WO1988009478A1 - Co-ordinate measuring instrument - Google Patents

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WO1988009478A1
WO1988009478A1 PCT/EP1988/000450 EP8800450W WO8809478A1 WO 1988009478 A1 WO1988009478 A1 WO 1988009478A1 EP 8800450 W EP8800450 W EP 8800450W WO 8809478 A1 WO8809478 A1 WO 8809478A1
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WO
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carrier
measuring device
coordinate measuring
probe
coordinate
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Application number
PCT/EP1988/000450
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English (en)
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Inventor
Klaus Herzog
Original Assignee
Carl-Zeiss-Stiftung Handelnd Als Carl Zeiss
Carl Zeiss
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Priority to EP91110737A priority patent/EP0456276B1/de
Priority to DE3854200T priority patent/DE3854200D1/de
Priority to DE8888115813T priority patent/DE3868056D1/de
Priority to EP88115813A priority patent/EP0342267B1/de
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/004—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
    • G01B5/008—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the coordinate values of a probe element and to a coordinate measuring machine based on this method.
  • the first guide Since the first guide must each bear the weight of the further guides built on it, a stable training for the guides is required to achieve a sufficiently high measuring accuracy, which prevents deformations during the measuring process. Coordinate measuring machines are therefore expensive and complex precision instruments.
  • Coordinate measuring devices are also known which do not measure in a faxsi coordinate system, but in spherical or cylindrical coordinates.
  • a coordinate measuring device is described in GB-PS 14 98 009, in which the probe is held movably by means of three joints arranged one behind the other. The location of the probe is detected the joints arranged encoders in this apparatus with the aid of in '.
  • a similarly constructed coordinate measuring machine is known from US-PS 42 40 205. With this device is the Probe attached to a vertically movable quill, which in turn is guided on three joints with a vertically arranged axis of rotation in one plane. The position of the quill in the plane is measured using a scale and a rotary encoder.
  • height measuring devices consist of a carrier which can be freely moved manually in one plane and on which a length measuring probe is guided so as to be vertically displaceable. With the scale assigned to the guide, only the heights of the button above the level can be measured at various points above the level and brought into relation. The position of the height measuring device in this plane is not recorded. In addition, the probe of a height measuring device can only be deflected along the vertical, if at all.
  • From DE-OS 32 05 362 and DE-OS 36 29 689 coordinate measuring devices are known on the basis of a probe guided by hand or by a robot over the workpiece to be measured, which is appropriate from different directions with the help of laser rangefinders becomes.
  • these devices have the disadvantage that the angular alignment of the key element can be determined only with great effort and even then not in every position in the measuring room.
  • the workpiece to be measured cannot be easily bypassed with the probe element, since at least some of the measuring beams would then be interrupted.
  • the solution according to the invention has several advantages:
  • the support of the probe is supported on a flat guide plate and can be moved there manually or by motor. It is therefore possible to determine the position of this support in the plane with an articulated arm and associated measuring systems noticeable who has no weight to bear.
  • the articulated arm ⁇ is simply hinged at one end to the guide plate and at the other end on the carrier and can also ⁇ example as support itself on additional air bearing on the guide plate. There are therefore no large-sized axes of rotation or counterweights required, so that the entire arrangement has a low mass and can be moved easily. Since the articulated arm itself does not have to bear any loads, there are no bends in the articulated arm, which benefits the measuring accuracy of the device.
  • the device can also be rotated in the plane, so that a multitude of measuring tasks can also be carried out without a rotary table for the workpiece.
  • the construction according to the invention makes it possible to create coordinate measuring machines in a compact and simplified design with good accessibility to the measuring space.
  • the articulated arm or arms with which the carrier is fastened to the guide plate can be designed in different ways. For example, it is possible to use an articulated arm made up of three axes of rotation or an articulated arm made up of two axes of rotation and a pull-out of variable length, or even to provide two articulated arms.
  • the position of the carrier in the plane can easily be determined by means of angle sensors assigned to the axes of rotation or to scales assigned to the extracts of variable length. In this case, the exact coordinate values are calculated from the signals of the sensors by means of an electronic computer connected to them.
  • the articulated arm or arms are articulated at the upper end of the carrier, where they cannot collide with the workpieces built up on the flat guide plate.
  • the carrier can then be freely guided around the workpiece through 360 °, so that a separate turntable is unnecessary for the workpiece.
  • a particular advantage here is when the distance between the vertical axis of rotation on which the articulated arms are articulated and the probe ball is as small as possible. Because this distance is the smaller, the more accurate the angle measuring system used for measuring this rotational angle ⁇ may be or is then no particularly high resolution required for the angle encoder.
  • the carrier expediently has an approximately C-shaped shape in that a slim column is built on a base plate with a larger cross-section. At the upper end the column has an arm protruding towards the stylus. On this the swivel joint is arranged, via which the articulated arms are connected to the height measuring device.
  • the workpiece table is then expediently provided with a centrally arranged, slender foot, in such a way that the support can move with its base plate under the table surface and thus close to the workpiece.
  • This shape of the workpiece table also offers further advantages. Because the slender foot of the table can serve as a reference point for the articulated arm. If it is pivoted on the workpiece so that it can be rotated around the foot, the carrier can also be freely guided around the workpiece by 360 °.
  • the coordinate measuring machine working on the basis of the method according to the invention can be operated both hand-guided and can be provided with a drive which moves the carrier in the plane.
  • a drive should preferably act on the wearer's center of gravity. This enables high travel speeds and accelerations. Since such a drive can, however, hinder the free rotation of the carrier by 360 °, the workpiece must then be arranged on a turntable so that free access is guaranteed from all directions, or it is done with two similar devices on both sides of the fixed workpiece measured.
  • Figure 1 is a perspective schematic diagram of the mechanical parts of the coordinate measuring machine according to the invention according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the invention modified with respect to the articulated arm
  • Figure 3 is a schematic diagram of a third embodiment of the invention with two articulated arms
  • Figure 4 is the schematic diagram of a fourth exemplary embodiment of the invention
  • Figure 5 is the perspective schematic diagram of a fifth preferred embodiment of the invention
  • Figure 6 shows the underside of part of the handlebar ( 113 ) of Figure 5;
  • Figure 7 shows one of the handlebars (113 ) of Figure 5 in the side view
  • FIG. 8a is a more detailed illustration of an articulated arm which can alternatively be used in conjunction with the device according to FIGS. 5 and 6 in a vertical plane;
  • Figure 8b shows the articulated arm from Figure 8 in supervision
  • Figure 9a is a simplified schematic diagram showing the device type according to Figure 5-8 in supervision
  • Figure 9b is a simplified schematic diagram showing the device type of Figure 5-8 in side view
  • Figure 10 is a perspective schematic diagram of a motorized embodiment of the invention.
  • the coordinate measuring machine shown in FIG. 1 is essentially based on a height measuring machine (2) of known design, which can be moved on a flat granite slab (1 ) .
  • a height measuring device consists of a vertical column (3) along which a carriage ( 4 ) can be moved in height, ie in the Z direction.
  • the column ( 3 ) carries a scale ( 8 ) which is scanned by a photoelectric sensor system in the carriage (4), which is not visible in the illustration.
  • An arm (5) is mounted horizontally displaceably in the carriage (4 ) .
  • the arm (5 ) carries a button ( 7 ) at its end and can be clamped in the carriage - 9 -
  • the weight of the slide (4), measuring arm (5) and probe (7 ) is balanced by a counterweight in column C3).
  • the height measuring device (2) can be moved smoothly, it is supported on the granite plate ( 1 ) by air bearings integrated in the base 09 ) of the column (3).
  • the probe (7) is not a one-dimensional length probe, but rather a 3D probe that responds in all three directions, e.g. of the type described in US Pat. No. 4,177,568.
  • the height measuring device described here with reference to FIG. 1, with the same structure, is also part of the exemplary embodiments according to FIGS. 2-4.
  • height measuring devices record only the heights (Z) of the measuring points touched by the probe (7 ) . So that the coordinate values (X and Y) in the plane in the granite slab (1) can also be measured, the base (9 ) of the height measuring device (2) is connected to the fixed granite slab (1 ) via an articulated arm (18).
