DE3821801A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen abtasten von oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen, beispielsweise von zu bearbeitenden Werkstücken oder zu kopierenden Modellen.

Es sind bereits Abtastvorrichtungen bekannt, die die Werkstück- bzw. Modelloberfläche direkt über mechanische Taster abtasten. Diese Abtastvorrichtungen sind jedoch nur begrenzt einsetzbar. So erzeugen die mechanischen Taster auf empfindlichen Oberflächen Kratzer, die unter Umständen einen Nachbearbeitungsvorgang erfordern. Ferner können die mechanischen Taster in der Regel aufgrund des Abtastdruckes nur bei relativ harten Werkstoffen verwendet werden. Häufig sind diese Abtastvorrichtungen auch schmutzempfindlich, so daß sie insbesondere bei spanabhebender Bearbeitung Fehlmessungen aufgrund von Spänen verursachen. Schließlich sollte bei den mechanischen Abtastvorrichtungen die abzutastende Oberfläche weitestgehend glatt sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und universell einsetzbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe für das erfindungsgemäße Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9.

Durch den einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nur ein geringer Platzbedarf erforderlich. Durch die Verwendung von Luft als Abtastmedium tritt ein Reinigungseffekt im Tastbereich der Werkstück- bzw. Modelloberfläche ein, so daß Fehlmessungen bzw. Fehlübertragungen durch Schmutzpartikel oder Spänen weitestgehend vermieden werden. Von Vorteil ist ferner, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für den Einsatz von numerisch gesteuerten Maschinen eignet.

Durch die Verwendung von drehbaren Schwenkverteilern für die Druckluft und durch das Verlegen der Druckluftzuführung innerhalb der Schwenkachsen der Bearbeitungsmaschine wird eine große Bewegungsfreiheit der Abtastvorrichtung erreicht, so daß die Fühlerdüse der Abtastvorrichtung in jeder Arbeitsebene arbeiten kann.

Von Vorteil ist ferner, daß die Abtastvorrichtung im wesentlichen unabhängig von der Materialbeschaffenheit des Werkstücks oder des Modells ist. So können Werkstücke bzw. Modelle sowohl aus harten als auch leicht deformierbare Materialien, beispielsweise Weichplastik, abgetastet werden. Ferner ist auch die Abtastung von magnetischen, nichtmagnetischen, metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen möglich.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung ist ferner unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des abzutastenden Werkstücks bzw. Modells.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung,

Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die Abtastung mit einem automatisch drehenden Schwenkverteiler um eine Werkzeugachse herum erfolgt,

Fig. 3 ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die Abtastung in zwei Achsenrichtungen erfolgt.

In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Abtastrichtung 1 gezeigt, die an einer nicht dargestellten numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. Vor Inbetriebnahme der Abtasteinrichtung 1 wird die Bearbeitungsmaschine auf Nachführbetrieb geschaltet und die entsprechende NC-Zusatzachse bzw. NC-Maschinenachse wird mit einem Sollwert betrieben, der größer ist als der Sollwert beim Abtastvorgang, so daß auch entsprechend die Verfahrgeschwindigkeit größer ist und somit die Abtastvorrichtung 1 bzw. ein Werkzeug 40 (Fig. 2 und 3) in kürzester Zeit an die abzutastende Oberfläche eines Modells 34 oder eines Werkstückes 35 herangefahren werden kann.

Die Abtastvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Verstelleinrichtung 15, deren geregelte Meß- oder Bewegungsachse in der Fig. 1 die Z-Achse 50 ist, ferner aus einer an der Verstelleinrichtung 15 befestigten Fühlerdüse 11, einer mit dieser in Verbindung stehenden Druckluftzuführung 13, sowie einem in die Druckluftzuführung 13 eingebauten pneumatischen Schaltelement 20, an die die Druckluftquelle 8 angeschlossen ist.

Das pneumatische Schaltelement 20 steht in elektrischer Verbindung mit einem Spannungsteiler 25, der wiederum an einen Servoverstärker 30 angeschlossen ist. Über den Servoverstärker 30 wird ein Motor 19 der Verstelleinrichtung 15 geregelt, an der sich das Werkzeug 40 (Fig. 2 und 3) befindet. In dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Auf- und Abbewegung der Fühlerdüse 11 über den Motor 19 und einer damit verbundenen Spindel 18 durchgeführt, die in Eingriff mit den Gewindegängen einer Halterung 16 steht.

