DE19514815A1 - Meßeinrichtung mit einem auf einer Führungseinheit entlang eines Maßstabs verfahrbaren Meßkopf und mit einem Taster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinaten-Meßeinrichtung mit einem auf einer Führungseinheit entlang eines Maßstabs auf einem Schlitten verfahrbaren Meßkopf und mit einem Taster zum Vermessen eines Werkstückes.

Neue industrielle Fertigungsverfahren und damit verbundene höhere Anforderungen an die Fertigungsmeßtechnik haben dazu geführt, daß auch die Koordinaten-Meßgeräte immer stärker in den Bereich der Fertigung einbezogen werden. Auf der Grundlage eines photogrammetrischen Meßprinzips ist eine neue Meßtechnik entwickelt worden, die es erlaubt, Präzisionsmessungen auch außerhalb eines Feinmeßraumes vorzunehmen.

Diese Meßtechnik ist in der DE 39 09 856 C2 beschrieben. Grundlage der neuen Methode für die Wegmessung ist ein photogrammetrisches Meßprinzip, das die simultane Erfassung von zwei Koordinaten durch einen Meßaufnehmer gestattet, wobei die Qualität der Meßwerte nicht von der Präzision der Führungsbahn des Meßaufnehmers abhängt.

Die bekannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Längenmaßstab und einer Meßkamera. Während des Meßvorgangs werden die Markierungen des Maßstabes über eine Optik auf eine CCD-Zeile projiziert. Aus den Meßsignalen werden Lage und Höhe des Projektionszentrums der Meßkamera über dem Maßstab mit Hilfe eines Rechners bestimmt. Diese Lage- und Höhenbestimmungen erfolgen für jeden Meßzeitpunkt gleichzeitig. Durch eine spezielle Codierung der Maßstabslinien wird weiterhin erreicht, daß die Lagekoordinate absolut bestimmt wird. Eine mögliche Fehlerfortpflanzung ist damit ausgeschlossen. Mit diesem Meßprinzip ist es bereits möglich, ein Meßsystem mit einem Absolutmaßstab zu schaffen, das gleichzeitig eine Koordinate in Maßstabslängsrichtung und eine Koordinate rechtwinklig zur Maßstabsoberfläche liefert. Durch die simultane Erfassung der zweiten Koordinate ist es möglich, mit Hilfe eines Rechners z. B. Ungenauigkeiten und Verschleiß von Führungen zu erfassen. Damit wird die Genauigkeit von Meß- und Fertigungsmaschinen von der Qualität der mechanischen Führungen unabhängig. Dermaßen ausgerüstete Maschinen sind in der Lage, eigene Fehler zu kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere auch die Präzision der Messungen mittels der vorstehend beschriebenen Meßsysteme nochmals zu steigern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dadurch, daß der Taster an einem Schwenkkörper befestigt ist, der um einen Drehpunkt verschwenkbar an einem auf der Führungseinheit verfahrbaren Schlitten angeordnet ist, daß an dem Schwenkkörper beidseitig des Drehpunktes dem Maßstab zugeordnete Meßköpfe in Abstand zum Maßstab und zum Drehpunkt angeordnet sind, derart, daß beim Messen der Schwenkkörper parallel zum Maßstab verschoben wird, wobei zur groben Positionierung eine Koordinate als Maß in Maßstabslängsrichtung erfaßt und ausgewertet und nach einem Anlegen des Tasters an die Oberfläche des Werkstücks ein Verschwenken des Schwenkkörpers um seinen Drehpunkt erfolgt und zur Feinpositionierung eine Koordinate rechtwinklig zur Oberfläche des Maßstabs als Maß für den Abstand der Meßköpfe vom Maßstab erfaßt und ausgewertet wird, wurde nunmehr erreicht, daß zusätzlich die Schwenkbewegung des Tasters, d. h. des Schwenkkörpers, zur Feinpositionierung erfaßt und ausgewertet werden kann.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß durch die Anordnung in der Regel zweier Meßköpfe an zwei durch den Taster verschwenkbaren Hebelarmen, entsprechend der Auslenkbewegung des Tasters, eine relativ große, zusätzlich sehr exakt meßbare Abstandsveränderung erzielbar ist. Durch eine Anordnung langer Hebelarme ist eine fast beliebig vergrößerbare, vom Meßweg direkt abhängige Abstandsänderung erzielbar, die es ermöglicht, die Präzision der Messungen unter Einsatz einfachster Mittel fast beliebig zu steigern.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Meßköpfe als Meßkameras ausgebildet sind, in denen definierte Markierungen des Maßstabes mit Hilfe eines optischen Systems auf eine von einer CCD-Zeile gebildete Bildebene projiziert und aus den Meßsignalen die Lage und die Höhe des Projektionszentrums der Meßkameras mit Hilfe eines Rechners bestimmt werden. In diesem Fall lassen sich die bereits genannten Vorteile eines derartigen Meßsystems zusätzlich voll nutzen.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, daß an dem Schwenkkörper wenigstens eine Feder angreift, deren Rückstellkraft einstellbar ist und die eine Einstellung einer definierten Meßkraft ermöglicht. Eine derartig definierte Meßkraft ermöglicht es, die Anpressung des Tasters der Meßeinrichtung an ein zu vermessendes Werkstück sehr genau an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Insbesondere ist es somit möglich, die Anpressung zu eichen und somit reproduzierbare Meßergebnisse unter stets gleichen Bedingungen zu erhalten. Insgesamt führt auch diese Maßnahme nochmals zu einer Steigerung der Präzision der Messungen.