  • the articulated arm (18) consists of two parts, the first part is rotatably mounted by means of a first rotary encoder (11) to a angesc to the granite plate (1) robbed holding plate (10), the second part by means of a second rotational joint (12) on first part is fastened and is additionally articulated by means of a third swivel joint (13 ) to the base plate (9) of the height measuring device ( 2 ) .
  • the articulated arm (18) thus allows the height measuring device ( 2 ) to be moved freely and has no loads other than its own weight. Therefore he can including the bearings for the swivel joints ( 1 I, 1__ and 13 ) can be manufactured inexpensively.
  • the dead weight of the articulated arm (18) can also be intercepted by an air bearing mounted underneath the articulation (12), so that during a measuring process there is no change in load behavior in relation to the bearings of the swivel joint, ie the movements of the height measuring device do not exert any force on the measurement-relevant components of the device.
  • the rotary encoders in the joints (11, 12 and 13 ) and the encoder system for the scale (8 ) on the height measuring device (2 ) are connected to a computer (17) which, from the angles c, ⁇ ->, ⁇ , the position of the probe ball Imi 11e (19 ) in Cartesian coordinates is calculated and displayed based on the measured height value ( Z ) and the previously entered parameters ( a ⁇
  • the extension length (l) of the measuring arm (5) can be changed after loosening the clamping lever ( 6) and can be adapted to different measuring tasks. However, it is not necessary to determine the extension length (1 ) of the arm (5) on an additional scale. Rather, the coordinate measuring device consisting of the height measuring device (2) and the articulated arm (18 ) can be recalibrated after changing the extension length (l) and again clamping the arm ( 5 ) using a calibration device arranged in the measuring range of the measuring device. For this purpose, the measuring points of the ⁇ lo -
  • the embodiment shown in Figure 2 differs from that of Figure 1 in the design of the articulated arm (28) with which the height measuring device ( 2 ) is articulated to the granite slab ( 1 ) .
  • the articulated arm (28) consists of an extension (26 ) of variable length, which is mounted in a linear guide (22).
  • the guide (22) is pivotably attached to a holding part (20) screwed to the granite slab via a first swivel joint (21), while the extension (26), which is provided with a length scale (24), is fastened via a second swivel joint (23) is connected to the base of the height measuring device (2).
  • a guide system (25) for scanning the scale (24) is located in the guide (22) for the pull-out (26).
  • the joints (21) and (23) are provided with angle encoders for measuring the angles of rotation O -] and O 2 between the articulated arm and the base or between the base and the height measuring device (2).
  • the computer (27) of the device calculates the coordinates (X, Y, and Z) of the probe tip of the probe at the height-measuring device (2) from the measured values O -j and O 2 he d angle sensor in the pivots (21 and 23), the measured draw length r ⁇
  • a coordinate measuring machine which determines the position in the plane of the granite slab by means of two articulated arms (38 and 48) of the type described with reference to FIG. 2.
  • the pull-out (36) of the first articulated arm (38) which is pivotably connected to the holding part (30) and the granite slab via a first swivel joint (31), carries a first length scale (34) and also a - / i - second swivel joint (41) with respect to the second holding part l ( 40 ) pivotable extension (46) of the second articulated arm (48) a similar length scale (44 ) .
  • Both standards are scanned by corresponding encoders (35 and 45) in the linear guides (32 and 42) of the articulated arms (38 and 48) and deliver the measured values ( ⁇ ) and ir arms for the extension lengths of the two joint ⁇ .
  • Both articulated arms are attached at one end to the granite slab at a fixed distance b from one another and articulated with a double articulation (33) with a common axis of rotation at the base of the height measuring device ( 2).
  • An angle encoder is assigned to the joint ( 33 ) alone, which measures the angle of rotation of the height measuring device (2) relative to one of the two pull-outs (36 or 46 ) .
  • the position of the axis of rotation of the joint (33 ) in the plane of the granite slab is clearly determined.
  • the position of the probe ball can be determined using the measured value O of the angle encoder in the swivel joint (33) and the extension length ( l ) of the measuring arm of the height measuring device (2).
  • the necessary tri gonomet i calculations are carried out by the computer (37 ) , to which the outputs of the named sensors are connected.
  • the articulated arms require more space and limit the range of movement and the usable measuring range of the device, but offer the advantage of greater achievable accuracy.
  • the articulated arm (58) used to measure the plane coordinates (X, Y) is articulated at the upper end of the column of the height measuring device (2).
  • the articulated arm (58) consists of a rod which is fastened at one end to the height measuring device (2) by means of a first cardanic double joint (53).
  • the rod (56) is in a sleeve which is also gimbal-mounted on a second joint ( 52 ) and which is fastened to the part (51) of a fixed support (50) protruding beyond the measuring range.
  • the encoder system for the linear scale ( 54 ) attached to the rod (56) is located in the sleeve.
  • the universal joint (52) are also two rotary encoders for measuring the angle ⁇ j -
  • the computer (57) of the coordinate measuring device calculates the Cartesian coordinates (X, Y and Z) of the probe ball of the device.
  • a transformation of the polar coordinates ( ⁇ , ⁇ 1 and ⁇ 2 ⁇ ⁇ n e ⁇ n au ⁇ di plane of the granite slab projected Cartesian coordinate system takes place.
  • the height measuring device (102) has an approximately C-shaped one in vertical section .
  • the lower leg of the C forms a base plate (109) on which a vertical support ( 103 ) is built.
  • a carriage (104) for the probe (107) is mounted vertically displaceably on this carrier (103).
  • the carriage ( 104 ) is provided with a bracket (106) with which Help the device (102) can be moved on a flat granite slab ( 101 ) and the height of the probe ( 107 ) can be adjusted.
  • the upper part (108) of the carrier ( 103 ) projects in the direction of the tip of the stylus and forms the upper leg of the C.
  • the handlebars are with the scales for measuring the position of the height measuring device in the plane ( X, Y) is rotatably articulated, the axis of rotation being designated by ( A).
  • the position of the axis of rotation is chosen so that it passes through the center of the probe ball (T ⁇ on the probe (107) or is only a short distance from it.
  • Two columns (110 ) and (120) are firmly attached to the back of the granite slab (101 ) . They both carry on their upper side a pivot bearing, via which the handlebars (113 ) and (123) fastened there with holders (111) and (121) are rotatably held, similarly to the exemplary embodiment according to FIG.
  • the handlebars (113) and (123), as can be seen in FIG. 6, have a scale step (119) on their underside. They are mounted in the guide housing (114) and (124) which can be rotated linearly in the guide housing (114) and (124) which can be rotated about the axis (A) at the upper end and project there from the front of the height measuring device (102 ) .
  • the handlebars (113, 123) each carry a counterweight ( 112 ) or ( 122). With the help of these counterweights, the handlebars (113 ) and (123) are balanced so that they rest on the top of the carrier ( 103 ) without any forces.
  • ⁇ by changing load conditions are avoided which would occur if other ⁇ when the distance between the altimeter (102) and the columns (110) and (120) changes.
  • FIG. Partial section shows the pivot bearing (117) on the top of the column (110 ) and the pivot bearing (129) in the top (108) of the height measuring device.
  • This latter bearing ( 129 ) is assigned an angle encoder ( 128 ) which measures the rotational position of the height measuring device (102) relative to the orientation of the handlebar ( 113 ) .
  • the two columns (110) and (120) are connected to one another by a rod (118 ) with a low coefficient of thermal expansion, such as Invar.
  • a rod (118 ) with a low coefficient of thermal expansion such as Invar.
  • This measure plays a special role, since the distance between the two columns or the pivot points carried by them, as will be described with reference to FIGS. 9a and 9b, forms the basis for the measurement of the plane coordinates of the height measuring device (102). If it is additionally ensured that the linear scales also consist of material with a low coefficient of thermal expansion, or the thermal expansion of the bar and the scales is determined by a temperature measurement, the position of the axis of rotation CA ) or of the height measuring device in the plane (X, Y) determine with very high accuracy.
  • the workpiece to be measured is designated by (117) in FIG. 5. It rests on a workpiece table, the top of which -) s - (115) is attached to the granite slab (101) by means of a slim foot (116 ) attached in the middle.
  • the mentioned free rotatability through 360 ° around the workpiece can also be achieved in the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 2.
