DE4132333A1 - Koordinatenmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät, insbesondere eine Verbesserung eines Antriebsmechanismus für einen gatterartigen Gleiter des Koordinatenmeßge­ räts.

Es ist bekannt, daß verschiedene Arten von Koordinatenmeßgeräten für genaue Messungen der Dimensionen und des Aufbaues eines zu messenden Gegenstandes benutzt werden.

Eines der typischen Geräte hat einen gatterartigen Gleiter, der sich auf einem dazugehörigen Tisch bewegt. Da der Gleiter auf dem Tisch zur Seite gehen kann, wird der Gegenstand leicht auf den Tisch und weg von ihm gebracht, und die Kapazität der Messung ist hoch, so daß dieser Gerätetyp gemeinhin benutzt wird.

Ein Beispiel dieses Gerätes ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

Ein Koordinatenmeßgerät 60 hat einen Tisch 61 auf dem Boden oder der Erde. Es ist mit einer Gleitervorrichtung 70 auf dem Tisch 61 versehen, auf den ein Gegenstand W, der zu messen ist, gelegt ist.

Die Gleitervorrichtung 70 wird mit einem Y-Gleiter 71 eingebaut, der wie ein Gatter geformt ist und sich in Y-Richtung bewegt, mit einem X-Gleiter 72, der sich in X-Richtung entlang des Y-Gleiters bewegt, und mit einem Z-Gleiter 74, der ein Meßelement 73 aufweist und sich in Z-Richtung durch den X-Gleiter 72 bewegt.

Der Y-Gleiter 71 ist mit zwei Säulen 71A, 71B aufgebaut und einem Balken 71C, der quer von einer zu einer anderen der Säulen 71A, 71B verläuft, um eine Gatterform aufzuweisen. An einer Seite 61A des Tisches 61 sind eine Antriebsvor­ richtung 8 zum Bewegen des Y-Gleiters 71 in Y-Richtung und ein Führungselement 85 für die Säule 71B vorgesehen. Die Antriebsvorrichtung 80 besteht aus einem Motor 81 und einer Kugelumlaufspindel 82, die mit einer Welle des Motors 81 verbunden ist und entlang eines Pfeils R gedreht wird.

Der X-Gleiter 72 und der Z-Gleiter 74 sind auch mit einer jeweiligen Antriebsvor­ richtung versehen, die nicht gezeigt ist, um sich in individuelle Richtungen X, Z zu bewegen.

Die Messung des Gegenstands W durch das Koordinatenmeßgerät 60 wird durch­ geführt wie folgt. Als erstes wird der Motor 81 betrieben, um die Kugelumlaufs­ pindel 82 entlang der R-Richtung zu drehen, was verursacht, daß sich der Y- Gleiter 71 in die Y-Richtung bewegt. Darauffolgend werden die Antriebsvorrichtun­ gen des X-Gleiters 72 und des Z-Gleiters 74 so betrieben, daß das Meßelement 73 mit dem Gegenstand W in Kontakt tritt, um die Dimensionen oder Spuren bzw. Umrisse der äußeren Oberfläche des Objekts W zu erhalten, um die Form zu erhalten.

Es ist wohl bekannt, daß ein Schwerkraftzentrum für den Gleiter 70 bei dem Koordinatenmeßgerät 60 um einen Punkt liegt, der in den Fig. 4 und 5 mit "G" bezeichnet ist.

Ein Trägheitsmoment I des Schwerkraftzentrums G kann durch eine Formel I = α ML definiert werden; wobei M ein Gewicht des Gleiters 70 ist, α eine Be­ schleunigung des Gleiters 70 ist, der sich in die Y-Richtung bewegt, und L eine Entfernung von dem Schwerkraftzentrum G zu der Antriebsvorrichtung 80 ist. Übrigens ist die Entfernung L ziemlich lang, so daß das Trägheitsmoment I im Verhältnis dazu groß wird.

Daher veranlaßt eine solche große Trägheit I, daß der Y-Gleiter 71 sich neigt, hin und her schwingt und vibriert, wann immer der Y-Gleiter sich bewegt, so daß die Meßgenauigkeit für die Konfiguration des Gegenstands verloren wird.

Man kann die Beschleunigung α des Y-Gleiters 71 verringern, um die Trägheit I zu minimieren, aber dies ist nicht vorzuziehen für eine schnelle Messung. Anderer­ seits kann die Trägheit I durch Verringern des Gewichts des Gleiters 70 minimiert werden, aber dies ist nicht vorzuziehen zum Beibehalten genügender Zugstärke.

