DE4006949C5

DE4006949C5 - Verfahren zum punktweisen Abtasten der Oberfläche eines Werkstücks

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Publication number: DE4006949C5
Application number: DE19904006949
Authority: DE
Inventors: Armando Juch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: DE4006949A1; DE4006949C2

Abstract

Verfahren zum punktweisen Abtasten der Oberfläche eines Werkstücks, wobei ein Rechner aus einer mathematischen Darstellung der Oberfläche für eine Folge von Zielpunkten auf der mathematisch dargestellten Oberfläche die Soll-Koordinaten und die Komponenten der zugehörigen Normalen bestimmt und für jeden Zielpunkt einen Zwischenpunkt ermittelt, der vom Zielpunkt in Richtung der zugehörigen Normalen einen vorgegebenen Abstand hat, wobei der vorgegebene Abstand für alle Zielpunkte gleich ist, und den Antrieb eines Tastgliedes steuert, das vom Zwischenpunkt bis zum Berühren der Oberfläche auf das Werkstück in Richtung der Normalen vorgerückt und wieder auf den Zwischenpunkt zurückgezogen wird und von einem Zwischenpunkt zum anderen Zwischenpunkt durch die Zwischenpunkte gehenden, zu den Normalen senkrechten Ebenen verfahren wird, wobei die Oberfläche ein Gebiet starker Krümmung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum punktweisen Abtasten der Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere eines Werkstückes für ein Kraftfahrzeug.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die rechnergestützte numerische Steuerung ("Computerized numerical control" CNC) von Maschinen im Kraftfahrzeugbau.
Liegt nach Versuchen im Windkanal oder anderen Konstruktionsschritten ein Prototyp der Karosserie oder anderer Bauteile vor, so muß dieser Prototyp vermessen werden, um die Daten für die nachfolgende Steuerung von Produktionsmaschinen zu erhalten. Dies geschieht üblicherweise mittels rechnergestützen numerisch gesteuerten Meßmaschinen ("CNC-Meßmaschinen"), deren Meßdaten in einem Rechnerprogramm in geeignete Parameter umgesetzt werden, die die Oberfläche des Werkstückes mathematisch beschreiben.
Wird anschließend das Werkstück in den Produktionsmaschinen tatsächlich hergestellt, so muß auch dieses Werkstück vermessen werden, um festzustellen, ob die vorgegebenen Maße eingehalten werden. Dieses Vermessen geschieht üblicherweise in einem Teach-In-Verfahren, bei dem der Steuerung der Meßmaschine zunächst manuell die Koordinaten eines Punktes eingegeben werden, auf den der Antrieb der Meßmaschine ein entsprechendes Tastglied positioniert. Ferner ist es erforderlich, die Richtung anzugeben, in der nun das Tastglied bis zur Berührung auf die Oberfläche vorgefahren wird. Aus der Stellung des Tastgliedes bei der Berührung können die Koordinaten des Berührpunktes und die Abweichung von einem entsprechenden Zielpunkt auf der mathematisch beschriebenen Oberfläche des Prototyps bestimmt werden. Häufig wird auch umgekehrt vorgegangen und werden die Koordinaten des Zielpunktes und die Komponenten der auf der Oberfläche im Zielpunkt senkrecht stehenden Normalen bestimmt. Dabei handelt es sich also um zwei räumliche Vektoren mit je 3 Komponenten, so daß mindestens sechs vielstellige digitale Daten von Hand eingegeben werden müssen. Hinzu kommen häufig weitere Daten, wie die Antastrichtung und der Abstand des Vorpositionierpunktes von der Oberfläche.
Anschließend wird das Werkstück in eine vorgegebene Rückzugsstellung verfahren und in die Vorpositionierstellung für den Punkt gebracht, der als nächstes abgetastet werden muß.
Das Eingeben der digitalen Steuerdaten ist langwierig und läßt viele Tipfehler oder andere Steuerfehler zu.
Stellt sich heraus, daß die Oberfläche des Werkstückes von der Prototyp-Oberfläche entscheidend abweicht, so müssen die Parameter der Produktionsmaschinen nachgestellt und das dann produzierte Werkstück erneut vermessen werden. Besonders kritisch sind dabei Kanten, bei denen leicht Abweichungen auftreten können, die die Montage des fertigen Kraftfahrzeuges unmöglich machen würden.
Als Tastglied können dabei Berührungstaster verwendet werden, die bei Berühren der Oberfläche einen Puls abgeben, der das Ablesen der Koordinaten steuert, in denen sich der Taster zum Zeitpunkt der Berührung befindet. Es können aber auch berührungslose Tast-Sensoren verwendet werden. Häufig werden auch für nachfolgende Bearbeitungsschritte, z. B. zum Anbringen von Löchern und Nieten oder zum Punktschweißen, numerisch gesteuerte Maschinen verwendet, bei denen ähnliche Steuerprobleme auftreten. In diesem Fall muß als Tastglied ein entsprechendes Werkzeug zu einem Zielpunkt auf der Werkstück-Oberfläche gebracht werden.