  • a large number of measuring tasks can be solved with a coordinate measuring machine of the construction described in FIG. 5, which previously required an elaborate rotary table or cumbersome stylus shapes or a rotary-swivel joint, e.g. oblique bores in prismatic workpieces or rotary parts.
  • the handlebars ( 113) and (123) with the linear scales in the exemplary embodiment according to FIGS. 5-7 can also be replaced by length measuring systems. This is particularly advantageous when large measuring lengths are desired, in which case the handlebars become bulky.
  • An embodiment modified for large measuring lengths is shown in FIGS. 8a and 8b.
  • a laser generator (412) with an attached interfering head ( 415 ) is then located on each of the two columns at the rear end of the base plate (101) on a rotatably mounted plate (411 ) . 8a or 8b, the column in question is designated (410 ) .
  • a support plate (414) is mounted on the rotary bearing (129) on the upper part (108) of the height measuring device, on which the reflector prism (421) appropriate to the interferometer (415) is fastened.
  • a second reflector prism (422) is in turn rotatably mounted on the carrier of the prism (421) and is adjusted by a second interferometer (not shown here) on the other column.
  • the support plate (414) is always adjusted with the aid of a tension wire (416) so that the measuring beam (413) of the interferometer strikes the reflector prism (421) perpendicularly.
  • the tensioning wire (416 ) is guided over the two rollers (418) and (419) on the rotatable plate (411 ) .
  • the tension of the wire ensures a counterweight (420). This is guided in the hollow column (410).
  • a corresponding device for tracking is provided for the second prism (422).
  • the rotational position of the height measuring device ( 102 ) or of the carrier (103) must also be determined. This is done by the angle encoder (128) (FIGS. 7 and 8a), which indicates the angle ⁇ " between the stylus axis and one of the two links or measuring beams. It is then possible, knowing the distance (l) between the stylus ball (T ⁇ ) and the axis of rotation (A) Determine probe ball coordinates ( X and Y ) in the plane ⁇ n -
  • the tilt angle (c ⁇ .4) is drawn in the vertical plane in which the touch axis lies.
  • tilting can occur on all sides and therefore the component of the tilt angle in the direction perpendicular to the plane of the drawing must also be taken into account.
  • three inductive buttons are installed in the base plate (109) of the height measuring device (102), as shown in FIG. 9a and FIG. 9b, which measure the distance to the surface of the Measure the granite slab (101).
  • the i ppwi nke lc 4 or Lassen can be derived from the signals of these inductive buttons - 10 - Calculate the correction coordinates X2_- ⁇ 2 ⁇ that the tilting causes with respect to the position in the plane (X, Y).
  • the tilt also causes a height error ( Z-, which depends on the distance between the Z-scale (108) and the probe ball (T ⁇ ) .
  • This correction value can also be determined with the help of sensors M-
  • the necessary calculations of the correction data are carried out in a computer ( 127 ) .
  • this computer is supplied with the measured values (r4, r ⁇ , $ 4 and Z), which are supplied by the interferometers, the angle encoder (128 ) and the encoder of the scale (108). Since the described type of correction of the tilting error presupposes that the surface of the plate (101) is flat, a two-dimensional correction matrix is also stored in the memory of the computer (127), in which all flatness deviations are recorded. The detection of the flatness deviations, ie the topography of the surface of the plate (101) can be determined, for example, in a one-time calibration run with the aid of electronic inclinometers.
  • a push rod (211) engages on the rear of the stand ( 203 ) of the motorized measuring device according to FIG.
  • the push rod (211) is moved by a linear drive, which is located in a housing (209) on a carriage (212), which in turn eb over a second L nearantri along a Q uer obviouslys (208) between the two columns (210) and (220) slidable st.
  • the two linear drives move the measuring device in the plane (X, Y). - 13 -
  • the push rod (211) engages approximately at the height of the center of gravity of the height measuring device. It can therefore be moved quickly without disruptive tilting moments occurring.
  • the table (215) is designed as a turntable or as an indexing table, which defines several defined angular positions L_ ⁇ with respect to the base plate ( 201) can take.

Description

- i - Beschreibung :
Koordinatenmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Koordinatenwerte eines Tastelementes sowie ein auf der Basis dieses Verfahrens arbeitendes Koordinatenmeßgerät.
Mehrkoordinatenmeßgeräte g bt es in den verschiedensten Aus¬ führungsformen. Eine Übersicht über die unterschiedlichen Bau¬ formen gibt der Artikel von M. Dietsch und H. Lang in Feinwerk¬ technik und Meßtechnik 86 (1978) Seite 262-269. Allen darin beschriebenen Geräten liegt im Prinzip der gleiche Aufbau zu¬ grunde: Die Geräte bestehen aus drei senkrecht zueinander ange¬ ordneten und aufeinander aufbauenden Führungen, längs derer der Tastkopf verschiebbar ist, sowie drei den Führungen zuge¬ ordneten Linearmaßstäben.
Da die erste Führung jeweils das Gewicht der darauf auf¬ bauenden, weiteren Führungen tragen muß, ist zur Erreichung einer ausreichend hohen Meßgenauigkeit eine stabi le Ausbi ldung für die Führungen erforderlich, die Deformationen während des Meßvorganges verhindert. Koordinatenmeßgeräte sind deshalb teure und aufwendige Präzisionsinstrumente.
Es sind auch Koordinatenmeßgeräte bekannt, die nicht in einem kartesi sehen Koordinatensystem, sondern in Kugel- oder Zylinderkoordinaten messen. So ist z.B. in der GB-PS 14 98 009 ein Koordinatenmeßgerät beschrieben, bei dem der Tastkopf mittels dreier h ntereinander angeordneter Gelenke beweglich gehalten ist. Die Lage des Tastkopfes wird bei diesem Gerät mit Hilfe von in 'den Gelenken angeordneten Winkelgebern festgestellt. Ein ähnlich aufgebautes Koordinatenmeßgerät ist aus der US-PS 42 40 205 bekannt. Bei diesem Gerät ist der Tastkopf an einer vertikal verschiebbaren Pinole befestigt, die ihrerseits über drei Gelenke mit vertikal angeordneter Drehachse in einer Ebene geführt ist. Die Lage der Pinole in der Ebene wird mit Hilfe eines Maßstabes und eines Drehgebers gemessen.
Auch bei diesen beiden letztgenannten Geräten, die statt Line¬ arführungen Drehachsen zur Führung des Tastkopfes verwenden, stützen sich die beweglichen Teile der Geräte aufeinander ab. Es werden deshalb Gegengewichte benötigt, mit denen die beweg¬ lichen Maschinenteile ausbalanc ert werden müssen, was das Gewicht und die Masse der bewegten Maschinenteile vergrößert. Außerdem ist es erforderl ch, die Lagerungen für die Drehachsen sehr stabil auszuführen, da sie jeweils das Gewicht der darauf aufbauenden Teile tragen müssen.
Dennoch ist es nicht möglich, mit diesen Geräten ausreichend genaue Messungen durchzuführen, da die einzelnen Teile des Gelenkarmes während der Messungen wechselnden Lastverh ltnissen ausgesetzt sind und sich deshalb unkontrolliert deformieren.
Desweiteren sind sogenannte Höhenmeßgeräte bekannt. Sie be¬ stehen aus einem in einer Ebene manuell frei verschiebbaren Träger, an dem ein Längenmeßtaster vertikal verschiebbar ge¬ führt ist. Mit dem der Führung zugeordneten Maßstab lassen sich allein die Höhen des Tasters über der Ebene an versc iedenen Stellen über der Ebene messen und in Relation bringen. Die Lage des Höhenmeßgerätes in dieser Ebene wird nicht erfaßt. Zudem ist der Tastkopf eines Höhenmeßgerätes wenn überhaupt dann nur entlang der Vertikalen auslenkbar.
Diese bekannten Höhenmeßgeräte sind also keine Mehrkoordinaten¬ meßgeräte, da sie nur zur Messung in einer einzigen Dimension geeignet sind. Zwar ist auch schon ein Höhenmeßgerät bekannt geworden, das über eine Kul ssenführung in zwei Koordinaten geführt ist und dessen Lagekoordinaten in der Ebene durch den Kulissenführungen zugeordnete Maßstäbe ermittelt wird. Dieses Gerät entspricht jedoch wieder dem eingangs genannten, prinzipiellen Aufbau bekannter Meh rkoordi naten eßgeräte und besitzt deshalb u.a. den Nachteil, daß Rechtwin li gkei tsfeh ler der Führungen direkt in das Meßergebnis eingehen. Außerdem läßt sich dieses bekannte Gerät nicht drehen, so daß zusätzlich ein Drehtisch für das zu vermessende Werkstück benötigt wird.