Dann wird erwogen, die Entfernung L kurz zu machen, und zwar durch Plazieren der Antriebsvorrichtung 80 nahe dem Schwerkraftzentrum. Aber es ist notwendig, daß die Antriebsvorrichtung 80, die den Motor 81, ein Lager und dergleichen aufweist, bei einer speziellen Lagerung über die ganze Y-Richtung des Tisches 61 vorgesehen ist. Die spezielle Lagerung für die Antriebsvorrichtung 80 ist ein Hindernis für ein freies Legen des Gegenstands W auf den Tisch 61 und ein freies Wegnehmen davon, was ein Nachteil des herkömmlichen gatterartigen Koordinaten­ meßgeräts bezüglich des Preises und Raumes ist.

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist es, ein Koordinatenmeßgerät zu schaffen, das nicht durch Trägheit beeinflußt wird und eine genaue Messung durchführt, während einige Vorteile des herkömmlichen Koordinatenmeßgeräts beibehalten werden.

Die genannte Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß sich die Antriebsvor­ richtung dem Schwerkraftzentrum des Gleiters bis zu einem gewissen Grade nähert.

Das erfundene Koordinatenmeßgerät hat eine gatterartige Gleitervorrichtung, die ein paar Säulen in einem parallelen Zustand zueinander enthält, und einen Balken, der quer von einer Säule zu einer anderen verläuft, wobei der gatterartige Gleiter in bezug auf einen Tisch beweglich ist, so daß das Koordinatenmeßgerät Dimensionen und einen Aufbau eines Objekts, das zu messen ist, unter Verwendung eines Meß­ elements messen kann, das an der Gleitervorrichtung angebracht ist. Das Koor­ dinatenmeßgerät weist mindestens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Gleitervorrichtung in Verbindung mit der Säule auf, wobei die Antriebseinrichtung oberhalb des Tisches und unterhalb des Schwerkraftzentrums in der Gleitervor­ richtung ist.

Die Antriebseinrichtung kann eine Kugelumlaufspindel und ein Schraubenmutter­ element enthalten, das an der Säule vorgesehen ist. Die Kugelumlaufspindel ist in einem Zustand, der durch die Formel 1/6Hh 5/6H definiert ist; wobei "H" eine Entfernung von der Oberfläche des Tisches zu dem oberen Ende des Y- Gleiters ist, und "h" eine Entfernung von der Oberfläche des Tisches zu der Zentralachse der Kugelumlaufspindel ist. Vorzugsweise ist die Formel aber durch 1/4Hh3/4H definiert.

Die sich bewegende Einrichtung kann mit der Säule durch eine exzentrische Vorrichtung, die keine Bewegung überträgt, verbunden sein. Die exzentrische Vorrichtung, die keine Bewegung überträgt, besteht aus einem Paar Kugeln und Längensteuerelementen, so daß das Schraubenmutterelement und der Y-Gleiter die Positionsbeziehung zu der Kugelumlaufspindel in horizontaler Richtung halten, sie aber zu der Richtung ändern können, die rechtwinklig zu der Achse der Kugel­ umlaufspindel ist.

Die Antriebseinrichtung kann bei beiden Säulen vorgesehen sein, um sich gegen­ seitig zu synchronisieren. Die zwei Säulen sind gleich groß. Der Gleiter kann einen einstückigen Aufbau eines Säulenpaars und des Balken haben, der quer zwischen ihnen verläuft.

Beim Messen des zu messenden Objekts bzw. Gegenstands wird die Gleitervor­ richtung durch Inbetriebnahme der Antriebseinrichtung versetzt, die mit dem Meßelement in Kontakt gelangt, das an der Gleitervorrichtung angebracht ist, und zwar mit mehreren Punkten an dem Objekt, und dann werden die gemessenen Daten zu einer Verarbeitungsvorrichtung, beispielsweise einem Computer, gesendet, um das Meßergebnis zu erhalten. Das Antreiben der Gleitervorrichtung wird oberhalb des Tisches und unterhalb des Schwerkraftzentrums der Gleitervorrichtung durchgeführt, so daß die Gleitervorrichtung sich nicht neigt und nicht vibriert, wie beim Stand der Technik, sondern sich gerade bewegt, um dadurch eine genaue Messung der Dimensionen und des Aufbaus des Objekts W durchzuführen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel des Koor­ dinatenmeßgeräts der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen wesentlichen Abschnitt einer Antriebsvorrichtung des Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht, die einen wesentlichen Ab­ schnitt einer exzentrischen Vorrichtung, die keine Bewegung überträgt, zeigt;

Fig. 4 eine Vorderansicht, die ein herkömmliches Beispiel zeigt; und

Fig. 5 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Beispiels.