Aus der DE-Zeitschrift: tm-Technisches Messen, 51. Jahrgang, 1984, Heft 6, Seiten 234 bis 241 ist es bekannt, die Programmierung von rechnergesteuerten Koordinatenmeßgeräten in Form einer Punkt zu Punkt-Steuerung vorzunehmen. Als Zielposition (Sollposition) wird jeweils ein Punkt innerhalb des Meßbereiches mit seinen drei Koordinatenwerten vorgegeben. Dieser Punkt wird im allgemeinen auf schnellstem Wege angefahren. Der Antrieb besitzt einen integrierten Geschwindigkeitsregelkreis, der für ein kinematisch günstiges Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten sorgt. Kommt es zu einer Werkstückberührung, werden die Bewegungen in den Geräteachsen abgebremst. Es ist dabei auch ein schaltendes Tastsystem bekannt, bei dem im Augenblick der Werkstückberührung die Koordinatenwerte übernommen werden. Danach kann sofort die nächste Position auf dem Werkstück angefahren werden.
Aus der DE-Zeitschrift: tm-Technisches Messen, 54. Jahrgang, Heft 7/8/1987, Seiten 277 bis 284 ist es bekannt, Werkstücke mit rechnergestützten Koordinatenmeßgeräten zu vermessen, indem die Werkstückoberfläche punktweise mit einer Tastkugel angetastet wird. Die im Meßpunkt erfaßten Koordinatenwerte des Tastkugelmittelpunkts werden zur Auswertung herangezogen. Dazu werden unter Kenntnis des Tastkugelradius und gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Normalenrichtung in jedem Berührpunkt Rückschlüsse auf die Gestalt des Werkstückes gezogen.
Schließlich ist es aus der CH-Zeitschrift: Technische Rundschau 21/85, Seiten 26 bis 33 bekannt, neben mechanischen Tastern auch optische Systeme wie beispielsweise Zentrierprojektoren als Meßtaster zu verwenden. Es wird dabei auch der Vorschlag gemacht, eine Antastung in Richtung der Flächen normalen vorzunehmen.
Sämtliche Druckschriften enthalten keinerlei Angaben über den Ausgangspunkt, von dem aus der jeweilige Meßpunkt angetastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Abtasten der Oberfläche automatisch und unter Vorgabe einiger allgemeiner Verfahrensparameter vornehmen zu können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. In den weiteren Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung genannt. Dabei wird insbesondere mit den im Patentanspruch 3 angegebenen Merkmalen die Möglichkeit geschaffen, das Abtasten der Oberfläche hauptsächlich in der Nähe von kritischen Kanten automatisch zu steuern. Daraus ergibt sich dann die Möglichkeit, das Abtasten und insbesondere das Ausmessen der Oberfläche, vollautomatisch zu steuern.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, eine Oberfläche nach Eingabe der Steuerdatei und einiger allgemeiner Verfahrensparameter, die zur Vorgabe der Zielpunkt-Folge erforderlich sind, die Oberfläche des Werkstücks automatisch punktweise abzutasten. Zu den Steuerparametern gehören beispielsweise der konstante Abstand der Zwischenpunkte von der Oberfläche, die Ober- und Untergrenze der Winkel zwischen der Normalen, der kritische Abstand und die für das jeweilige Werkstück erforderlichen Angaben über das jeweilige Weginkrement. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mittels eines Rechners Soll-Koordinaten und Soll-Komponenten bestimmt.
Die Soll-Koordinaten legen zwei Zielpunkte auf der mathematisch beschriebenen Fläche fest, während die Soll-Komponenten die jeweils zu den Zielpunkten gehörenden Normalen auf der mathematisch beschriebenen Fläche bestimmen. Durch einen vorgegebenen Abstand von einem Zielpunkt in Richtung der zugehörigen Normalen sind zwei Zwischenpunkte bestimmt, und der Rechner errechnet sich die Koordinaten eines Umlenkpunktes. Dieser Umlenkpunkt liegt einerseits auf einer Schnittgeraden zweier Ebenen, die jeweils durch die Zwischenpunkte gehen und auf der zugehörigen Normalen senkrecht stehen. Andererseits ist der Umlenkpunkt durch den kürzesten Abstand zwischen den beiden Zwischenpunkten definiert. Der Rechner steuert nun den Antrieb automatisch so, daß das Tastglied nach dem Zurückziehen auf die Rückzugsstellung, die für das Abtasten eines Punktes vorgegeben ist, über den Umlenkpunkt in die Vorpositionierstellung für das Abtasten des neuen Punktes gefahren wird.
Der erste Zwischenpunkt wird als Vorpositionierstellung und Rückzugsstellung des Tastgliedes für das Abtasten eines Punktes und der zweite Zwischenpunkt als entsprechende Vorpositionierstellung und Rückzugsstellung für das Abtasten des nächsten Punktes verwendet.