Aus der DE-OS 32 05 362 sowie der DE-OS 36 29 689 sind Koord natenmeßgeräte auf der Basis eines von Hand bzw. von einem Roboter über das zu vermessende Werkstück geführten Tastelementes bekannt, welches aus verschiedenen Richtungen mit Hilfe von Laser-Entfernungsmessern angemessen wird. Diese Geräte besitzen jedoch den Nachteil, daß die winkelmäßige Ausrichtung des Taste lementes nur unter hohem Aufwand und selbst dann nicht in jeder Lage im Meßraum bestimmt werden kann. Außerdem kann mit dem Tastelement das zu vermessende Werkstück nicht ohne weiteres umfahren werden, da dann zumindest einige der Meßstrahlen unterbrochen würden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung der Koordinatenwerte eines Tastelementes anzugeben, das es erlaubt, mit möglichst geringem Aufwand eine Vielzahl verschiedener Meßaufgaben mit ausreichend hoher Genauigkeit in allen Raumrichtungen durchzuführen, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Koordinatenmeßgerät zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung besitzt mehrere Vortei le: Der Träger des Tastkopfes stützt sich auf einer ebenen Führungs¬ platte ab und kann dort frei manuell oder motorisch verschoben werden. Es ist deshalb möglich, die Lage dieses Trägers in der Ebene mit einem Gelenkarm und diesem zugeordneten Meßsystemen festzustel len, der keinerlei Gewicht zu tragen hat. Der Gelenk¬ arm wird einfach an einem Ende an der Führungsplatte und am anderen Ende am Träger angelenkt und kann sich auch beispiels¬ weise selbst über zusätzliche Luftlager auf der Führungsplatte abstützen. Es sind daher keine großdimensionierten Drehachsen oder Gegengewichte erforderlich, so daß die ganze Anordnung eine geringe Masse besitzt und leicht bewegt werden kann. Da der Gelenkarm selbst keine Lasten zu tragen hat, treten keine Verbiegungen im Gelenkarm auf, was der Meßgenauigkeit des Ge¬ rätes zugute kommt. Außerdem sind Rechtwink li gkei sfeh ler bei der Ermittlung der Ebenenkoordinaten vermieden, da keine aufeinander aufbauenden Führungen verwendet werden. Das Gerät ist zudem in der Ebene drehbar, so daß eine Vielzahl von Meßaufgaben auch ohne Drehtisch für das Werkstück gelöst werden können. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es, Koordinatenmeßgeräte in kompakter und vereinfachter Bauform bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit des Meßraums zu schaffen.
Der bzw. die Gelenkarme, mit denen der Träger an der Führungsplatte befestigt ist, kann auf unterschiedlicher Art und Weise ausgeführt werden. So ist es beispielsweise möglich, einen aus drei Drehachsen aufgebauten Gelenkarm oder einen aus zwei Drehachsen und einem Auszug variabler Länge aufgebauten Gelenkarm zu verwenden oder sogar zwei Gelenkarme vorzusehen. Die Lage des Trägers in der Ebene läßt sich ohne weiteres durch den Drehachsen zugeordnete Winkelgeber bzw. den Auszügen variabler Länge zugeordnete Maßstäbe ermitteln. Hierbei erfolgt die Berechnung der genauen Koordinatenwerte aus den Signalen der Meßwertgeber durch einen daran angesc lossenen elektro¬ nischen Rechner.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der oder die Gelenk- arme am oberen Ende des Trägers angelenkt sind, wo sie nicht mit den auf der ebenen Führungsplatte aufgebauten Werk¬ stücken kollidieren können. Der Träger kann dann um 360° frei um das Werkstück herumgeführt werden, so daß ein separater Drehtisch für das Werkstück entbehrlich ist. - S" -
Von besonderem Vortei l ist hierbei, wenn der Abstand zwischen der vertikalen Drehachse, an der die Gelenkarme angelenkt sind, und der Tastkugel möglichst gering ist. Denn je kleiner dieser Abstand ist, desto ungenauer kann das zur Messung dieses Dreh¬ winkels verwendete Winkelmeßsystem sein bzw. wird dann keine besonders hohe Auflösung für den Winkelgeber gefordert.
Um diese Bedingung geometrisch einhalten zu können, besitzt der Träger zweckmäßig eine etwa C-förmige Gestalt, indem eine schlanke Säule auf einer im Querschnitt großflächigeren Grund¬ platte aufbaut. Am oberen Ende besitzt die Säule einen in Richtung des Taststifts vorstehenden Arm. An diesem ist das Drehgelenk angeordnet ist, über das die Gelenkarme an das Höhenmeßgerät angebunden sind.
Außerdem ist dann der Werkstücktisch zweckmäßig mit einem mittig angeordneten, schlanken Fuß versehen, derart, daß der Träger mit seiner Grundplatte unter die Tischfläche und damit, nahe an das Werkstück heranfahren kann. Diese Form des Werk¬ stücktisches bietet außerdem weitere Vorteile. Denn der schlanke Fuß des Tisches kann als Bezugspunkt für den Gelenkarm dienen. Wenn dieser um den Fuß drehbar am Werkstück angelenkt ist, läßt sich der Träger ebenfalls um 360° frei um das Werk¬ stück herumführen.
Zur Erreichung möglichst hoher Meßgenauigkeiten muß sicherge¬ stellt werden, daß keine Meßfehler infolge Verkippungen des Trägers um die vertikale Achse entstehen. Diese können kompensiert werden, indem entweder Meßsysteme in der Grund¬ platte des Trägers angeordnet werden, die den Abstand zur Führungsplatte messen, oder direkt die Neigung messende elektronische Waagen am Träger angebracht werden.
Wenn man mit Sensoren arbeitet, die den Abstand zur Oberfläche der ebenen Führungsplatte messen, dann geht deren Genauigkeit bzw. die Abweichung ihrer Topographie von einer idealen Ebene in das Meßergebnis ein. Um diesen Einfluß zu eliminieren ist es zweckmäßig, die Topographie der ebenen Führungsplatte in einem separaten Korrektur lauf vorab zu ermitteln und als zweidimensiona le Korrekturmatri abzuspeichern.
Das auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitende Koordinatenmeßgerät kann sowohl handgeführt betrieben werden als auch mit einem Antrieb versehen werden, der den Träger in der Ebene verschiebt. Ein derartiger Antrieb sollte vorzugs¬ weise im Schwerpunkt des Trägers an diesem angreifen. Dies ermöglicht hohe Verfahrgeschwindi gkei ten und Beschleunigungen. Da ein solcher Antrieb eventuell jedoch .die freie Drehbarkeit des Trägers um 360° behindern kann, ist dann das Werkstück auf einem Drehtisch anzuordnen, damit die freie Zugänglichkeit von allen Richtungen aus gewährleistet ist, oder es wird mit zwei gleichartig aufgebauten Geräten beiderseits des festmontierten Werkstückes gemessen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 1-11 der beigefügten Zeichnungen.