Der Verstärker 30, der Servoantrieb 19 und die Verstelleinrichtung 15 gehören zur NC-Achse. An dieser NC-Achse sitzt die Fühlerdüse 11, womit der Regelkreis geschlossen ist. Die Fühlerdüse 11 kann auch ortsfest sein und die Abtastfläche ein Element der geregelten NC-Achse. Der Regelkreis ist dadurch ebenfalls geschlossen. Dies wäre z.B. bei einem bewegten Maschinentisch der Fall. Die Fühlerdüse 11 und die dazu gehörigen Elemente sind eine Ergänzung einer NC-Achse. Beim Starten der Maschine steht die Fühlerdüse in einem etwas größeren Abstand über der Abtastoberfläche. Da noch kein Abtaststaudruck erzeugt wird, wird über das Schaltelement 20 und den Spannungsteiler 25 ein hoher Sollwert ausgegeben. Dieser Sollwert wird durch Umschalten auf Nachführbetrieb an den Servoverstärker 30 angelegt und die Abtastvorrichtung an die abzutastende Oberfläche geführt.

Bei Annäherung an die Abtastoberfläche wird der Staudruck an der Fühlerdüse aufgebaut und der Sollwert kleiner. Mit zunehmender Annäherung an den Abstand "S" wird der Staudruck immer größer und der Sollwert immer kleiner, und beim Erreichen des Abstandes "S" der Sollwert gleich Null.

Während des Abtastvorganges wird weiterhin Druckluft aus der Druckluftquelle 8 über das Schaltelement 20 durch die Druckluftzuführung 13 und die Fühlerdüse 11 auf die Oberfläche 36 geblasen, wodurch der Staudruck erzeugt wird. Dieser Staudruck bewirkt in dem Schaltelement 20 eine elektrische Spannung. Diese Spannung ist proportional zum Abstand "S" zwischen der Fühlerdüse 11 und der Oberfläche 36. Mit dem Spannungsteiler 25 wird die Spannung in eine positive und negative Spannung umgewandelt. Die umgewandelte Spannung wird an einen Servoverstärker 30 angelegt. Entspricht der Abstand zwischen der Fühlerdüse 11 und der Oberfläche 36 dem eingestellten konstanten Abstandswert, dann ist die Spannung Null. Bei Abweichung von diesem Wert entsteht somit eine positive bzw. eine negative Spannung, durch die in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel der Motor 19 entweder links oder rechts herum gedreht wird, so daß entsprechend eine Auf- bzw. Abwärtsbewegung entsteht. Wird durch diese Auf- oder Abwärtsbewegung der eingestellte Abstandswert S erreicht, dann wird die Spannung wieder Null und die Fühlerdüse 11 wird in dieser Stellung gehalten.

In der Fig. 2 ist die Fühlerdüse 11 in Verbindung mit einem Schwenkverteiler 14 gezeigt. Der ringförmige Schwenkverteiler 14 wird von einem NC-Antrieb 4 ohne mechanische Begrenzung um das Werkzeug 40 herumgeführt. Dadurch ist z.B. eine Rundumbearbeitung von unebenen Platten 35 a mit Profilfräsern möglich. Beispielsweise müssen Werkstücke, die einen Umleimer haben, mit dem Profilfräser umfräst werden. Die Werkstückoberfläche ist beispielsweise in einem Toleranzbereich von +/- 0,1 mm wellig; daher zeichnet sich der Übergang vom Umleimer zur Platte 35 a nicht geradlinig ab. Zudem ragt der Umleimer vor dem Fräsen über die Plattenoberfläche hinaus, was den Einsatz eines mechanisch um das Fräswerkzeug herum angeordneten Tastringes verhindert. Außerdem hätte dies noch zur Folge, daß die Werkstückoberfläche Kratzer u.dg1. bekommt. Bei empfindlichen Werkstückoberflächen ist diese Methode grundsätzlich unwirtschaftlich, da sie eine Nachbearbeitung erfordert. Ein weiterer wichtiger Grund, der gegen eine mechanische Abtastung spricht, besteht darin, daß die Abtastfläche während der Bearbeitung durch Späne und Staub verschmutzt wird. Durch das berührungslose Abtasten mittels dem Abtastmedium Luft wird dieser Nachteil beseitigt. Während des Bearbeitungsvorganges wird die Fühlerdüse 11 um die Ecken und Konturen der Platte mittels der NC-Achse um das Werkzeug 40 geschwenkt.

Fig. 3 zeigt eine horizontale Bearbeitungseinheit mit einer Linearachse 80 und einer Schwenkachse 90 an einer im übrigen nicht dargestellten NC-Fräsmaschine. Die Linearachse 80 und die Z-Achse 50 werden mit der pneumatischen Abtastvorrichtung 1 geregelt. Zu diesem Zweck sind einer horizontalen Werkstückoberfläche 52 eine Fühlerdüse 51 und einer vertikalen Werkstückoberfläche 82 eine Fühlerdüse 81 zugeordnet. Mit dieser in zwei Achsen 50 und 80 arbeitenden Abtastvorrichtung 1 kann z.B. am Umfang einer ovalen Platte 35 b eine Profilnut 37 mittels eines Fräsers 40 mit konstanter Tiefe gefräst werden, selbst wenn die Kontur große Toleranzen aufweist. Durch die Regelung in der Z-Achse 50 werden beispielsweise Dickenschwankungen der Platte ausgeglichen.

