DE3724656A1 - Mehrdimensionale messmaschine - Google Patents
Mehrdimensionale messmaschineInfo
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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).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873724656 DE3724656A1 (de) | 1987-07-25 | 1987-07-25 | Mehrdimensionale messmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873724656 DE3724656A1 (de) | 1987-07-25 | 1987-07-25 | Mehrdimensionale messmaschine |
Publications (2)
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DE3724656C2 DE3724656C2 (de) | 1992-11-19 |
Family
ID=6332342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873724656 Granted DE3724656A1 (de) | 1987-07-25 | 1987-07-25 | Mehrdimensionale messmaschine |
Country Status (1)
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