Figur 1 ist eine perspektivische Prinzipskizze der mechanischen Teile des erfindungsgemäßen Koordinaten¬ meßgerätes nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 ist eine Prinzipskizze eines zweiten, bezüglich des Gelenkarmes abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Figur 3 ist eine Prinzipskizze eines dritten Ausführungs- beispiels der Erfindung mit zwei Gelenkarmen;
Figur 4 ist die Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbei¬ spiels der Erfindung; Figur 5 ist die perspekt vische Prinzipskizze eines fünften, bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Figur 6 zeigt die Unterseite eines Teils des Lenkers (113) aus Figur 5;
Figur 7 zeigt einen der Lenker (113) aus Figur 5 in der Seitenansi cht ;
Figur 8a ist eine detailliertere Darstellung eines in Ver¬ bindung mit dem Gerät nach Figur 5 bzw. 6 alternativ verwendbaren i nterferomet ri sehen Gelenkarmes in einer vertikalen Ebene;
Figur 8b zeigt den Gelenkarm aus Figur 8 in Aufsicht;
Figur 9a ist eine vereinfachte Prinzipskizze, die den Gerätetyp nach Figur 5-8 in Aufsicht zeigt;
Figur 9b ist eine vereinfachte Prinzipskizze, die den Gerätetyp nach Figur 5-8 in Seitenansicht zeigt;
Figur 10 ist eine perspektivische Prinzipskizze eines motorisierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Das in Figur 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät baut im wesentlichen auf einem Höhenmeßgerät (2) bekannter Bauart auf, das auf einer ebenen Granitplatte (1) verschiebbar ist. Ein solches Höhenmeßgerät besteht aus einer vertikalen Säule (3), entlang der ein Schlitten (4) in der Höhe, d.h. in Z-Richtung verschiebbar ist. Zur Messung der Z-Position trägt die S ule (3) einen Maßstab (8), der von einem in der Darstellung nicht sichtbaren photoelektrischen Gebersystem im Schlitten (4) abge¬ tastet wird. Im Schlitten (4) ist ein Arm (5) waagerecht ver¬ schiebbar gelagert. Der Arm (5) trägt an seinem Ende einen Taster (7) und kann mittels einer Klemmeinrichtung im Schlitten - 9 -
(4) über den mit (6) bezeichneten Hebel festgeklemmt werden.
Das Gewicht von Schlitten (4), Meßarm (5) und Tastkopf (7) ist über ein in der Säule C3) geführtes Gegengewicht aus- balanci ert.
Damit das Höhenmeßgerät (2) reibungsfrei verschoben werden kann, stützt es sich über in der Basis 09) der Säule (3) integrierte Luftlager auf der Granitplatte (1) ab.
Allerdings ist der Tastkopf (7) kein eindimensionaler Längen- meßtaster, sondern vielmehr ein in allen drei Richtungen an¬ sprechender 3D-Tastkopf z.B. des in der US-PS 41 77 568 be¬ schriebenen Typs.
Das hier anhand von Figur 1 beschriebene Höhenmeßgerät ist bei gleichem Aufbau auch Bestandteil der Ausführungsbeispiele nach Figur 2-4.
Wie bereits eingangs ausgeführt erfassen Höhenmeßgeräte allein die Höhen (Z) der vom Tastkopf (7) angetasteten Meßpunkte. Damit auch die Koordinatenwerte (X und Y) in der Ebene in der Granitplatte (1) meßtechnisch erfaßt werden, ist die Basis (9) des Höhenmeßgerätes (2) über einen Gelenkarm (18) mit der feststehenden Granitplatte (1) verbunden.
Der Gelenkarm (18) besteht aus zwei Teilen, wobei der erste Teil mittels eines ersten Drehgebers (11) gegenüber einer an die Granitplatte (1) angesc raubten Halteplatte (10) drehbar gelagert ist, der zweite Teil mittels eines zweiten Drehgelenks (12) am ersten Teil befestigt ist und zusätzlich mittels eines dritten Drehgelenks (13) an die Grundplatte (9) des Höhenmeßge¬ rätes (2) angelenkt ist. Der Gelenkarm (18) erlaubt somit ein freies Verschieben des Höhenmeßgerätes (2) und hat keinerlei Lasten außer seinem eigenen Gewicht zu tragen. Er kann deshalb einschließl ch der Lager für die Drehgelenke (1 I,1__ und 13) kostengünstig hergestellt werden. Das Eigengewicht des Gelenk- armes (18) läßt sich außerdem durch ein unterhalb des Gelenkes (12) angebrachtes Luftlager abfangen, so daß während eines Meßvorganges es nicht zu wechselnden Lastverhä Ltni ssen in Bezug auf die Lager des Drehgelenkes kommt, d.h. die Bewegungen des Höhenmeßgerätes üben keine Kräfte auf die meßtechnisch relevanten Komponenten des Gerätes aus.
In die drei Drehgelenke (11,12 und 13) sind drei Winkelencoder eingebaut, von denen die Wi nke Lste L Lungen o , und "J ~ der verdrehten bzw. verschwenkten Teile gemessen werden. Zusammen mit den bekannten Längen a-j und a2 der Teile zwischen den Dreh¬ achsen der Gelenke (11 und 12) bzw (12 und 13) und der Auszug¬ länge (l) des Meßarmes (5) des Höhenmeßgerätes ist die Lage der Tastkugel (19) am Taststift des Tastkopfes (7) eindeutig be¬ st i mmt .
Die Drehgeber in den Gelenken (11,12 und 13) und das Geber¬ system für den Maßstab (8) am Höhenmeßgerät (2) sind an einen Rechner (17) angeschlossen, der aus den gewonnenen Winkeln c , \-> , ^ , dem gemessenen Höhenwert (Z) und den vorab eingegebenen Parametern (a<|, 8 ) und (L) die Lage der Tastkuge Imi 11e (19) in kartesischen Koordinaten berechnet und anzeigt.
Während die Längen a*] und a2 des Gelenkarmes (18) unveränder¬ lich sind und als Parameter fest im Rechner (17) abgespeichert werden können, ist die Auszuglänge (l) des Meßarmes (5) nach Lösen des Klemmhebels (6) veränderbar und läßt sich an unter¬ schiedlichen Meßaufgaben anpassen. Es ist jedoch nicht er¬ forderlich, die Auszuglänge (l) des Armes (5) mit einem zusätz¬ lichen Maßstab zu ermitteln. Das aus dem Höhenmeßgerät (2) und dem Gelenkarm (18) bestehende Koordinatenmeßgerä kann vielmehr nach einem Ändern der Auszuglänge (l) und wieder erfolgter Klemmung des Armes (5) unter Benutzung einer im Meßbereich des Meßgerätes angeordneten Kalibriervorrichtung neu kalibriert werden. Hierzu werden beispielsweise die Meßpunkte der ~ l o -
Kalibriereinri chtung mehrmals aus deutlich unterschiedlichen Stellungen des Höhenmeßgerätes (2) angetastet. Durch Gleichsetzen der Meßwerte in den verschiedenen Stellungen läßt sich dann auf die unbekannte Auszuglänge (l) rückrechnen.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Figur 1 in der Ausbildung des Gelenkarmes (28), mit dem das Höhenmeßgerät (2) an die Granitplatte (1) angelenkt ist. Der Gelenkarm (28) besteht aus einem Auszug (26) variabler Länge, der in einer Linearführung (22) gelagert ist. Die Führung (22) ist über ein erstes Drehgelenk (21) schwenkbar an einem an die Granitplatte angeschraubten Halteteil (20) befestigt, während der Auszug (26), der mit einem Längenmaßstab (24) versehen ist, über ein zweites Drehgelenk (23) mit der Basis des Höhenmeßgerätes (2) verbunden ist.
In der Führung (22) für den Auszug (26) befindet sich ein Gebersystem (25) zur Abtastung des Maßstabes (24). Auch hier sind die Gelenke (21) und (23) mit Winkelencodern zur Messung der Drehwinkel O -] und O 2 zwischen Gelenkarm und Basis bzw. zwischen Basis und Höhenmeßgerät (2) versehen.
Der Rechner (27) des Gerätes berechnet die Koordinaten (X,Y und Z) der Tastkugel des Tastkopfes am Höhenmeßgerät (2) aus den Meßwerten O -j und O 2 der Winkelgeber in den Drehgelenken (21 und 23), der gemessenen Auszuglänge r<| des Gelenkarmes (28) und der durch einen Kalibri ervorgang ermittelten Länge (l) des Meßarmes (5) am Höhenmeßgerät (2).
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist ein Koordinatenmeßgerät dargestellt, welches mittels zweier Gelenkarme (38 und 48) des anhand von Figur 2 besc riebenen Typs die Position in der Ebene der Granitplatte bestimmt. Dazu trägt der über ein erstes Drehgelenk (31) mit dem Halteteil (30) und der Granitplatte schwenkbar verbundene Auszug (36) des ersten Gelenkarmes (38) einen ersten Längenmaßstab (34) und der ebenfalls über ein - / i - zweites Drehgelenk (41) gegenüber dem zweiten Haltetei l (40) schwenkbare Auszug (46) des zweiten Gelenkarmes (48) einen gleichartigen Längenmaßstab (44). Beide Maßstäbe werden von entsprechenden Gebern (35 und 45) in den Linearführungen (32 und 42) der Gelenkarme (38 und 48) abgetastet und liefern die Meßwerte (^) und i r für die Auszuglängen der beiden Gelenk¬ arme. Beide Gelenkarme sind an einem Ende unter einem festen Abstand b zueinander an der Granitplatte befestigt und mit einem doppelten Gelenk (33) mit gemeinsamer Drehachse an der Basis des Höhenmeßgerätes (2) angelenkt. Allein dem Gelenk (33) ist ein Winkelencoder zugeordnet, der den Drehwinkel des Höhen¬ meßgerätes (2) relativ zu einem der beiden Auszüge (36 oder 46) mißt.