Das folgende ist eine Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

In Fig. 1 ist ein Koordinatenmeßgerät des Ausführungsbeispiels mit 10 bezeichnet. Das Gerät 10 hat einen Tisch 11, der auf dem Boden liegt, worauf ein zu messen­ des Objekt W montiert werden kann; im allgemeinen auf dem zentralen Abschnitt. Entlang einer Längsseite an dem Tisch 11 ist eine Führungsschiene 12 vorgesehen. Die Führungsschiene 12 wird verwendet, um eine Gleitervorrichtung 20 zu führen, die nachfolgend im einzelnen erläutert wird.

Die Gleitervorrichtung 20 hat einen Y-Gleiter 21, der gegenüber der Richtung beweglich ist, die bei diesem Gerät 10 mit "Y" bezeichnet ist. Der Y-Gleiter 21 kann sich entlang der Führungsschiene 12 über ein Luftlager bewegen und ist aufgebaut mit einem Stützelement 22, das auf der Führungsschiene 12 entlang der Y-Richtung gleitet, wobei eine prismatische Säule 23 auf dem Stützelement 22 steht, eine weitere prismatische Säule 24 auf dem Tisch 11 und parallel zu der Säule 23 ist, und ein Balken 25 quer von einem oberen Abschnitt der Säule 23 zu dem der Säule 24 verläuft.

Auf dem Balken 25 des Y-Gleiters 21 ist ein X-Gleiter 31 vorgesehen, der mit einer Antriebsvorrichtung für den Versatz entlang der Richtung ausgestattet ist, die in der Zeichnung mit "X" bezeichnet ist. Dieser X-Gleiter 31 enthält darin einen Z-Gleiter 32, der eine nicht gezeigte Antriebsvorrichtung aufweist und sich zu der Richtung bewegen kann, die in der Zeichnung mit "Z" bezeichnet ist. Der Z- Gleiter 32 hält entfernbar ein Meßelement 33 an seinen unteren Endabschnitt. Der X-Gleiter 31 und der Z-Gleiter 32 sind jeweils mit nicht gezeigten Luftlagern versehen. In der einen Säule 23 der Gleitervorrichtung 20 ist ein Loch 26 vor­ gesehen. Das Loch 26 hat ein Schraubenmutterelement 27, das an der Mittellinie davon ausgerichtet ist und teilweise von der Säule 23 vorsteht, nachdem es in das Loch 26 eingesetzt ist.

Nahe der Führungsschiene 12 auf dem Tisch 11 ist eine Antriebsvorrichtung 40 vorgesehen, um die Gleitervorrichtung 20 in Y-Richtung zu bewegen. Die Antriebs­ vorrichtung 40 ist mit einem Kasten 41 auf dem Tisch 11 angebracht, der in Fig. 2 gezeigt ist. Der Kasten 41 enthält darin ein Drehelement 42, das eine Zeit­ abstimmungsriemenscheibe aufweist. Eine Drehwelle 43 des Drehelements 42 ist mit einer Antriebswelle 46 eines Motors 45 über eine Kopplung 44 verbunden.

An dem Kasten 41 ist ein Lagerelement 47 vorgesehen. Das Lagerelement 47 ist zum Stützen einer Seite einer Kugelumlaufspindel 48 vorgesehen, die sich in die Richtung dreht, die mit "R" bezeichnet ist. An einem Endabschnitt in der Welle 49 der Kugelumlaufspindel 48 ist ein Drehelement 51 mit einer Zeitabstimmungs­ riemenscheibe vorgesehen. Das Drehelement 51 und das schon erwähnte Dreh­ element 42 sind durch einen Zeitabstimmungsriemen 52 miteinander verbunden. Daher werden, wenn der Motor 45 betrieben wird, die Kugelumlaufspindel 48 in die R-Richtung über die Kopplung 44 gedreht, das Drehelement 42, der Zeit­ abstimmungsriemen 52 und das Drehelement 51, und zwar in dieser Reihenfolge.

Die Kugelumlaufspindel 48 steht mit dem Schraubenmutterelement 27 in Beziehung, das in der Säule 23 an ihrem Weg vorgesehen ist, und wird durch eine Montage­ platte 54 auf dem Tisch 11 über ein Lager 53 an ihrem anderen Endabschnitt gestützt. Demgemäß wird, wenn die Kugelumlaufspindel 48 gedreht wird, die Säule 23 oder die Gleitervorrichtung 20 in die Y-Richtung über das Schraubenmutter­ element 27 hin- und herbewegt. Übrigens ist die Antriebsvorrichtung 40 mit der Gleitervorrichtung 20 über die Kugelumlaufspindel 48 und das Schraubenmutter­ element 27 an einer oberen Seite des Tisches 11 und an einer niedrigeren Position als dem Schwerkraftzentrum G der Gleitervorrichtung 20 angeordnet. Das Schwer­ kraftzentrum G des Koordinatenmeßgeräts 10 dieses Ausführungsbeispiels ist ziemlich nahe der Antriebsvorrichtung 40.