Dabei ergibt sich ein Verfahren zum punktweisen Abtasten der Oberfläche, bei dem zunächst aus einer mathematischen Beschreibung der Oberfläche für eine Folge von Zielpunkten jeweils die Soll-Koordinaten und für die dazugehörigen Normalen die Soll-Komponenten bestimmt werden und der Rechner eine Folge von zugehörigen Zwischenpunkten errechnet, die jeweils in Richtung der Normalen einen vorgegebenen Abstand von einem Zielpunkt haben. Der Rechner steuert dann den Antrieb so, daß das Tastglied jeweils zum Abtasten eines Zielpunktes vom zugehörigen Zwischenpunkt bis zur Berührung auf das Bauteil ausgerückt und anschließend in den Zwischenpunkt zurückgezogen wird. Zur Abtastung des nächsten Zielpunktes steuert der Rechner den Antrieb dann so, daß (zumindest solange keine Hindernisse zu befürchten sind) das Tastglied – vorzugsweise über den Umlenkpunkt – von einem Zwischenpunkt zum anderen in Ebenen verfahren wird, die durch die Zwischenpunkte gehen und senkrecht zu den zugehörigen Normalen sind.
Anhand der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren weiter erläutert. Es zeigen
1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
2 die Punkte, Geraden und Flächen zur Konstruktion des Umlenkpunktes,
3 ein Schema zur Berechnung der Umlenkpunkte,
4 und 5 Querschnitte von Bauteil-Oberflächen mit den entsprechenden Stellungen und Wegen des Tastgliedes.
Im oberen Teil der 1 ist zunächst das originale Bauteil BOR (z. B. ein vergrößertes Modell des Kofferraum-Deckels) dargestellt, das an einer manuell gesteuerten Meßmaschine MAN ausgemessen wird. Mit x'y'z' sind die räumlichen Koordinaten dieser Meßmaschine angegeben. Wird der Tastkopf TK1' zum Beispiel bei gegebenem und konstantem Wert der Koordinate y parallel zur Achse x' verschoben, so kann für jeden Wert der Koordinate x' der zugehörige Wert der Koordinate z' der auf der Bauteil-Oberfläche liegenden Punkte ausgemessen werden. Dabei ist mit gestrichelten Linien angegeben, daß die Bauteil-Oberfläche auf diese Weise mit einem Koordinatensystem überzogen werden kann, das durch Projektion eines orthogonalen x'-y'-Koordinatensystem von der Basisfläche der Meßmaschine auf die Bauteil-Oberfläche entsteht.
Für besondere Wölbungen, Unterschneidungen oder andere kritische Formen der Oberfläche kann es vorteilhaft sein, für diese Bereiche auf andere Tastköpfe überzugehen, die der geforderten Meßempfindlichkeit und der jeweiligen Oberflächenform besonders angepaßt sind. Ein derartiger zweiter Taster TK2' ist in 1 ebenfalls dargestellt.
Ferner zeigt diese Figur, daß es erforderlich sein kann, durch Spannbacken SP, Niederhalter oder andere Einrichtungen das Bauteil in einer vorgegebenen Position zu fixieren. Dadurch entstehen Bereiche auf der Oberfläche, die den Tastköpfen nicht direkt zugänglich sind und nur in einem eigenen Meßgang nach Umspannen des Bauteils ausgemessen werden können.
Mit BUS' ist die Steuerleitung bezeichnet, über die der Meßmaschine MAN numerische Steuersginale eingegeben werden und auch die Koordinaten der ausgemessenen Oberfläche können in einen Rechner CAL' eingegeben werden, der daraus geeignete Parameter zur mathematischen Beschreibung der Oberfläche errechnet und in einem Speicher MEM' ablegt. Zum Beispiel können jeweils die Oberflächen-Quadranten, die in 1 von den unterbrochenen Linien begrenzt sind, durch Flächen höherer Ordnung angenähert werden, deren Koeffizienten für jeden Punkt innerhalb des Quadranten dessen räumliche Koordinaten sowie auch die zugehörige Flächen-Normale zu berechnen gestatten. Ist es erforderlich, daß besonders die Schnittlinie zwischen der Bauteil-Oberfläche und bestimmten Konstruktionsebenen genau ausgemessen wird, so kann es vorteilhaft sein, den Taster nicht in z'-Richtung oder senkrecht zu der Bauteil-Oberfläche hin zu bewegen, sondern in einer Antast-Richtung, die zum Beispiel in der Konstruktionsebene liegt. Auch die entsprechenden Komponenten dieser Antastrichtung können zusammen mit den Flächen-Parametern im Speicher MEM' abgespeichert werden.
Weitere zusätzlich abzuspeichernde Daten sind zum Beispiel Angaben über den vor zunehmenden Wechsel der Tastköpfe sowie bestimmte Zwischenpositionen, über die die Tastköpfe gefahren werden sollen, wenn etwa die Spannbacken SP oder andere Hindernisse umfahren werden sollen.
Der Speicher MEM' enthält jetzt alle erforderlichen Steuerdaten, die beim anschließenden Ausmessen der von den Produktionsmaschinen gelieferten Bauteile mittels einer rechnergesteuerten numerischen Meßmaschine erforderlich sind.
Anstelle dieses manuellen "Teach-In" zur Generierung der Steuerdaten kann bei einem rechnergestützten Konstruktionsverfahren ("Computer Aided Design") die Oberfläche des Prototyps auch direkt mittels eines entsprechenden Rechners festgelegt werden. In diesem Fall entfällt also die manuelle Ausmessung eines Prototyps und die Steuerdaten werden direkt vom Konstrukteur am Rechner generiert ("maschinenferne Teile-Programmierung") und gespeichert.