Mit Kenntnis des Basisabstandes (b) der beiden Gelenkarme und den Auszuglängen (r2) und (^), die ein Dreieck mit bekannten Seitenlängen bilden, ist die Lage der Drehachse des Gelenks (33) in der Ebene der Granitplatte eindeutig bestimmt. Von diesem Punkt ausgehend läßt sich die Lage der Tastkugel mit Hilfe des Meßwertes O des Winkelencoders im Drehgelenk (33) und der Auszuglänge (l) des Meßarmes des Höhenmeßgerätes (2) ermitteln. Die dazu nötigen t ri gonomet i sehen Berechnungen führt der Rechner (37) durch, an den die Ausgänge der genannten Meßwertgeber angeschlossen sind.
In diesem Ausführungsbeispiel benötigen die Gelenkarme zwar mehr Platz und begrenzen den Bewegungsbereich und den nutzbaren Meßbereich des Gerätes, bieten jedoch den Vorteil einer größeren erzielbaren Genauigkeit.
In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zur Messung der Ebenenkoordinaten (X,Y) verwendete Gelenkarm (58) am oberen Ende der Säule des Höhenmeßgerätes (2) angelenkt. Der Gelenkarm (58) besteht aus einer Stange, die mit einem Ende über ein erstes kardanisches Doppelgelenk (53) allseits beweg¬ lich am Höhenmeßgerät (2) befestigt ist. Die Stange (56) ist in einer ebenfalls kardanisch an einem zweiten Gelenk (52) ge¬ lagerten Hülse verschiebbar gelagert, die an dem über den Meßbereich inausragenden Teil (51) eines feststehenden Trägers (50) befestigt ist. In der Hülse befindet sich das Gebersystem für den an der Stange (56) angebrachten Linearmaßstab (54).
Dem Kardangelenk (52) sind außerdem zwei Drehgeber zur Messung der Winkel ^j -| und ^2 zugeordnet, den die Stange (56) relativ zur Basis (1) des Höhenmeßgerätes (2) einnimmt. Weiterhin ist dem Gelenk (53) an der Oberseite des Höhenmeßgerätes (2) ein Drehgeber zur Messung des Winkels 3 zugeordnet, um den das Höhenmeßgerät um die Vertikale gedreht werden kann.
Aus dem Längenmeßwert (. r^) des Maßstabes (54), den Winkeln l 1 ■ 2 ur| ^3 der Winkelencoder und dem Z-Wert des Maßstabes am Höhenmeßgerät (2) rechnet der Rechner (57) des Koordinaten¬ meßgerätes die kartesischen Koordinaten (X,Y und Z) der Tastkugel des Gerätes. Hierbei findet eine Umwandlung der Polarkoodinaten (^ ,^1 und ^2^ ^n eιn au^ d i Ebene der Granitplatte projiziertes kartesisches Koordinatensystem statt.
Infolge der Anlenkung des Gelenkarmes (58) am oberen Erfde des Höhenmeßgerätes C2) ist dessen Beweglichkeit in der Ebene im Vergleich zu den dargestellten übrigen Ausführungsbei spielen am geringsten gestört.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eben¬ falls die Gelenkarme am oberen Ende des Höhenmeßgerätes ange¬ lenkt sind, ist in Figur 5 dargestellt. In diesem Ausführungs- beispiel besitzt das Höhenmeßgerät (102) im Vertikalschnitt eine etwa C-förmige .GestaIt, wobei den unteren Schenkel des C eine Basisplatte (109) bildet, auf der ein vertikaler Träger (103) aufbaut. An diesem Träger (103) ist ein Schlitten (104) für den Tastkopf (107) vertikal verschiebbar gelagert. Der Schlitten (104) ist mit einem Bügel (106) versehen, mit dessen Hi lfe das Gerät (102) auf einer ebenen Granitplatte (101) verschoben werden kann und der Tastkopf (107) in der Höhe verstellt werden kann.
Das Oberteil (108) des Trägers (103) springt in Richtung auf die Taststiftspitze vor und bildet den oberen Schenkel des C. An diesem vorwärts ausragenden Tei l (108) sind die Lenker mit den Maßstäben zur Messung der Position des Höhenmeßgeräts in der Ebene (X,Y) drehbar angelenkt, wobei mit (A) die Drehachse bezeichnet ist. Die Lage der Drehachse ist hierbei so gewählt, daß sie durch den Mittelpunkt der Tastkugel (T^ am Tastkopf (107) geht bzw. nur einen geringen Abstand davon besitzt.
An der Rückseite der Granitplatte (101) sind zwei Säulen (110) und (120) fest angebracht. Sie tragen beide an ihrer Oberseite ein Drehlager, über das die dort mit Haltern (111) und (121) befestigten Lenker (113) und (123) ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 drehbar gehalten sind. Die Lenker (113) und (123) tragen wie aus der Figur 6 hervorgeht an ihrer Unterseite eine Maßstabstei Lung (119). Sie sind in dem am oberen Ende um die Achse (A) am Höhenmeßgerät drehbaren Führungsgehäusen (114) und (124) linear verschiebbar gelagert und stehen dort über die Vorderseite des Höhenmeßger tes (102) vor. Natürlich ist es auch möglich, die Lenker so anzubringen, daß sie nach hinten, über die Säulen (110) und (120) hinaus vorstehen.
Bei geringeren Anforderungen an die Meßgenauigkeit läßt sich ein Vorstehen der Lenker überhaupt vermeiden, wenn anstelle der starren Lenker Meßbänder verwendet werden, die über eine Um¬ lenkrolle in das Innere der Säulen (110,120) geführt und von einer dort angebrachten Feder unter Spannung gehalten werden.
An ihrem hinteren Ende tragen die Lenker (113,123) je ein Gegengewicht (112) bzw. (122). Mit Hilfe dieser Gegengewichte sind die Lenker (113) und (123) so ausbalanciert, daß sie kräftefrei auf der Oberseite des Trägers (103) aufliegen. Hier¬ durch sind wechselnde Lastverhältnisse vermieden, die andern¬ falls auftreten würden, wenn sich der Abstand zwischen dem Höhenmeßgerät (102) und den Säulen (110) bzw. (120) ändert.
Die Art und Weise, in der die Säule (110) und das Höhenmeßgerät (102) durch den Lenker (113) verbunden sind, ist in Figur 7 nochmals deutlicher dargestellt. Im Teilschnitt erkennt man hier das Drehlager (117) an der Oberseite der Säule (110) sowie das Drehlager (129) im Oberteil (108) des Höhenmeßgerätes. Diesem letzteren Lager (129) ist ein Winkelencoder (128) zugeordnet, der die Drehlage des Höhenmeßgerätes (102) relativ zur Ausrichtung des Lenkers (113) mißt. Die Gehäuse (114) und (124), in denen die Lenker (113) und (123) längs geführt sind, enthalten außerdem ein photoelektrisches i nkrementa Les Gebersystem, von dem die Maßstabsteilung (119) in Figur 6) der in den Lenkern (113) und (123) enthaltenen Linearmaßstäbe abge¬ tastet wird.
An ihrem oberen Ende sind die beiden Säulen (110) und (120) durch einen Stab (118) mit geringem thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten wie z.B. Invar miteinander verbunden. Diese Maßnahme spielt eine besondere Rolle, da de r Abstand der beiden Säulen bzw. der davon getragenen Drehpunkte, wie noch anhand von Figur 9a und 9b beschrieben werden wird, die Basis für die Messung der ebenen Koordinaten des Höhenmeßgerätes (102) bildet. Wenn zusätzlich sichergestellt ist, daß die Linearmaßstäbe ebenfalls aus Material mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, oder die thermische Ausdehnung des Stabes und der Maßstäbe durch eine Temperaturmessung erfaßt wird, läßt sich die Lage der Drehachse CA) bzw. des Höhenmeßgerätes in der Ebene (X,Y) mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen.
