DE4107269C2

DE4107269C2 - Verfahren zur Ermittlung von Flächennormalen

Info

Publication number: DE4107269C2
Application number: DE19914107269
Authority: DE
Inventors: Heinz Lambert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2011-03-08
Also published as: DE4107269A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Flächennormalen an einem auf einer Mehrkoordinaten-Meßma schine zu messenden Werkstück, wobei ein Meßtaster mit einem Oberflächenpunkt, dessen Koordinaten ermittelt wer den, in Berührung gebracht wird.

Werkstücke von komplexer Geometrie, insbesondere auch mit gewölbten Oberflächen, können auf Mehrkoordinaten-Meßma schinen gemessen werden. Üblicherweise wird dabei ein kartesisches Koordinatensystem mit den drei Raumachsen x, y, z zugrundegelegt. Als Beispiel für ein zu messendes Werkstück sei eine Fahrzeug-Rohkarosse genannt.

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der Flächennormalen an Werkstücken ergibt sich aus der lückenlosen Darstellung geometrischer Informationen bei der Verarbeitung geome trischer Daten. Ist beispielsweise eine Transformation von Geometrien entsprechend der Flächenorientierung er forderlich, so stellt die Flächennormale eine Basisinfor mation zu dieser Transformation dar. Oftmals werden auch zur Beschreibung von Blechteilen die geometrischen Daten, d. h. die Koordinaten einer Vielzahl von Oberflächenpunk ten lediglich auf einer Seite des Bleches ermittelt. Soll nun unter Berücksichtigung der Blechstärke die Geometrie auf der anderen Blechseite beschrieben werden, so wird zu dieser Transformation die Flächennormale in den jeweili gen Oberflächenpunkten herangezogen.

Bekannt sind Meßverfahren zur kontinuierlichen Ab tastung einer Werkstückkontur mit einer Koordinatenmeßma schine, wobei ein Einheitsvektor in Richtung der Taster auslenkung bestimmt wird und der verwendete Tastkopf so gestaltet ist, daß die Antastkraft proportional zur Tasterauslenkung ist (vgl. DE 35 23 188 A1). Eine Zerle gung in einzelne Reaktionskraft-Komponenten ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.

Bekannt ist ferner aus der DE-Zeitschrift "Technisches Messen tm", 56 (1989) 2, Seiten 477 bis 481 ein Tastkopf, mit dem Kraftvektoren mittels Dehnmeßstreifen erfaßt wer den. Dieser bekannte Tastkopf ist jedoch auf ebene Tast elementauslenkungen beschränkt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Ermittlung der Flächennorma len basiert auf der meßtechnischen Erfassung von mehreren Punkten in unmittelbarer Nähe des zu untersuchenden Ober flächenpunktes. Mit diesen zusätzlich ermittelten Nach barpunkten werden Vektoren aufgespannt, deren Kreuzpro dukt eine Flächennormale ergibt. Insbesondere werden drei Nachbarpunkte zum jeweiligen Oberflächenpunkt ermittelt, wobei diese Nachbarpunkte eine Ebene definieren, deren Flächennormale mit der Flächennormalen des zu untersu chenden Oberflächenpunktes im wesentlichen übereinstimmt. Die Genauigkeit dieses Verfahrens wird jedoch durch die örtliche Krümmung im Bereich des zu untersuchenden Ober flächenpunktes beeinflußt. Insbesondere bei stark ge krümmten Flächen kann es dabei zu erheblichen Abweichun gen zwischen der tatsächlichen Flächennormalen eines Oberflächenpunktes und der auf die oben beschriebene Weise rechnerisch ermittelten Flächennormalen kommen.

Da darüber hinaus das beschriebene Verfahren äußerst zeit aufwendig ist - schließlich müssen für jeden zu ver messenden Oberflächenpunkt mehrere Nachbarpunkte ermit telt werden - hat sich die Erfindung die Aufgabe ge stellt, ein demgegenüber vereinfachtes Verfahren zur Er mittlung von Flächennormalen aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die bei der Berührung des Meßtasters mit dem jeweiligen Oberflächen punkt auftretenden Reaktionskraft-Komponenten in den je weiligen Koordinatenrichtungen durch an einer Pendel stütze des Meßtasters vorgesehene, in Koordinatenrich tung orientierte Kraft-Meßaufnehmer ermittelt und in Re lation zum Absolutbetrag der Reaktionskraft gesetzt wer den, woraus sich die koordinatenbezogenen Komponenten der Flächennormalen im Oberflächenpunkt ergeben. Aus den je weiligen Kräfteverhältnissen der bei der Berührung des Meßtasters mit dem Oberflächenpunkt auftretenden Reak tionskräfte lassen sich somit einfach die Komponenten des Flächennormalen-Vektors bestimmen.