Wenn die Entfernung von der Oberfläche des Tisches 11 zu dem oberen Ende des Y-Gleiters 21 durch "H" beschrieben ist, kann die Entfernung "h" von der Ober­ fläche des Tisches 11 zu der Zentralachse der Kugelumlaufspindel 48 in der Antriebsvorrichtung 40 durch die Formel 1/6Hh5/6H, vorzugsweise 1/4H h3/4H oder h=3/10H, definiert werden. Das beruht darauf, daß, wenn die Entfernung h kleiner als 1/6H ist, die Trägheit nicht klein sein würde, und zwar auf Grund der kurzen Entfernung von dem Tisch 11. Wenn die Entfernung h größer als 5/6H ist, würde der Y-Gleiter nicht ruhig gleiten, da die Entfernung der Gleitoberfläche zwischen dem Y-Gleiter und der Führungsschiene 12 zu der Zentralachse der Kugelumlaufspindel 48 zu lang wird.

Wenn das Gewicht der Gleitervorrichtung 20 durch "M" beschrieben ist, die Beschleunigung der Gleitervorrichtung durch "α" bezeichnet ist, und die Entfernung von dem Schwerkraftzentrum G zu der Zentralachse der Kugelumlaufspindel 48 in der Antriebsvorrichtung 40 durch L1 bezeichnet ist, kann die Trägheit I in der Gleitervorrichtung 20, wenn sie bewegt wird, durch die Formel I=αML1 definiert werden.

In den Fig. 2 und 3 ist eine exzentrische Vorrichtung 28, die keine Bewegung überträgt, für die Kugelumlaufspindel 48 zwischen dem Schraubenmutterelement 27 und der Säule 23 des Y-Gleiters 21 angeordnet. Die exzentrische Vorrichtung 28, die keine Bewegung überträgt, besteht aus einem Paar Kugeln 28A und Längen­ steuerelementen 28B und hat eine Funktion, daß das Schraubenmutterelement 27 und der Y-Gleiter 21 die Positionsbeziehung zu der Kugelumlaufspindel 38 horizon­ tal halten, sie aber zu der Richtung ändern können, die rechtwinklig zu der Achse der Kugelumlaufspindel 48 ist. Daher würde, sogar wenn die Kugelumlaufspindel 48 exzentrisch oder verbogen ist, der Y-Gleiter 21 nicht beeinflußt werden, sondern gezwungen werden, sich in die Y-Richtung zu bewegen.

Ein Drehkodierer 55 ist zwischen der Welle 49, der Kugelumlaufspindel 48 und dem Lagerelement 47 vorgesehen, und erfaßt einen Drehwinkel der Kugelumlauf­ spindel 48 oder einen Versatzwert des Y-Gleiters 21. Die Ausgabe von dem Drehkodierer 55 wird, wenn notwendig, zum Steuern des Motors 55 benutzt, und zwar über eine nicht gezeigte Steuervorrichtung.

Das Koordinatenmeßgerät 10 dieses Ausführungsbeispiels ist grundsätzlich aufgebaut, wie es oben erklärt ist. Der Betrieb des Geräts 10 wird im folgenden beschrieben.

Als erstes würde, wenn der Motor 55 betrieben wird, seine Leistung zu der Kugelumlaufspindel 48 übertragen werden, und zwar über die Kopplung 44, das Drehelement 42, den Zeitabstimmungsriemen 52 und das Drehelement 51, und zwar zu gegebener Zeit. Da die Kugelumlaufspindel 48 in jede Richtung des Pfeils R gedreht wird, werden das Schraubenmutterelement 27, das mit der Kugelumlauf­ spindel 48 gekoppelt ist, und auch der Y-Gleiter 21 in jede Richtung des Pfeils Y bewegt.

Nachfolgend werden der X-Gleiter 31 und der Z-Gleiter 32 gesteuert um das Meßelement 33 zu dem nicht gezeigten Anfangspunkt zur Messung zu tragen, um eine Nullabstimmung durchzuführen. Das abgestimmte Meßelement 33 wird dann benutzt, um mit der äußeren Oberfläche des Objekts W in Kontakt zu treten und ihr nachzufolgen, um die Dimensionen und den Aufbau des Objekts W zu messen.