Das zu vermessende Werkstück ist in Figur 5 mit (117) bezeichnet. Es ruht auf einem Werkstücktisch, dessen Platte - ) s - (115) über einen mittig angebrachten, schlanken Fuß (116) auf der Granitplatte (101) befestigt ist. Durch diese Maßnahme und in Verbindung mit der freien Drehbarkeit des Höhenmeßgerätes unter den oben angebrachten Lenkern (113) und (123) ist es möglich, mit dem Höhenmeßgerät (102) um das Werkstück (117) vollständig herumzufahren bzw. das Werkstück von allen Seiten zu vermessen.
Die angesprochene freie Drehbarkeit um 360° um das Werkstück herum läßt sich im übrigen auch bei den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erzielen. Erreicht wird das, indem dort ebenfalls ein Werkstücktisch mit einem einzelnen, mittig angebrachten Fuß im Meßbereich aufgestellt wird und die mit (10) bzw. (20) bezeichneten, festen Bezugspunkte für,den jewei ls einzelnen Gelenkarm nicht an den Rand des Meßbereiches, sondern unter den Tisch gelegt werden, so daß der Gelenkarm um den Tischfuß herum drehbar ist. Ein Anlenken am oberen Ende des Höhenmeßger tes erübrigt sich dann
Mit einem Koordinatenmeßgerät des in Figur 5 beschriebenen Aufbaues können sehr viele Meßaufgaben gelöst werden, die bisher einen aufwendigen Rundtisch oder umständliche Tasterformen bzw. ein Dreh-Schwenk-Gelenk erforderten wie z.B. schräge Bohrungen in prismatischen Werkstücken oder Rotat i onstei le .
Die Lenker (113) und (123) mit den Linearmaßstäben im Ausführungsbei spi e l nach Figur 5-7 können außerdem durch i nte rfero et ri sehe Längenmeßsysteme ersetzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn große Meßlängen gewünscht werden, wobei dann die Lenker unhandlich lang werden. Ein für große Meßlängen modifiziertes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 8a und 8b dargestellt. Danach befinden sich auf jeder der beiden Säulen am hinteren Ende der Grundplatte (101) auf einer drehbar gelagerten Platte (411) ein Lasergenerator (412) mit angesetztem Interfero ete rkopf (415) . In der Figur 8a bzw. 8b ist die betreffende Säule mit (410) bezeichnet. Auf das Drehlager (129) am oberen Teil (108) des Höhenmeßgerätes ist eine Trägerplatte (414) montiert auf der das vom Interferometer (415) angemessene Reflektorprisma (421) befestigt ist. Ein zweites Reflektorprisma (422) ist seinerseits drehbar auf dem Träger des Prismas (421) gelagert und wird von einem zweiten, hier nicht dargestellten Interferometer auf der anderen Säule angemessen. Die Tragplatte (414) wird mit Hilfe eines Spanndrahtes (416) immer so nachgeführt, daß der Meßstrahl (413) des Interferometers senkrecht auf das Reflektorprisma (421) auftrifft. Hierzu ist der Spanndraht (416) über die beiden Rollen (418) und (419) auf der drehbaren Platte (411) geführt. Die Spannung des Drahtes stellt ein Gegengewicht (420) sicher. Dieses ist in der hohlen Säule (410) geführt. Für das zweite Prisma (422) ist eine entsprechende Einrichtung zum Nachführen vorgesehen.
Mit Hilfe der beiden .interfero etri sehen Meßstrahlen (413) und (423) kann die Lage der Drehachse (A) in der waagerechten Ebene (X,Y) aufgrund einfacher tr gonometr scher Beziehungen ein¬ deutig bestimmt werden. Dies wird unmittelbar aus Figur 9a ersichtlich. Dort ist der Abstand zwischen den beiden Dreh¬ achsen in den Säulen (110) und (120) mit (L) bezeichnet und die von den Maßstäben bzw. Interferometersystemen gemessenen Ab¬ stände von diesen Drehachsen zur Drehachse (A) am Höhenmeßgerät sind mit r4 bzw. rς bezeichnet.
Zur Durchführung von Koordinatenmessungen ist es jedoch er¬ forderlich, die genaue Lage der Tastkugel (T^ in der Ebene zu kennen. Hierzu muß außerdem die Drehlage des Höhenmeßgerätes (102) bzw. des Trägers (103) bestimmt werden. Dies geschieht durch den Winkelgeber (128) (Figur 7 bzw. 8a), der den Winkel ^" zwischen der Taststiftachse und einem der beiden Lenker bzw. Meßstrahlen angibt. Danach ist es möglich, bei Kenntnis des Abstandes (l) zwischen Tastkugel (T^) und der Drehachse (A) Tastkugelkoordinaten (X und Y) in der Ebene zu bestimmen. Der ~ n -
Abstand (l) ist in der Darstellung nach Figur 9a überhöht dargestellt. Es ist zweckmäßig, diesen Abstand möglichst klein zu halten, da dann für die Messung des Winkels 0 4 nur* ein preiswerter Geber mit geringer Auflösung benötigt wird, der keine hohe Meßgenauigkeit besitzen muß. Wenn diese Voraus¬ setzung nicht gegeben ist und mit Hilfe der Spanndrähte (416) die Referenz l ini e, gegen die der Winkelgeber (128) mißt, nicht ausreichend genau festgelegt wird, kann ein starrer Lenkerstab anstelle eines der Spanndrähte oder zusätzlich verwendet werden .
Da sich die Tastkugel (T|<) unterhalb der durch die Meßstrahlen T und r5 aufgespannten Ebene befindet können Meßfehler auf¬ treten, wenn die Z-Führung für den Tastkopfträger (104) nicht stets lotrecht zu dieser Ebene ausgerichtet ist. Solche Ver¬ kippungen können beispielsweise durch dynamische Kräfte beim Bewegen des Höhenmeßgerätes hervorgerufen werden oder durch die mangelnde Ebenheit der GranitpLatte (101) bedingt sein, auf der das Höhenmeßgerät (102) mittels Luftlagern gleitet. Die ent¬ sprechenden Verhältnisse sind in der Seitenansicht nach Figur 9b anschaulich dargestellt. Es ergibt sich ein von der Höhe (Z) abhängiger Lagefehler der Tastkugel (T^) in der Ebene (X,Y) abhängig von dem mit o 4 bezeichneten Kippwinkel. Im dargestellten Beispiel ist der Kippwinkel (cκ.4) der einfacheren Darstellung halber in der Vertikalebene eingezeichnet, in der die Tast st i ftachse liegt. Es ist jedoch klar, daß Verkippungen nach allen Seiten auftreten können und deshalb auch die Komponente des Kippwinkels in der Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene berücksichtigt werden muß.
In einer zur Durchführung von hochgenauen Messungen geeigneten Ausführungsform sind wie in Figur 9a und Figur 9b dargestellt in die Grundplatte (109) des Höhenmeßgerätes (102) drei Induktiv- taster (M-j, M und M3) eingebaut, die den Abstand zur Oberfläche der Granitplatte (101) messen. Aus den Signalen dieser Induktivtaster Läßt sich der i ppwi nke lc 4 bzw. Lassen - 10 - sich die Korrekturkoordinaten X2_- ^2 ^ berechnen, die die Verkippung bezüglich der Lage in der Ebene (X,Y) hervorruft. Die Verkippung bewirkt außerdem einen Höhenfehler (Z- , der vom Abstand zwischen dem Z-Maßstab (108) und der Tastkugel (T^) abhängt. Auch dieser Korrekturwert kann mit Hilfe der Sensoren M-|,M2,M3) ermittelt werden. Die erforderlichen Berechnungen der Korrekturdaten werden in einem Rechner (127) durchgeführt. Diesem Rechner sind neben den Meßwerten der Induktivtaster M-j,M ,M3) die Meßwerte (r4, rς, $4 und Z) zugeführt, die von den Interferometern, den Winkelgeber (128) und vom Geber des Maßstabes (108) geliefert werden. Da die beschriebene Art der Korrektur des Kippfehlers voraussetzt, daß die Oberfläche der Platte (101) eben ist, ist im Speicher des Rechner (127) außer¬ dem eine zweidimensionale Korrekturmatrix abgespeichert, in der alle Ebenheitsabweichungen erfaßt sind. Die Erfassung der Eben¬ heitsabweichungen, d.h. die Topographie der Oberfläche der Platte (101) kann beispielsweise in einem einmaligen Kalibrier- lauf mit Hilfe von elektronischen Neigungsmessern ermittelt werden.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen sind allein handbe¬ diente Koordinatenmeßgeräte gemäß der Erfindung beschrieben worden, d.h. das jeweilige Höhenmeßgerät wurde von Hand über die Granitplatte bewegt. In der Figur 10 ist eine motorisierte Versionen dargestellt. Das Ausführungsbei spi el nach Figur 10 entspricht im wesentlichen dem handbedienten Gerät nach Figur 5. Gle chartige Teile werden nicht nochmals beschrieben und besitzen deshalb auch kein Bezugszeichen.