Im unteren Teil der 1 ist dargestellt, wie diese Steuerdaten bei der Erfindung zum Ausmessen des nunmehr produzierten Werkstückes BP verwendet werden. Dieses Werkstück soll ein verkleinertes oder vergrößertes, aber in jedem Fall maßgetreues Abbild des Prototypen BOR sein. Die in den Steuerdaten abgespeicherten Parameter der Oberfläche des Bauteils BOR stellen da her Sollwerte für die Oberfläche des Werkstücks BP dar.
Das Werkstück BP ist über entsprechende Einspannvorrichtungen SP auf eine CNC-Meßmaschine MM gespannt, deren Tastglied TK1 mittels eines entsprechenden Antriebs AN über mehrere Achsen in allen drei Richtungen x, y, z des Raumes verfahren werden kann. Mit AT ist eine Ablage angegeben, an der die Tastglieder abgelegt und neue Tastglieder aufgenommen werden können.
Die Steuerung des Antriebs AN geschieht mittels digitaler Steuersignale, die mittels einer Datenleitung BUS einem Rechner CAL entnommen werden. Durch den Doppelpfeil TRANSF ist angegeben, daß die Steuerdaten des Speichers MEM', die insbesondere die Parameter zur mathematischen Beschreibung der Prototyp-Oberfläche enthalten, in den Speicher MEM des Rechners CAL transferiert werden.
Bei dem in 1 symbolisch gezeigten Werkstück BP handelt es sich z. B. um einen Kofferraum-Deckel, der besonders im Bereich seiner Krümmung maßgetreu gefertigt werden muß. In den 2 und 3 ist daher zunächst dargestellt, wie der Antrieb AN vom Rechner CAL gesteuert wird, um das Tastglied TK1 um die Krümmung herumzuführen.
Auf der Oberfläche des Werkstücks BP ist durch eine Folge von Zielpunkten ein Weg vorgegeben, längs dessen die Werkstückoberfläche ausgemessen werden soll.
In 2 sind zwei derartige Zielpunkte P(n – 1) und P(n) gezeigt, deren x, y und z-Koordinaten bezüglich des Nullpunktes 00 aus der Steuerdatei BATST ebenso ermittelt werden können wie die Komponenten des entsprechenden Normalenvektors N(n – 1) und N(n).
In 3 ist in einem schematischen Flußdiagramm für den Rechenvorgang dargestellt, daß hierzu zunächst nach Einlesen der Steuerdatei DATST unter Vorgabe des Startpunktes P(0) und seiner Normalen N(0) jeweils durch Inkrementierung der Zählvariablen n die weiteren Koordinaten und Komponenten der Zielpunkte P(n) und Soll-Normalen N(0) ermittelt werden können, sobald in der Basisebene x, y ein entsprechendes Weginkrement dp vorgegeben ist: dp = (dpx, dpy)
Bei jedem Start der in 3 dargestellten Programmschleife liegen die Soll-Koordinaten des Zielpunktes P(n – 1) und die Soll-Komponenten der zugehörigen Normalen N(n – 1) bereits vor: P(n – 1) = (x1, y1, z1), N(n – 1) = (u1, v1, w1),und indem in der x, y-Ebene die Koordinaten des Zielpunktes um das Weginkrement verschoben werden, werden die Koordinaten x2 und y2 des neuen Zielpunktes P(n) ermittelt, zu denen dann aus den Parametern der mathematisch beschriebenen Oberfläche die z-Koordinate als Funktion z2(x2, y2) der inkrementierten x-Koordinate und y-Koordinate errechnet wird: x2 = x1 + dpy; y2 = y1 + dpy; z2 = z2(x2, y2).