Ermittelt werden hierzu die Reaktionskraftkomponenten in den jeweiligen Koordinatenrichtungen durch an einer Pen delstütze geeignet angebrachte Kraft-Meßaufnehmer. An Mehrkoordinaten-Meßmaschinen ist es bereits bekannt, den Meßtaster über eine Pendelstütze momentenfrei aufzuhängen und über diese Pendelstütze den Absolutbetrag der Reak tionskraft zu ermitteln. Die koordinatenbezogenen Reak tionskraft-Komponenten können nun einfach gemessen wer den, wenn die Pendelstütze des Meßtasters mit in Koordi natenrichtung orientierten Kraft-Meßaufnehmern versehen ist. Üblicherweise kommen hierfür Dehnungsmeßstreifen zum Einsatz.

Im Patentanspruch 2 der vorliegenden Erfindung ist be schrieben, wann vorteilhafterweise die Messung ausgelöst und das Anfahren des Meßtasters in Richtung des zu ver messenden Oberflächenpunktes beendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel geht aus der folgenden Erläuterung der Erfindung anhand einer Prinzipskizze hervor, die das Meß verfahren der Einfachheit halber in einer zweidimensiona len Darstellung zeigt.

Gemessen wird ein Oberflächenpunkt 1 eines Werkstückes 2, wobei neben dessen Koordinaten x, y (im dreidimensionalen Fall: x, y, z) auch dessen Flächennormale N ermittelt werden soll. Dies soll in einem einzigen Meßvorgang er folgen. Zum Einsatz kommt hierzu eine Mehrkoordinaten- Meßmaschine, von der lediglich der Meßtaster 3 sowie die den Meßtaster 3 über eine Strebe 4 tragende Pendelstütze 5 dargestellt ist. An dieser Pendelstütze 5 ist der Meß taster 3 momentenfrei aufgehängt.

Die Pendelstütze 5 ist mit nicht gezeigten Kraft-Meßauf nehmern, so beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, versehen, die in der Lage sind, die beim Auftreffen des Meßtasters 3 auf dem Oberflächenpunkt 1 auftretende Reaktionskraft F_A in den jeweiligen Koordinatenrichtungen zu ermitteln. Gemessen werden somit die Reaktionskraft-Komponenten F_x F_y, und im dreidimensionalen Fall zusätzlich F_z. Setzt man nun die einzelnen Reaktionskraft-Komponenten F_x, F_y in Bezug zum Absolutbetrag der Reaktionskraft F_A, so er geben sich hieraus die Komponenten der Flächennormalen:

Somit ist es möglich, durch einmaliges Anfahren des Meß tasters 3 an den Oberflächenpunkt 1 nicht nur dessen Ko ordinaten, sondern zugleich auch den zugehörigen Flächen normalen-Vektor N mit den Komponenten n_x, n_y, n_z zu be stimmen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch geringen Zeitaufwand und insbesondere bei stark gekrümmten Flächen durch hohe Genauigkeit aus.

Zum Auslösen des Meßvorganges werden beim Anfahren des Meßtasters 3 bevorzugt die einzelnen Reaktionskraft-Kom ponenten laufend erfaßt. Überschreitet eine dieser Kompo nenten oder deren quadrierter Wert einen vorgegebenen Schwellwert, so wird die Messung ausgelöst und die Bewe gung des Meßtasters gestoppt. Die Quadratierung der ein zelnen Reaktionskraft-Komponenten hat dabei den Vorteil, daß auch das Quadrat des Absolutbetrages der Reaktions kraft F_A herangezogen werden kann, das sich andererseits durch Aufsummieren der einzelnen quadrierten Reaktions kraft-Komponenten ergibt.

Neben den bereits erläuterten Vorteilen des erfindungsge mäßen Verfahrens, nämlich der hohen Meßgeschwindigkeit sowie der gesteigerten Genauigkeit insbesondere bei stark gekrümmten Flächen, ist dieses Verfahren vorteilhafter weise an sämtlichen Mehrkoordinaten-Meßmaschinen durch führbar. Neben den modernen CNC-Meßmaschinen können somit auch Meßmaschinen mit manueller Meßtaster-Betätigung zum Einsatz kommen.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Flächennormalen (N) an einem auf einer Mehrkoordinaten-Meßmaschine zu mes senden Werkstück (2), wobei ein Meßtaster (3) mit einem Oberflächenpunkt (1), dessen Koordinaten er mittelt werden, in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Berührung auftretenden Reaktionskraft-Komponenten (F_x, F_y, F_z) in den jeweiligen Koordinatenrichtungen durch an einer Pendelstütze (5) des Meßtasters (3) vorgese hene, in Koordinatenrichtung orientierte Kraft-Meß aufnehmer ermittelt und in Relation zum Absolutbe trag der Reaktionskraft (F_A) gesetzt werden, woraus sich die koordinatenbezogenen Komponenten (n_x, n_y, n_z) der Flächennormalen (N) im Oberflächenpunkt er geben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßauslösung er folgt, sobald eine Reaktionskraft-Komponente oder deren quadrierter Wert einen vorgegebenen Schwell wert überschreitet.