An der Rückseite des Ständers (203) des motorisierten Meßge¬ rätes nach Figur 10 greift eine Schubstange (211) an. Die Schubstange (211) wird von einem Linearantrieb bewegt, der sich in einem Gehäuse (209) auf einem Schlitten (212) befindet, der seinerseits über einen zweiten L nearantri eb entlang eines Querträgers (208) zwischen den beiden Säulen (210) und (220) verschiebbar st. Die beiden Linearantriebe bewegen das Meßge¬ rät in der Ebene (X,Y) . - 13 -
Die Schubstange (211) greift etwa in Höhe des Schwerpunktes des Höhenmeßgerätes an. Es kann deshalb schnell verfahren werden, ohne daß störende Kippmomente aufteten.
Da es aufgrund des im Ausführungsbeispiel speziell darge¬ stellten Antriebes nicht möglich ist, von allen Seiten um das Werkstück herumzufahren, ist der Tisch (215) als Drehtisch oder als Schalttisch ausgebildet, der mehrere definierte Winkel¬ stellungen L_^ in Bezug auf die Grundplatte (201) einnehmen kann.

Claims

Patentansprüche: _- 2o —
1. Verfahren zur Ermittlung der Koordinatenwerte eines Tastelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Lagekoordinaten (X,Y) eines auf einer Grund¬ platte (101) waagerecht verschiebbaren Trägers für das Tastelement durch Längenmessung von zwei Punkten mit festem gegenseitigen Abstand (b,L) aus oder durch eine Abstands- und eine Winkelmessung bzw. mehrere Winkel¬ messungen von einem Punkt aus ermittelt werden, die Drehlage 04 des Trägers um eine vertikale Achse (A) durch einen Winkelgeber ermittelt wird, aus dem bekannten Abstand (l) zwischen der Drehachse (A) und dem Tastelement T^) sowie dem gemessenen Winkelwert (O4) Korrekturwerte (X-** , Y-]) für die ebenen Lage¬ koordinaten berechnet werden, die gemessenen ebenen Lagekoordinaten (X,Y) mit den Korrekturwerten (X-|,Y--|) verknüpft werden, und die Höhenkoordinate (Z) des im Träger (103) vertikal verschi ebli chen Tastelementes (T^ durch einen Maßstab (108) im Träger (103) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieflage (c-t. des Trägers gegen die Vertikale (Z) durch Zusatzmeßeinrichtungen ermittelt wird und aus den Zusatz- ' meßwerten und dem gemessenen Höhenwert (Z) zweite Korrekturwerte
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berechnet werden und ebenfalls mit den gemessenen Lagekoordinaten (X,Y) bzw. mit der Höhenkoordinate (Z) verknüpft werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Schieflage (cχ-4) durch elektronische Neigungsmesser im Träger (103) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Schieflage ( x.4) durch mindestens drei be- - Z ) - abstandete Sensoren (M-*, 2, M3) im Fuß (109) des Trägers (103) erfolgt, die den Abstand zur ebenen Führung des Trägers messen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Topographie der ebenen Führung (101) in einem separaten Meßprozess aufgenommen und als zwei di ensi ona le Korrekturmatrix gespeichert wird, und daß zur Ermittlung der Schieflage die Korrekturmatrix und die Meßwerte der Sensoren (M-*, M2, M3) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Lagekoordinaten (X,Y) mit Hilfe von
Laserinterfero etern (415) gemessen werden.
7. Koordinatenmeßgerät auf der Basis eines in einer Ebene frei verschiebbaren Trägers (3,103,203), der einen vertikal ver¬ schiebbaren Tastkopf (7,107) und einen die vertikale Position (Z) des Tastkopfes messenden Maßstab (8,108) be¬ sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (7,107) einen in mehreren Raumrichtungen ansprechenden Taststift trägt und der Träger über mindestens einen Gelenkarm mit mindestens einem feststehenden Bezugspunkt (10;20;30,40;50;110,120;210,220) verbunden ist, wobei der Gelenkarm mehrere die Lage des Trägers in der Ebene messende Drehgeber bzw. Maßstäbe besitzt.
8. Koordinatenmeßgerä nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Gelenkarm (18) aus drei Gelenken (11,12,13) besteht und den Gelenken Drehgeber (c ,f*> , ) zugeordnet sind.
9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Gelenkarm (28) aus zwei Gelenken (21,23) und einem Auszug (26) variabler Länge (r-j) besteht und den Gelenken Drehgeber ( ö-j , O 2-1 und d em Auszug ein Maßstab (24) zugeordnet sind.
10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß zwei Gelenkarme (38,48) mit jeweils zwei Gelenken (31 ,33;41,33) und je einem Auszug (36,46) variabler Länge (r2 f*3-) vorgesehen sind und jedem Auszug ein Maßstab (34,44) sowie mindestens einem Gelenk (33) ein Drehgeber (O3) zugeordnet ist.
11. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gelenkarme (58,113,123) am oberen Ende des verschiebbaren Trägers (2,102) angelenkt sind.
12. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Träger (103) um 360° frei unter dem bzw. den Lenkern drehbar ist.
13. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die bzw. der Lenker " mittels eines Dreh¬ gelenkes am Träger (-103) befestigt ist, dessen vertikale Drehachse (A) durch die Tastkugel (T^) des am Höhen¬ meßgerätes befestigten Tastkopfes geht bzw. eine geringe Entfernung (l) von der Tastkugel (T|<) besitzt.
14. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Träger (103) auf einer im Querschnitt großflächigeren Grundplatte (109) steht und im Verschiebe¬ bereich des Trägers ein Werkstücktisch (115) vorgesehen ist, der auf einem mittig angeordneten schlanken Fuß (11b) ruht, derart, daß der Träger mit seiner Grundplatte (109) unter die Tischfläche (115) fahren kann.
15. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der feststehende Bezugspunkt der Fuß des Werkstücktisches ist und der Gelenkarm drehbar an diesem befestigt ist.
16. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Gelenkarme (113,123) so ausbalanciert sind, daß sie im wesentlichen kräftefrei auf der Oberseite des Trägers (103) aufliegen.
17. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 16, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die beiden Gelenkarme (113,123) mittels zweier vertikaler Ständer (110,120) an der ebenen Führung (101) des Trägers (103) befestigt sind und die
Ständer an ihren oberen Enden durch einen starren Querstab (118) mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizien en befestigt sind.
18. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 17, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Gelenkarme (113,123) über ihren Ver¬ bindungspunkt (A) an der Oberseite (108) des Trägers (103) hinaus vorstehen.
19. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein erster Antrieb für die Vertikalver¬ schiebung (z) des Tastkopfes am Träger (203) und ein zweiter Antrieb (211) für die Hori zonta Lversch i ebung des Trägers vorgesehen ist.
20. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 19, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der zweite Antrieb (211) in Höhe des Schwerpunktes des Trägers (203) an diesem angreift.
21. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 19, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der zweite Antrieb ein zwischen zwei Stützen (210,220) an einer Seite des Meßbereiches des Koordinatenmeßgerätes gesetzter Linearantrieb (212) ist, der seinerseits einen zweiten, senkrecht dazu wirkenden Linear¬ antrieb (211) trägt und daß im Verschiebebereich des Trägers (203) ein Drehtisch (215) für das zu vermessende Werkstück angeordnet ist.
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