Zur Anpassung an die Abmessungen der zu vermessenden Werkstücke und zur Auswahl der erforderlichen Meßpunkte kann es zusätzlich vorgesehen sein, daß an der Führungseinheit beidseitig Vertikalantriebe zur Verstellung der Meßposition des Tasters rechtwinklig zur Meßebene vorgesehen sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, daß das zu vermessende Werkstück auf einem Drehtisch mittels Unterdruck befestigt ist. Der Drehtisch ist insbesondere dann von Vorteil, sofern Rotationskörper in unterschiedlichen Richtungen vermessen werden sollen. Die Unterdruck-Befestigung stellt insbesondere auch eine schnelle und verspannungsfreie Befestigung sicher.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, eine Koordinaten-Meßeinrichtung in der Seitenansicht;

Fig. 2, eine vergrößerte schematische Darstellung des Schwenkkörpers mit den Meßköpfen und des Maßstabs.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Koordinaten-Meßeinrichtung 1, mit einem an einem Schwenkkörper 2 befestigten Taster 3. Der Schwenkkörper 2 mit dem Taster 3 ist um einem Drehpunkt 4 verschwenkbar an einem auf einer Führungseinheit 5 verfahrbaren Schlitten 6 angeordnet. An dem Schwenkkörper 2 sind beidseitig des Drehpunktes 4 einem Maßstab 7 zugeordnete Meßköpfe 8 in Abstand zum Maßstab 7 und zum Drehpunkt 4 angeordnet. Der Maßstab 7 ist am Gehäuse 16 der Koordinaten-Meßeinrichtung 1 befestigt. Beidseitig des Tasters 3 greifen zwei Federn 9 an, deren auf den Taster 3 einwirkende Federkraft mittels Stellglieder 10 einstellbar ist.

Im Bereich des Tasters 3 ist auf einem Drehtisch 11 ein Werkstück 12 mit zu vermessenden Flächen 15 im Innern eines Hohlzylinders angeordnet. Das Werkstück 12 ist mittels Unterdruck auf dem Drehtisch 11 verspannt. An der Führungseinheit 5 sind im übrigen beidseitig Pneumatikzylinder 13 zur Unterstützung eines Vertikalantriebs 14 angeordnet, über den eine Verstellung der Meßposition des Tasters 3 rechtwinklig zur Meßebene am Werkstück 12 erfolgt. Die Pneumatikzylinder 13 bewirken eine Dämpfung der Stellbewegung und ermöglichen somit eine ruckfreie Verstellung.

Die Meßköpfe 8 sind als Meßkameras ausgebildet, in denen definierte Markierungen des Maßstabes 7 mit Hilfe eines optischen Systems auf eine von einer CCD-Zeile gebildete Bildebene projiziert werden. Aus den Meßsignalen wird die Lage und die Höhe des Projektionszentrums der Meßköpfe 8 mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht dargestellten Rechners bestimmt. In die Fig. 2 sind die für die Messung von den Meßköpfen 8 erfaßbaren Koordinaten X₁, X₂ und Z₁, Z₂ eingezeichnet, mit denen die Lage und Höhe des Projektionszentrums der hier als Meßköpfe 8 eingesetzten Meßkameras ermittelt wird. Der Abstand zwischen dem Drehpunkt 4 und einem während der Feinmessung an der zu vermessenden Fläche 15 des Werkstücks 12 anliegenden Abtaster 17 des Tasters 3, ist mit L bezeichnet.