Damit liegen also der in 2 gezeigte Punkt P(n) auf der mathematisch beschriebenen Oberfläche sowie der Normalenvektor N(n) fest, der zur Oberfläche senkrecht ist und die Länge 1 aufweist. Der Punktvektor P(n) des Zielpunktes und der Normalenvektor N(n) sind jeweils als Zahlentrippel darstellbar, die die entsprechenden Soll-Koordinaten und Soll-Komponenten angeben: P(n) = (x2, y2, z2) N(n) = (u2, v2, w2)
Die Zielpunkte legen Zwischenpunkte PP' und PP fest, die auf den Normalengeraden liegen und von den Zielpunkten einen vorgegebenen Abstand pn haben: PP' = P(n – 1) + pn·N(n – 1) PP = P(n) + pn·N(n)
Auch die Punktvektoren dieser Zwischenpunkte sind als Zahlentrippel ihrer Koordinaten beschreibbar: PP' = (xp1, yp1, zp1); PP = (xp2, yp2, zp2) mit: xp1 = x1 + pn·u1; xp2 = x2 + pn·u2 yp1 = y1 + pn·v1; yp2 = y2 + pn·v2 zp1 = z1 + pn·w1; zp2 = z2 + pn·w2
Im Programmschritt Step 1 der Programmschleife in 3 ist die Bildung der entsprechenden Vektoren P(n), N(n) und PP schematisch angegeben. In 2 sind zusätzlich die Ebenen D1 und D2 eingezeichnet, die durch diese Punkte PP' und PP gehen und senkrecht auf den Normalengeraden N(n – 1) und N(n) stehen. Sie haben die Flächenparameter: D1 = u1·xp1 + v1·yp1 + w1·zp1 D2 = u2·xp2 + v2·yp2 + w2·zp2und schneiden sich in einer Schnittgeraden G, deren Richtung durch ein Zahlentrippel gegeben ist, das einen Einheitsvektor darstellt und als Vektorprodukt aus den Normalenvektoren gebildet wird: G = N(n – 1)·N(n) = (u3, v3, w3) mit: u3 = v1·w2 – w1·v2 v3 = w1·u2 – u1·w2 w3 = u1·v2 – v1·u2
2 zeigt eine Hilfsebene D3, die auf der Schnittgeraden G senkrecht steht und durch den Punkt PP' geht. Der Flächenparameter dieser Hilfsfläche ist D3 = u3 × xp1 + v3·yp1 + w3·zp1
Der Schnittpunkt dieser drei Ebenen ist in 2 als Hilfspunkt PS dargestellt, zu dessen Berechnung die Determinanten DET X, DET Y und DET Z der Ebenen D1, D2 und D3 sowie die normierende Determinante DET G gebildet werden: DET G = u1·v2·w3 + v1·w2·u3 + w1·u2·v3 – w1·v2·u3 – v1·u2·w3 – u1·w2·v3 DET X = D1·v2·w3 + v1·w2·D3 + w1·D2·v3 – w1·v2·D3 – v1·D2·w3 – D1·w2·v3 DET Y = u1·D2·w3 + D1·w2·u3 + w1·u2·D3 – w1·D2·u3 + D1·u2·w3 – u1·w2·D3 DET Z = u1·v2·D3 + v1·D2·u3 + D1·u2·v3 – D1·v2·u3 + v1·u2·D3 – u1·D2·v3
Daraus ergibt sich somit das Zahlentrippel der Koordinaten des Punktes PS: PS = (xs, ys, zs)mit: xs = DET x/DET G ys = DET y/DET G zs = DET z/DET G
Unter Einführung der Geraden-Variablen T kann die Schnittgerade G der Ebenen D1 und D2 also mathematisch beschrieben werden als: S = PS + T·G
Ein auf dieser Geraden G liegender Punkt hat von den beiden Zwischenpunkten PP' und PP jeweils einen Abstand, dessen Quadrat gegeben ist durch
Soll dieser Punkt S von den beiden Zwischenpunkten einen minimalen Abstand haben, kann der Wert T₀ seiner Geradenvariablen T durch die Bedingungsgleichung d
errechnet werden. Dies führt zu der algebraischen Gleichung 0,5(u32 + v32 + w32)·T0 = (xp1 + xp2 – 2·xs)·u3·(yp1 + yp2 – 2·ys)·v3 + (zp1 + zp2 – 2·zs)·w3
Aus dem Wert T₀ damit lassen sich die Koordinaten des Umlenkpunktes PU berechnen: PU = PS + T0·G = (xp, yp, zy)mit xp = xs + T0·u3; yp = ys + T0·v3; zp = zs + T0·w3
In 2 ist mit einer strichpunktierten Linie der Weg eingezeichnet, der vom Zwischenpunkt PP' über den Umlenkpunkt PU zum neuen Zwischenpunkt PP führt. Seine Berechnung erfolgt im Programmschritt Step 2 der 2 und im Programmschritt Step 3 erhält die numerisch gesteuerte Meßmaschine vom Rechner CAL den Befehl "GO" zum Anfahren des Umlenkpunktes PU.
Wie bereits erwähnt wurde, kann es vorteilhaft sein, für das Abtasten bestimmter Oberflächenpunkte eine von der Normalenrichtung abweichende Antastrichtung vorzugeben. Die meisten Oberflächenbereiche können aber hinreichend genau abgetastet werden, wenn das Tastglied senkrecht in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes bewegt wird. Die Antastrichtung fällt dann also mit der Richtung der Normalen N(n) zusammen.
Im Normalfall kann daher der jeweilige Zwischenpunkt PP als Vorpositionierpunkt benutzt werden, auf den der Tastkopf zunächst gebracht wird bevor er bis zur Berührung mit der Oberfläche BP in senkrechter Richtung auf die Bauteiloberfläche bewegt wird. Die Stellung des Tastgliedes bei der Berührung ergibt dann die gemessenen Koordinaten (Ist-Koordinaten) des Zielpunktes, die mit den zugehörigen Koordinaten von x2, y2, z2 verglichen werden können, um die Abweichung der tatsächlichen Oberfläche von der der mathematischen Beschreibung zugrunde liegenden Soll-Oberfläche in dem durch den Prototyp gegebenen Punkt festzustellen. Anschließend wird dann der Tastkopf wieder in den Zwischenpunkt zurückgezogen, um dann (falls keine Hindernisse im Weg stehen) auf dem kürzesten Weg über den Umlenkpunkt in den zum nächsten Zielpunkt gehörenden Zwischenpunkt gefahren zu werden. Der neue Zwischenpunkt dient dann wieder als Vorpositionierstellung und Rückzugsstellung für das Ausmessen des nächsten Zielpunktes.