Neben dem Einsatz der Abtastvorrichtung 1 unmittelbar am Werkzeug beim Abtasten der Werkstückkontur bzw. Werkstückoberfläche während der Bearbeitung kann die Abtastvorrichtung auch zum Kopieren eines Modells verwendet werden.

Ferner kann die Abtastvorrichtung in Industrie-Robotern eingesetzt werden, mit denen beispielsweise Teile verschweißt oder montiert werden. Damit die Bewegungsfreiheit der Abtastvorrichtung gewährleistet ist, sind die Druckluftzuführungen durch die Schwenkachsen der Roboterarme geführt. Die Abtastvorrichtung kann dann in jeder Richtung arbeiten. Über die Abtastvorrichtung wird dann die Zustellachse beispielsweise für den Schweißabstand geregelt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Abtastvorrichtung besteht in ihrem Einsatz in NC-Meßvorrichtungen zum berührungslosen Vermessen von leicht deformierbaren Werkstücken.

Claims (12)

1. Verfahren zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen von Werkstücken o.dgl., dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Druckfluid mittels einer Fühlerdüse (11, 51, 81), die in einem Abstand (S) über der abzutastenden Oberfläche (36, 52, 82) des Werkstückes (35, 35 a, 35 b) oder Modells (34) eingestellt ist, auf diese Oberfläche (36, 52, 82) geblasen wird,
• - daß der dadurch erzeugte Staudruck auf ein Schaltelement (20) wirkt,
• - daß das Schaltelement (20) proportional zur Abweichung vom Abstand (S) zwischen der Fühlerdüse (11, 51, 81) und der abzutastenden Oberfläche (36, 52, 82) eine elektrische Spannung erzeugt,
• - daß diese Spannung über einen Wandler (25) und einen Servoverstärker (30) einen Servoantrieb (19) einer NC-Achse regelt,
• - daß der Servoantrieb (19) die Fühlerdüse (11, 51, 81) auf den eingestellten Wert (S) zurückführt und
• - daß entsprechend der Bewegung der Fühlerdüse z.B. ein damit gekoppeltes Werkzeug (40) bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß am Ausgang des Schaltelementes (20) ein analoges elektrisches Signal erzeugt wird, das in dem als Spannungsteiler (25) ausgebildeten Wandler in eine negative bzw. positive Spannung umgewandelt wird und daß diese Spannung als Einstellwert an den Servoverstärker (30) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Spannung beim Erreichen des eingestellten Abstandswertes (S) Null wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß durch den über die berührungslose Abstandsmessung erzeugten Spannungswert beliebige NC-Maschinenachsen oder NC-Zusatzachsen geregelt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Modell (34) als auch das Werkstück (35, 35 a, 35 b) unmittelbar am Bearbeitungswerkzeug abgetastet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei Bearbeitungsmaschinen mit Schwenkarmen das Druckfluid zur Signalübertragung durch die Schwenkachsen und Gelenke geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Referenzspannung im Spannungsteiler (25) variabel einstellbar ist und dadurch der Abstand "S" stufenlos einstellbar bzw. vorwählbar ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß an einer Bearbeitungsmaschine mit NC-Maschinenachsen und NC-Zusatzachsen über eine Verstelleinrichtung (15) mindestens ein als Fühlerdüse (11, 51, 81) ausgebildete Abtasteinrichtung (1) angeordnet ist,
• - daß die Fühlerdüse (11, 51, 81) an eine Druckfluidquelle (8) angeschlossen ist
• - daß in eine Druckfluidzuführung (13) zwischen der Druckfluidquelle (8) und der Fühlerdüse ein Schaltelement (20) eingebaut ist,
• - daß an das Schaltelement (20) ein Spannungsteiler (25) angeschlossen ist, an dessen Ausgang der zur Regelung erforderliche Spannungswert anliegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Schaltelement (20) pneumatisch arbeitet und daß das Druckfluid Druckluft ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Spannungsteiler (25) über einen Servoverstärker (30) an der bzw. den NC-Maschinenachsen und/oder NC-Zusatzachsen angeschlossen ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Zuführung der Druckluft zur Fühlerdüse (11, 51, 81) über einen ringförmigen Schwenkverteiler (14) erfolgt, an dessen zur abzutastenden Oberfläche (36, 52, 82) zugewandten Seite die Fühlerdüse (11, 51, 81) angeordnet ist und
• - daß der Schwenkverteiler (14) mit einem NC-Antrieb (4) verbunden ist, der den Schwenkverteiler (14) ohne mechanische Begrenzung um das Werkzeug (40) herumführt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei Bearbeitungsmaschinen mit Schwenkarmen die Druckfluidzuführungen (13) zur Erhaltung der Bewegungsfreiheit durch die Schwenkachsen der Schwenkarme geführt sind.