sein. An diese Lichtschranke werden hin­ sichtlich Lichtintensität, Strahllagekonstanz und Strahl­ durchmesser nicht so hohe Anforderungen gestellt wie an die anderen Lichtschranken 7, weil mit ihr lediglich eine An­ näherung an einen Gegenstand festgestellt werden soll. Eine solche zusätzliche Lichtschranke 16 ist auch beim automa­ tischen messen zweckmäßig, u.a. auch zum Auf-/Zuklappen der Endstücke 13.

Am Ausführungsbeispiel eines Sensors 4′′′ gemäß Fig. 5 soll veranschaulicht werden, daß erfindungsgemäße Mehrfach-Gabel­ lichtschranken nicht nur für räumlich gebogene Rohre oder Stäbe, sondern auch für räumlich gewundene andersartige Konturverläufe von Werkstücken sinnvoll eingesetzt werden können. Bei dem in Fig. 5 angedeuteten Blechbauteil besteht das Meßobjekt 5′ lediglich aus dem Kantenbereich dieses Blech­ bauteiles, dessen Verlauf mittels des Sensors 4′′′ vermessen werden soll. Die Gabellichtschranke baut in diesem Fall be­ sonders klein, weil sie lediglich über die räumlich ver­ wundene Blechkante hinweggeschoben zu werden braucht. Sie ent­ hält beim dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt drei Lichtschranken 7. Diese sind jedoch so angeordnet, daß die einzelnen Lichtstrahlen sich in einem gemeinsamen etwa mittig zwischen den Rahmenschenkeln der Lichtschranke liegenden Punkt 15 treffen. Sofern - wie in Fig. 5 dargestellt - die seit­ lichen Rahmenschenkel der Gabellichtschranke etwas länger als für die gegenseitige Tiefenstafflung der Lichtquellen 8 bzw. der Fotodetektoren 9 nötig ist, ausgebildet sind, kann nicht nur der Konturverlauf der äußersten Blechkante, sondern es können dann auch randnahe Bohrungen auf richtige Lage ver­ messen werden. Es kann nicht nur der Verlauf der Randkontur selber kontrolliert, sondern es kann auch der Blechrand auf Grat­ freiheit überprüft werden.

Ergänzend sei schließlich noch erwähnt, daß der erfindungs­ gemäße Sensor auch für Meßmaschinen anderer Grundkonfigu­ ration, insbesondere für Mehrkoordinatenmeßgeräte mit karte­ sischem Bezugssystem und nur translatorisch-räumlich ver­ fahrbarer Meßpinole als lagedetektierender Meßarm einsetz­ bar ist, sofern der Sensor nur von einer Richtung her über das Meßobjekt drübergeschoben zu werden braucht, was bei geringer räumlicher Krümmung des Meßobjektes dank der Aus­ bildung des Sensors als Mehrfach-Gabellichtschranke mit polygonaler Lichtschrankenanordnung ausreichend wäre. So­ fern bei einem solchen Einsatz das Meßobjekt aus unter­ schiedlichen Richtungen und bei unterschiedlichen Neigungen z. B. weil daß Meßobjekt stark räumlich gebogen ist, "an­ getastet" werden muß, ist eine lagedetektierende Schwenk­ lagerung des Sensors am Meßpinolenende unumgänglich; aller­ dings kann eine Schwenklagerung um nur zwei verschiedene Schwenkachsen u. U. ausreichen.

Claims (7)

1. Mehrdimensionale Meßmaschine für lineare, mehrdimensional gekrümmte Werkstücke oder Konturverläufe - Meßobjekte - , mit einem räumlich bewegbaren, lagedetektierenden Meßarm und einem an dessen Ende angebrachten, räumlich verschwenkbaren, ebenfalls lagedetektierenden orthogonal zum Konturverlauf des linearen Meßobjektes an eine bestimmte Stelle antast­ baren Sensor, wobei aus den Lagedetektierungen von Meßarm und schwenkbarem Sensor die Raumlage des angetasteten Be­ reiches des Meßobjektes ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4, 4′, 4′′, 4′′′) als eine über das lineare Meßobjekt (5, 5′) hinwegführbare Mehrfach-Gabellicht­ schranke mit mehreren, winklig zueinander, aber in einer einheitlichen Ebene angeordneten, gesonderten Licht­ schranken (7) mit jeweils definiertem Strahldurchmesser (d) ausgebildet ist, wobei eine Lagedetektion bei Abschattung jeweils eines definierten Bruchteiles des Lichtstrahles einer jeden Lichtschranke (7) durch das lineare Meßobjekt (5, 5′) auslösbar ist.

2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken (7) ein Polygon bilden, welches den Querschnitt des als gebogenes Rohr oder Stab ausgebildeten linearen Meßobjektes (5) mit Abstand umschließt.

3. Meßmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Lichtschranken (7) jeweils zwei rechtwinklig und/ oder jeweils zwei parallel zueinander angeordnet sind.

4. Meßmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl einer jeden Lichtschranke (7) zumindest im Bereich des Polygonumfanges jeweils einen Mindestabstand (a) vom nächstgelegenen Rahmenschenkel (11) der Gabellicht­ schranke aufweist, der etwa 20 bis 50% des Durchmessers (D) des größten, dem Polygon einbeschreibbaren Kreises (12) ent­ spricht.

5. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewinkelten, einander zugewandten Endstücke (13) des Rahmens der Gabellichtschranke nach außen wegklappbar sind (Scharniere 14) (Fig. 4).

6. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lichtstrahlen der verschiedenen Licht­ schranken (7) sich in einem gemeinsamen, etwa mittig zwischen den Rahmenschenkeln der Gabellichtschranke liegenden Punkt (15) treffen (Fig. 5).

7. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über die offene Seite der Gabellichtschranke hinweg oder ihr außenseitig vorgelagert eine zusätzliche, als Näherungslichtschranke dienende Lichtschranke (16) ange­ bracht ist (Fig. 4).