Beschreiben allerdings die Normalen N(n – 1) und N(n) zwischen dem letzten ausgemessenen Zielpunkt und dem nächsten Zielpunkt nur einen kleinen Winkel (z. B. einen Winkel unter 30°), so ist die Oberfläche nur geringfügig gewölbt. Die Berechnung des Umlenkpunktes kann unterbleiben. In diesen Fall werden also in 3 die Programmschritt Step 2 und Step 3 ausgelassen und nach Bestimmen des Zwischenpunktes PP direkt auf den Programmschritt Step 4 übergegangen.
In diesem Programmschritt Step 4 folgt die numerisch gesteuerte Meßmaschine dem Befehl "GO" zum Verfahren des Tastgliedes auf den neuen Zwischenpunkt PP(n). Beim anschließenden Befehl "MES" erhält sie als Steuersignale die Soll-Komponenten der Normalen N(n) und bewegt den Tastkopf in dieser Richtung bis zum Berühren der Oberfläche. Die Meßmaschine kann dabei so gesteuert sein, daß sie neben den Ist-Koordinaten des Berührpunktes auch die Ist-Komponenten der tatsächlichen Flächennormalen erfaßt.
Beim anschließenden Befehl "GO" rückt die Meßmaschine das Tastglied wieder in den Zwischenpunkt, der somit auch als Rückzugspunkt beim Ausmessen des Zielpunktes P(n) dient.
In 4 sind die Zielpunkte, die bei diesem Verfahren auch als Meßpunkte dienen, die Zwischenpunkte, die gleichzeitig Vorpositionierstellung und Rückzugstellung für die Meßpunkte sind, und der vom Tastglied zurückgelegte Weg dargestellt. Das Bauteil ist dabei in einem Schnitt in einer x, z-Ebene gezeigt.
Bei jedem Schritt wird das Tastglied in x-Richtung um das Weginkrement dpx verfahren und erreicht z. B. nach 81 Schritten die in 4 dargestellte Steuerung. Der weitere Weg führt geradlinig zu den Punkten PP(82), P(82), zurück zu PP(82), PP(83) und zu P(83). Die dabei durchfahrenen Normalen weichen kaum voneinander ab, so daß bis zum Schritt n = 85 jeweils kein Zwischenpunkt errechnet wird.
Erst beim Schritt n = 85 wird ein Gebiet starker Krümmung auf der Werkstück-Oberfläche erreicht. Hier wird in der Steuerdatei DATST als inkrementeller Weg der halbe Abstand dpx vorgegeben, so daß also nach Erreichen des Punktes P(85) = P(n – 1) ein zusätzlicher Zielpunkt P(n) mit der x-Koordinate x2 einge fügt wird. Die Normale N(n) schließt mit der Normalen N(n – 1) einen Winkel von annähernd 90° ein, so daß hier der Umlenkpunkt PU auf die beschriebene Weise im Programmschritt Step 2 berechnet und angefahren wird.
Der weitere Weg des Tastgliedes führt also über den Umlenkpunkt PU, den neuen Zwischenpunkt PP zum neuen Zielpunkt P(n) und nach Ausmessung dieses Punktes zurück zum Zwischenpunkt PP. Für die weiteren Schritte n = 87, 88, ... kann eine Berechnung von Umlenkpunkten wiederum entfallen.
5 enthält im wesentlichen ebenfalls den Verfahrweg des Tastkopfes, wobei hier aber besondere Komplikationen dadurch gegeben sind, daß das Werkstück einen rippenförmigen Vorsprung mit einer stark konvexen Krümmung an der Spitze zeigt. Es kann sich dabei z. B. um Rippen eines Kühler-Grills handeln.
Während das Tastglied z. B. in den Schritten n = 107 und 108 zum Ausmessen der entsprechenden Zielpunkte nur praktisch parallel zur Oberfläche mit dem vorgegebenen Abstand pn fährt, ist die Schrittweite dpx bis zum Erreichen des Schrittes n = 112 kleiner, um die Rippe ausmessen zu können. Nach dem Schritt n = 108 ist vorgesehen, das Tastglied TK1 durch ein anderes Tastglied zu ersetzen. Daher verfährt nach Schritt n = 108 der Antrieb das Tastglied in eine Sicherheitsebene, die durch die z-Koordinate z₀ beschrieben ist. Diese Sicherheitsebene ist so gelegt, daß das Tastglied in der gesamten Sicherheitsebene verfahren werden kann, ohne an ein Hindernis zu stoßen. Die in 1 erwähnte Ablage befindet sich in dieser Sicherheitsebene und dort wird das Tastglied ausgewechselt.
Zum Ausmessen des Zielpunktes beim Schritt n = 109 wird dann das neue Tastglied von der Sicherheitsebene z₀ zurück zum entsprechenden Zwischenpunkt gebracht, um von dort in Richtung der zugehörigen Normalen auf den Zielpunkt P(109) verfahren zu werden.