Vor der Durchführung einer Messung wird mittels der Stellglieder 10 die auf den Taster 3 einwirkende Kraft der Federn 9 eingestellt. Es ist somit die Meßkraft einstellbar, mit der der Taster 3 während der Feinpositionierung an den zu vermessenden Flächen 15 des Werkstücks 12 anliegt. Sodann wird der Taster 3 mittels des an der Führungseinheit angreifenden Vertikalantriebs 14 in die am Werkstück 12 zu vermessende Ebene bewegt. Es erfolgt dann durch ein Verfahren des Schlittens 6 auf der Führungseinheit 5 die Anlage des Tasters 3 an die zu vermessenden Flächen 15 im Innern des Werkstücks 12. Hierdurch wird beim Überschreiten der Meßkraft der Taster 3, zusammen mit seinem Schwenkkörper 2 und den dort angeordneten Meßköpfen 8, um seinen Drehpunkt 4 verschwenkt. Hieraus ergibt sich in diesem Meßbereich bereits bei einer geringen Verschiebung des Schwenkkörpers 2 in Richtung der X-Koordinate, d. h. parallel zum Maßstab 7, eine relativ große Abstandsänderung der Meßköpfe 8 zum Maßstab 7 in Richtung der Z-Koordinaten. Diese Abstandsänderung ist zusätzlich zu der Bewegung in Richtung der X-Koordinate sehr präzise erfaßbar. Mit zunehmendem Abstand der Meßköpfe 8 zum Drehpunkt 4 vergrößert sich die Abstandsänderung relativ zum Schwenkwinkel des Tasters 3, so daß die Präzision der Messung mit sehr einfachen Mitteln weiter gesteigert werden kann.

Die jeweilige Position wird von den Meßköpfen 8 ermittelt, indem die X- und Z-Koordinaten erfaßt und nach folgender Formel ausgewertet werden:

X = (X₁ + X₂)/2 + L×(Z₂ - Z₁)/(X₂ - X₁).

Während der sich anschließenden Meßbewegung des Tasters 3 an die entgegengesetzte, zu messende Fläche 15 des Werkstückes 12 erfolgt vorzugsweise eine Auswertung der X- Koordinaten, wobei eine grobe Positionierung durchaus ausreichend ist. Durch die ständige, zusätzliche simultane Erfassung der Z-Koordinaten ist es jedoch stets möglich, mit Hilfe des Rechners auch z. B. topographische Ungenauigkeiten des Maßstabs 7 in seiner Geradheit und das Spiel bzw. den Verschleiß in den Führungen zu erfassen. Damit wird die Genauigkeit der Meßeinrichtung von der Qualität der mechanischen Führungen unabhängig. Dermaßen ausgerüstete Maschinen sind dazu in der Lage, eigene Fehler zu kompensieren.

Sobald der Taster 3 mit seinem Abtaster 17 erneut gegen eine zu messende Fläche 15 des Werkstückes 12 gefahren wird, so wiederholt sich der bereits beschriebene Vorgang der Feinpositionierung. In der erfindungsgemäßen Koordinaten-Meßeinrichtung 1 ist es möglich, alle Arten von Meßköpfen 8 einzusetzen, sofern diese dazu in der Lage sind, Verschiebungen parallel zum Maßstab 7 und/oder Abstandsänderungen zum Maßstab 7 zu messen.

Claims (5)

1. Koordinaten-Meßeinrichtung (1) mit einem auf einer Führungseinheit (5) entlang eines Maßstabs (7) auf einem Schlitten (6) verfahrbaren Meßkopf (8) und mit einem Taster, (3) zum Vermessen eines Werkstückes (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (3) an einem Schwenkkörper (2) befestigt ist, der um einen Drehpunkt (4) verschwenkbar an einem auf der Führungseinheit (5) verfahrbaren Schlitten (6) angeordnet ist, daß an dem Schwenkkörper (2) beidseitig des Drehpunktes (4) dem Maßstab (7) zugeordnete Meßköpfe (8) in Abstand zum Maßstab (7) und zum Drehpunkt (4) angeordnet sind, derart, daß beim Messen der Schwenkkörper (2) parallel zum Maßstab verschoben wird, wobei zur groben Positionierung eine Koordinate als Maß in Längsrichtung des Maßstabs (7) erfaßt und ausgewertet und nach einem Anlegen des Tasters (3) an die Oberfläche des Werkstücks (12) ein Verschwenken des Schwenkkörpers (2) um seinen Drehpunkt (4) erfolgt und zur Feinpositionierung eine Koordinate rechtwinklig zur Oberfläche des Maßstabs (7) als Maß für den Abstand der Meßköpfe (8) vom Maßstab (7) erfaßt und ausgewertet wird.

2. Koordinaten-Meßeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe (8) als Meßkameras ausgebildet sind, in denen definierte Markierungen des Maßstabes (7) mit Hilfe eines optischen Systems auf eine von einer CCD-Zeile gebildete Bildebene projiziert und aus den Meßsignalen die Lage und die Höhe des Projektionszentrums der Meßköpfe (8) mit Hilfe eines Rechners bestimmt werden.

3. Koordinaten-Meßeinrichtung (1) nach Anspruch 1 und gegebenenfalls Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Taster (3) wenigstens eine Feder (9) angreift, deren Rückstellkraft einstellbar ist und die eine Einstellung einer definierten Meßkraft ermöglicht.

4. Koordinaten-Meßeinrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Führungseinheit (5) beidseitig Vertikalantriebe (14) zur vertikalen Verstellung der Meßposition des Tasters (3) rechtwinklig zur Meßebene vorgesehen sind.

5. Koordinaten-Meßeinrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vermessende Werkstück (12) auf einem Drehtisch (11) mittels Unterdruck befestigt ist.