Folgende Effekte können durch dieses Ausführungsbeispiel erhalten werden.

Die Antriebsvorrichtung 40 zum Versetzen des Y-Gleiters 21 ist oberhalb des Tisches 11 vorgesehen, aber unterhalb des Schwerkraftzentrums G, so daß die Entfernung L1 von dem Schwerkraftzentrum zu der Antriebsvorrichtung 40 ungefähr die Hälfte der Länge bei dem herkömmlichen Gerät beträgt. Daher kann die Trägheit I des Y-Gleiters 21 beim Bewegen minimiert werden. Der Y-Gleiter 21 neigt sich nicht, schwenkt nicht hin und her und vibriert nicht, wie beim Stand der Technik, sondern bewegt sich gerade, um dadurch eine genaue Messung der Dimensionen und des Aufbaus des Objekts W durchzuführen.

Da die Antriebsvorrichtung 40 nicht in der Nähe des Schwerkraftzentrums G vorgesehen ist, sollte es, wann immer die Gleitervorrichtung 20 neben den Motor 45 auf den Tisch 11 geschoben wird, leicht sein, das Objekt W auf den Tisch 11 zu stellen und davon weg zu nehmen, genau wie bei dem herkömmlichen gatter­ artigen Koordinatenmeßgerät.

Oben ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrie­ ben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch angeordnet und abgeändert sein, während die Hauptsache beibehalten wird.

Beispielsweise kann die erläuterte Antriebsvorrichtung 40 nur für eine Säule 23 des Y-Gleiters 21 vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, die gleichen Antriebsvor­ richtungen 40 für beide Säulen 23, 24 vorzusehen, um sie miteinander zu syn­ chronisieren, wenn das Gerät groß ist.

Die Größe der Säule 23 muß nicht immer notwendigerweise größer als jene der Säule 24 sein, sondern die Säulen können auch gleich groß sein.

Der Y-Gleiter 21 bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist mit einem Paar von Säulen 23, 24 und dem Balken 25 aufgebaut, kann andererseits aber eine ein­ stückige Konstruktion sein.

Wie erwähnt worden ist, sind einige Vorteile des herkömmlichen gatterartigen Koordinatenmeßgeräts nicht beeinträchtigt und die Spannung der Gleitervorrichtung kann minimiert werden, so daß die präzise Messung durchgeführt wird.

Claims (9)

1. Koordinatenmeßgerät mit einer gatterartigen Gleitervorrichtung, die ein Paar Säulen in einem parallelen Zustand zueinander und einem Balken enthält, der quer von einer Säule zu einer anderen verläuft, wobei der gatterartige Gleiter in bezug auf einen Tisch beweglich ist, so daß das Koordinatenmeßgerät Dimensionen und einen Aufbau eines zu messenden Objekts unter Verwendung eines Meßelements messen kann, das an der Gleitervorrichtung angebracht ist; wobei das Koordinatenmeßgerät mindestens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Gleitervorrichtung in Verbindung mit der Säule aufweist, wobei die Antriebseinrichtung oberhalb des Tisches und unterhalb des Schwerkraftzen­ trums der Gleitervorrichtung ist.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinrichtung eine Kugelumlaufspindel enthält, und ein Schraubenelement, das an der Säule vorgesehen ist.

3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2, wobei die Kugelumlaufspindel in einem Zustand ist, der durch die Formel 1/6Hh5/6H definiert ist; wobei "H" eine Entfernung von der Oberfläche des Tisches zu dem oberen Ende des Y- Gleiters ist, und "h" eine Entfernung von der Oberfläche des Tisches zu der Zentralachse der Kugelumlaufspindel ist.

4. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 3, wobei die Formel vorzugsweise durch 1/4Hh3/4H definiert ist.

5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die sich bewegende Einrichtung mit der Säule durch eine exzentrische Vorrichtung, die keine Bewegung überträgt, verbunden ist.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei die exzentrische Vorrichtung, die keine Bewegung überträgt, aus einem Paar Kugeln und Längensteuerelementen besteht, so daß das Schraubenmutterelement und der Y-Gleiter die Positions­ beziehung zu der Kugelumlaufspindel horizontal halten, sie aber in der Rich­ tung ändern können, die rechtwinklig zu der Achse der Kugelumlaufspindel ist.

7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinrichtung an beiden Säulen vorgesehen ist, um miteinander zu synchronisieren.

8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die zwei Säulen gleich groß sind.

9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei der Gleiter einen einstückigen Aufbau eines Paars der Säulen und des Balkens aufweist, der quer zwischen ihnen verläuft.