Der nächste Zielpunkt P(110) kann wieder auf die beschriebene, normale Weise abgetastet werden, jedoch liegt zwischen n = 110 und n = 111 die Spitze der Rippe und die in Step 1 der 3 ermittelten Normalen N(110) und N(111) schließen einen großen Winkel ein. Überschreitet dieser Winkel einen vorgegebenen Wert (z. B. 150°), so steht zu befürchten, daß das Tastglied vom letzten Zwischenpunkt PP' zum neuen Zwischenpunkt PP nicht verfahren werden kann, ohne an das Werkstück selbst zu stoßen. Daher kehrt auch in diesem Fall das Tastglied in die Sicherheitsebene z₀ zurück und fährt in dieser Ebene um die Spitze herum. Die Rückkehr in die Sicherheitsebene und das Anfahren des neuen Zwischenpunktes kann dabei z. B. in z-Richtung erfolgen, wie in 5 dargestellt ist.
Beim nächsten Schritt ergibt sich für den zu n = 112 gehörenden Zielpunkt eine Normale, die mit der zum vorangegangenen Zielpunkt gehörenden Normalen einen negativen Winkel einschließt, der einer konkaven Krümmung entspricht. In diesem Fall, bei dem der Normalenwinkel ebenfalls unter dem vorgegebenen Mindestwert von 30° liegt, unterbleiben daher erneut die Berechnung das Anfahren eines Umlenkpunktes.
Ferner ist in 5 angenommen, daß sich zwischen den zu n = 112 und n = 113 gehörenden Zielpunkten eine Einspanneinrichtung SP befindet, die die Lage des Werkstückes fixiert. Für diesen Bereich ist daher durch die Vorgabe eines entsprechend großen Weginkrementes dpx sichergestellt, daß hier keine Abtastung stattfindet. Dazu wird im Programmschritt Step 1 zusätzlich abgefragt, ob das vorgegebene Weginkrement oder insbesondere der Abstand der zugehörigen Zielpunkte einen kritischen Höchstwert x₀ überschreitet.
Liegt dies vor, wie dies z. B. zwischen n = 112 und n = 113 der Fall ist, so wird das Tastglied vom Rechner automatisch ebenfalls nach dem Abtasten des letzten Zielpunktes in die Sicherheitsebene zurückgezogen und dort verfahren, bis es zum Abtasten eines neuen Zielpunktes auf den neuen Zwischenpunkt gefahren wird. Dadurch wird eine Kollision des Tastgliedes mit der Einspanneinrichtung SP oder anderen Teilen des Werkstückes BP vermieden.
In 3 sind die entsprechenden Abfragen, die bei Unterschreiten des Mindestwinkels (Umgehen von Step 2) direkt das Ansteuern des neuen Zwischenpunktes bzw. bei Überschreiten des Höchstwinkels oder der kritischen Distanz x₀ die Rückkehr auf die Sicherheitsebene veranlassen (Step 5 in 3), nicht dargestellt.
Ebenso sind aus Gründen der Übersichtlichkeit Fälle nicht dargestellt, in denen die Oberfläche Unterschneidungen aufweist, die ausgemessen werden sollen, aber die zugehörigen Zwischenpunkte von der Sicherheitsebene nicht erreicht werden können, wenn das Tastglied nur in z-Richtung zwischen den Vorpositionier-Stellungen und Rückzugstellungen einerseits und der Sicherheitsebene z₀ andererseits verfahren wird. Für diese Fälle kann vorgesehen sein, daß für die zu diesen Bereichen gehörenden Meßpunkte Untersicherheitsebenen vorgegeben werden, die z. B. gegenüber der Hauptsicherheitsebene geneigt sind. In ihnen darf nur innerhalb vorgegebener Grenzen gefahren werden. Diese Grenzen werden so gewählt, daß sich Hauptsicherheitsebene und Untersicherheitsebene innerhalb des Bereiches schneiden, d. h. das Tastglied kann gefahrlos von der Hauptsicherheitsebene in die Untersicherheitsebene und wieder zurück verfahren werden.
Das gesamte Verfahren läuft nach Eingabe der Steuerdatei praktisch automatisch ab. Die Steuerdatei muß neben den Parametern zur mathematischen Beschreibung der Oberfläche praktisch nur noch einige allgemeine Verfahrensparameter (z. B. den Abstand der Zwischenpunkte von der Oberfläche, die Ober- und Untergrenze der Winkel zwischen der Normalen, den kritischen Abstand x₀ und die für das jeweilige Werkstück erforderlichen Angaben über das jeweilige Weginkrement enthalten, die zur Vorgabe der Zielpunkt-Folge erforderlich sind. Wird dann bei einem Wechsel der Produktionsparameter in den Produktionsmaschinen oder bei der Qualitätskontrolle einer laufenden Serie ein Werkstück gegen ein anderes ausgetauscht, so braucht die Steuerdatei praktisch nicht verändert zu werden, da sich auch die mathematische Beschreibung der Oberfläche nicht geändert hat.
Durch diese Automatisierung wird die Fehlerquote des Meßvorgangs erheblich reduziert. Die für eine Messung erforderliche Zeit gegenüber einem Meßvorgang, dessen Steuerdaten manuell eingegeben werden, verringert sich um mehr als 90%.

Claims

Verfahren zum punktweisen Abtasten der Oberfläche eines Werkstücks, wobei ein Rechner aus einer mathematischen Darstellung der Oberfläche für eine Folge von Zielpunkten auf der mathematisch dargestellten Oberfläche die Soll-Koordinaten und die Komponenten der zugehörigen Normalen bestimmt und für jeden Zielpunkt einen Zwischenpunkt ermittelt, der vom Zielpunkt in Richtung der zugehörigen Normalen einen vorgegebenen Abstand hat, wobei der vorgegebene Abstand für alle Zielpunkte gleich ist, und den Antrieb eines Tastgliedes steuert, das vom Zwischenpunkt bis zum Berühren der Oberfläche auf das Werkstück in Richtung der Normalen vorgerückt und wieder auf den Zwischenpunkt zurückgezogen wird und von einem Zwischenpunkt zum anderen Zwischenpunkt durch die Zwischenpunkte gehenden, zu den Normalen senkrechten Ebenen verfahren wird, wobei die Oberfläche ein Gebiet starker Krümmung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner den Antrieb des Tastgliedes so steuert, daß das Tastglied von einem Zwischenpunkt zunächst in der durch ihn gehenden, zu seiner Normalen senkrechten Ebene bis zu einem Umlenkpunkt verfahren wird, der auf der Schnittgeraden dieser Ebene und der durch den nächsten Zwischenpunkt gehenden und zu dessen Normalen senkrechten Ebene liegt und durch die kürzeste Entfernung zu den beiden Zwischenpunkten definiert ist, und anschließend in der anderen Ebene bis zu dem nächsten Zwischenpunkt verfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Rechners a) aus einer abgespeicherten mathematischen Beschreibung der Oberfläche Soll-Koordinaten (x1, y1, z1; x2, y2, z2) die zwei Zielpunkte (P(n); P(n – 1) auf der mathematisch beschriebenen Fläche festlegen, und Soll-Komponenten (u1, v1, w1; u2, v2, w2) die jeweils die zu den Zielpunkten gehörenden Normalen (N(n)), (N(n – 1)) der mathematisch beschriebenen Oberfläche festlegen, gebildet werden, b) zu zwei Zwischenpunkten (PP', PP), die jeweils durch den vorgegebenen Abstand (pn) von einem Zielpunkt in Richtung der zugehörigen Normalen bestimmt sind, die Koordinaten (xp, yp, zp) eines Umlenkpunktes (PU) errechnet werden, der auf einer Schnittgeraden (G) zweier Ebenen (D1, D2), die jeweils durch einen Zwischenpunkt (PP', PP) gehen und auf der zugehörigen Normalen senkrecht stehen, durch den kürzesten Abstand zwischen beiden Zwischenpunkten definiert ist, und c) der Antrieb so gesteuert wird, daß das Tastglied nach dem Zurückziehen auf den ersten Zwischenpunkt über den Umlenkpunkt (PU) in den zweiten Zwischenpunkt gefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Wechsel des Tastgliedes das Tastglied längs einer vorgegebenen Sicherheitsebene bis zu einer Ablagestelle gefahren wird und von dort ein neues Tastglied in den Zwischenpunkt des neuer Zielpunktes gefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen oder mehrere vorgegebene Bereiche der mathematisch beschriebenen Oberfläche jeweils eine Untersicherheitsebene vorgegeben wird, daß für den verbleibenden Bereich der mathematisch beschriebenen Oberfläche als Sicherheitsebene eine Hauptsicherheitsebene vorgegeben wird, in der das Tastglied ohne Hindernis verfahrbar ist, und das Tastglied nur über einen Schnittpunkt der Hauptsicherheitsebene und der Untersicherheitsebene zwischen der Hauptsicherheitsebene und der Untersicherheitsebene verfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1 zum Ausmessen der Oberfläche des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rechnergestützten Konstruktionsverfahren mathematische Parameter zur Beschreibung der Oberfläche gebildet werden, daß aus den Parametern die Soll-Koordinaten der Zielpunkte und die Soll-Komponenten der Normalen bestimmt werden und daß beim Abtasten der Oberfläche des Werkstücks aus der Stellung des Tastgliedes beim Berühren der Oberfläche die Ist-Koordinaten der Zielpunkte und die Ist-Komponenten der Normalen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 zum Ausmessen der Oberfläche des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster des Werkstücks in einer manuell gesteuerten Meßmaschine ausgemessen und aus den Meßdaten mathematische Parameter zur Beschreibung der Oberfläche gebildet werden, daß die mathematischen Parameter in einer Steuerdatei gespeichert werden, daß die Soll-Komponenten der Normalen aus der Steuerdatei bestimmt werden und daß beim Abtasten der Oberfläche des Werkstücks aus der Stellung des Tastgliedes beim Berühren der Oberfläche die Ist-Koordinaten des Zielpunktes bestimmt werden.